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一文了解直流电机/交流电机/电子整流电机的差异

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导读: 直流电机凭借碳刷及整流环来改变旋转电枢(rotating armature)内电流及磁场电极的方向,内转子与固定式永磁的相互作用将导致电机转动。

据外媒报道,工程师通常会在直流(DC)电机或交流(AC)电机中进行选择。最近,电子整流(EC)电机也加入了混战,该设备有助于控制能量输出,并提升能源效率。该设备技术先进,目前正在替代直流电机及交流电机,可实现效率调节。电子整流电机与直流无刷电机均受控于外置电子线路板,可提升控制及效率。

直流与交流电机的原理

直流电机凭借碳刷及整流环来改变旋转电枢(rotating armature)内电流及磁场电极的方向,内转子与固定式永磁的相互作用将导致电机转动。

据maxon电机透露,直流电机受限于电刷系统,使用寿命为1000-1500小时,若在极端负载下,将不足100小时。在工况条件较好的情况下,部分电机的运行寿命或将达到1.5万小时。此外,高速旋转则受限于整流,通常最大每分钟转速接近1万次(RPM)。

直流电机的有效率(efficiency rate)较高,但存在一定的比损耗(specific losses),导致失效(lose efficiency)的因素包括:绕组的初始阻力(initial resistance)、电刷摩擦及涡流损耗(eddy-current losses)。

交流感应电机(AC induction motors)则采用了一系列绕组,并受控于交流输入电压,并由其产生定子磁场(stator field),进而在产生转子磁场。而同步电机(synchronous motor)则是另一种交流电机,其运行时的电源频率(supply frequency)精度高。当电流通过滑环(slip ring)或永磁体时,将产生磁场。同步电机的运行速度比感应电机快,后者的速度受限于异步电机(asynchronous motor)的滑环。

交流电机则意味着该设备的运行数值将与性能曲线上某个特定点相对应,该曲线与电机的峰值效率(peak efficiency)将保持一致。若未按照该点对应的数值运行,那么电机的效率将大幅下挫。交流电机在转子上产生感应电流,进而产生磁场,该过程将导致额外的耗能。所以,交流电机的效率不如直流电机。事实上,直流电机的效率要比交流电机高30%以上,因为永磁体将产生次生磁场(secondary magnetic field)。

一文了解直流电机、交流电机及电子整流电机的差异

上图对比了电子整流电机、三相感应交流电机(three-phase induction AC motor)、单相交流感应电机及罩极电动机(shaded pole motor)的电机效率。

电子整流电机的简介及优势

电子整流电机是一种受控于外部电子器件的无刷直流电机,该电子器件可能是电子线路板,也可能是变频器(variable-frequency drive)。机械整流(mechanical commutation)的执行有赖于电子回路(electronic circuitry),线路板可改变固定式绕组(fixed winding)的相位,确保电机转动,可提供适量的电枢电流(armature current)。若在精准的时间段内向正确的方向传输电流,可实现较高的精度。由于电极的转速受控于外部电子器件,电子整流电机不存在同步转速(synchronous speed)受限的情况。

电子整流电机具有以下优势:由于该类电机无电刷,不会产生火星或因电刷缘故导致电机使用寿命缩短,且不会浪费能量,因为其采用电子器件来控制定子,其性能及可控性较好。相较于感应电机,其运行温度较低。电机尺寸越小,越能节省空间,当制造商采用外转子(external rotor)时,甚至能节省更多的空间。

若采用电子整流电机,动力分配也更为清洁。无刷直流电机靠单独的直流电源驱动,交流电机的电源会产生额外的成本,且设计更为复杂。电子整流电机可直接与交流主电源相连,但其并不完全依赖于电压或频率,小幅的电压变动不会影响电机输出。

一文了解直流电机、交流电机及电子整流电机的差异

若将电子整流电机与交流罩极电机或固定分相电容器式交流电动机(AC permanent-split capacitor motor)进行比对,则会发现:罩极电机的效率范围(efficiency range)在15%-25%,固定分相电容器式交流电动机(permanent-split capacitors,PCS)的范围在30%-50%,而电子整流电机的效率范围在60%-75%。

电子整流电机可用于低功率输出的应用中,如:小型风机、伺服电机、动作控制技术系统(motion-control systems)。目前正尝试新方法,将该类电机应用到传送带及冷凝机组(condenser units)等大功率输出设备。

在控制速度方面,电子整流电机拥有多速控制功能,速度控制器是其标配件。交流电机也提供多数控制功能,并提供外置速度控制器选配件。外部控制器可调整交流电机的变压器一次电压(incoming voltage),可变更正弦波,会使电机的使用寿命受影响,并导致噪音增多。

对电子整流电机而言,整流电路的脉宽调制(pulse-width modulation)为4-20 mA,电压为0-10 V,将电机的转速控制在10%-100%的范围内。只需采用集成电路,就能完成对电子整流电机的监控,设计师可提供对应的反馈信息。电子整流电机还可提供软启动(soft start),且噪声及电机温度较低。

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