知识分享：微型电机知识汇总

电机的种类

电机简单划分为：交流电机与直流电机，直流电机作为发电机使用时称之为直流发电机。微型直流电机可以通过改变直流电压来改变转速，应用场景非常多，这种控制转速方法极为简单，所以使用率是非常高的。

上图中，电流沿箭头方向流动，线圈上为S极，下为N极，根据异性相吸、同性相斥的原理，电枢逆时针转动，当电枢旋转90°时，磁极就会变换，即S极变成N极，N极变成S极，使电枢继续朝逆时针转动。

三相异步电机的工作原理

如上图所示，以时间相位互差120°的三相交流电，向空间相位互差120°的三相线圈通，0°时产生磁通量的方向如箭头所示，U相最大（设为1.0），V相和W相各为-0.5。60°时，W相为-1.0，U相和V相各为+0.5。

三相电流随着时间从0°渐渐变化为60°时，磁通量变化如图（d），顺时针方向旋转了60°。如此反复，磁通量顺时针旋转，便产生了旋转磁场。

另外，U相线圈、V相线圈、W相线圈按照顺时针方向排列，图（a）所示的U、V、W相应通电可产生顺时针转动的旋转磁场。如果按照逆时针方向排列，则可产生逆时针转动的旋转磁场。

也就是说，如果更改三相异步电动机三相线圈中两相的顺序，旋转磁场的转动方向也会随着改变。

同步电机与直流电机输出转矩的原理相似

同步电机与异步电机均随着旋转磁场而转动。同步电机的转子受到旋转磁场N极和S极的吸引而转动，其转速与旋转磁场相同。也就是说，同步电机转矩输出的原理与直流电机类似。

异步电机输出转矩的原理

鼠笼式线圈切割旋转磁场，鼠笼式线圈中通过电流，异步电机输出转矩。这种转矩输出的前提条件是通电鼠笼式线圈切割磁感线，而转子与旋转磁场同步转动时不存在磁感线切割，因此无法输出转矩。

直流电机的基本结构

磁体固定+线圈旋转+电刷：直流电机的输出转矩是由磁场（永磁体）磁通量与电枢电流间的电磁力作用产生。磁体位于定子上，线圈（电枢）则排布在转子上。电刷可使电流通过线圈，换向器则可保证转矩持续输出。

直流电机的类别

直流电机采用直流电源，通过励磁线圈（直流线圈）而非永磁体产生磁场。此种类型的电机大致分为三类：

1） 他励电机：电枢线圈与励磁线圈分开供电；

2） 并励电机：电枢线圈与励磁线圈并联，由同一电源供电；

3） 串励电机：电枢线圈与励磁线圈串联，二者电流相同。

直流电机特性的基本公式

电机端子电压V：

V=E+RaIa

式中，E为反电动势；Ia为电枢电流；Ra为电枢线圈电抗与电刷接触电阻之和。另外，反电动势E和转矩τ的计算方法如下

E=K1nΦ

τ=K2ΦIa

式中，K1和K2为比例常数；n为转速；Φ为每极的磁通量（Wb）。由式（1）和式（2）可得出转速

n：n=（V−RaIa）/K1Φ

电机的机械功率

P（W）：P=ωτ

式中，角速度ω=2πn(rad/s)

转矩和转速的关系

包含永磁式他励直流电机，纵轴表示电机转矩，横轴表示转速，控制电枢电流保持恒定，便如下图

这里提到的基底转速指的是，额定转矩下转速升高，电压一定，功率达到最大值的速度。达到基底转速前，可得到最大转矩。另外，电机的转速大于基底转速时，转矩随着转速上升而下降。

基底转速与转矩的关系

大于基底转速时，端子电压远远低于额定电压，接着在较弱磁场作用下，转速升高。永磁电机不容易形成弱磁场，仅有恒转矩驱动这一特性。磁通量一定时，转矩与电枢电流成比例关系。控制电枢电流便可控制转矩。磁通量减半，转矩也减半。，端子电压与电枢电流恒定时，转速变为2倍，电机功率是恒定的。

并励直流电机的基本特性

与他励电机相同并励电机与他励电机基本相同。设计控制电路时应避免励磁线圈和电枢线圈控制系统的相互干涉。

串励直流电机的基本特性

电枢电流=线圈电流

如下图所示，串励电机中励磁线圈与电枢线圈的电流相同，所以不能像他励或并励电机那样，独立控制各部分的线圈电流。图中表示的是串励电机转速与转矩的关系。串励电机只可控制一个电压，不同电压下的特征表现如图所示。

如何选择电机？

选择直流有刷电机：电机和控制装置有分别购买和成套的情况，如果是分别获取的，推荐直流有刷电机。如果选用交流PM电机（永磁电机），或者异步电机，则需要另行制作或者购买逆变器。另外，控制方面还通常需要向量控制理论和电机常数方面的知识，要么有电子工程学的专业人员，要么有专业组织的援助，否则会格外困难。永磁直流电机没有励磁回路，只要单独控制电枢电流就能控制转矩，使用断路器或电阻控制电压，就能简单实现转矩控制。直流电机控制相对比较简单且入门难度低。

需要注意的电机规格：电机规格存在额定值和最大值，因此检查过电流承受能力和最大转速及最大电压尤为重要。在比赛中电流和电压在额定值以内的情况较少，并可能相当频繁地超过额定值使用，因此事前研究即使超过何种程度，电机和控制装置也不会损坏是非常重要的。直流电机的换向器不会发生闪络，只要机器不损坏，就能按照相当的速度和功率行驶。

使用励磁绕组电机的注意事项

励磁绕组电机尽管能够控制励磁绕组电流，但通常励磁电流的控制方式与永磁电机控制方式相同。不过，由于励磁绕组电流能够控制，增大励磁电流时，电机的反电动势会变大，能量会返回到电池里，因此可再生。另外，永磁直流电机的反电动势无法变大，所以实现再生需要使用再生断路器等。

使用串励电机时的注意事项

串励电机的控制系统跟永磁直流电机相同，由于其特性是启动转矩非常大，所以电机的加速性能优越。但是空转时非常危险，所以在进行电机单体测试需要注意。并且，它也像永磁直流电机一样，需要设计电路才能实现再生。