永磁式换向器电机的工作原理及电路

　　工作原理

　　这种电机由定子、转子、换向器(又称整流子)、电刷等组成，定子用作产生磁场。转于是在定子磁场作用下，得到转矩而旋转起来。换向器及时改变了电流方向，使转子能连续旋转下去。也就是说，直流电压加在电刷上，经换向器加到转子线圈，流过电流而产生磁场，这磁场与定子的固定磁场作用，转子被强迫转动起来。当它转动时，由于磁场的相互作用，也将产生反电动势，它的大小正比于转子的速度，方向和所加的直流电压相反。图9(b)给出了等效电路。Rw代表转子绕组的总电阻，E代表与速度相关的反电动势。

　　永磁式换流器电机的特点

　　·当电机负载固定时，电机转速正比于所加的电源电压。

　　·当电机直流电源固定时，电机的工作电流正比于转予负载的大小。　　·加于电机的有效电压，等于外加直流电压减去反电动势。因此当用固定电压驱动电机时，电机的速度趋向于自稳定。因为负载增加时，转子有慢下来的倾向，于是反电动势减少，而使有效电压增加，反过来又将使转子有快起来的倾向，所以总的效果使速度稳定。

　　·当转子静止时，反电动势为零，电机电流最大。其最大值等于V／Rw(这儿V是电源电压)。最大·电流出现在刚起动的条件。

　　·转子转动的方向，可由电机上所加电压的极性来控制。

　　·体积小，重量轻。起动转矩大。

　　由于具备上述的那些特点，所以在医疗器械、小型机床、电子仪器、计算机、气象探空仪、探矿测井、电动工具、家用电器及电子玩具等各个方面，都得到广泛的应用。

　　对这种永磁式电机的控制，主要有电机的起停控制、方向控制、可变速度控制和速度的稳定控制。

　　1、电机的起／停控制

　　电机的起／停控制，最简单最原始的方法是在电机与电源之间，加一机械开关。或者用继电器的触点控制。大家都比较熟悉，故不举例。

　　现在比较流行的方法，是用开关晶体管来代替机械开关，无触点、无火花干扰，速度快。电路如图10(a)所示。当输入端为低电平时，开关晶体管Q1截止，电机无电流而处于停止状态。如果输入端为高电平时，Q1饱和导通，电机中有电流，因此电机起动运转。图中二极管D1和D2是保护二极管，防止反电动势损坏晶体管。电容C1是消除射频干扰而外加的。R1基极限流电阻，限制Q1的基极电流。在6V电源时，基极电流不超过52mA。在这种情况下，Q1提供电机的最大电流为1A左右。

　　图10(a)的电路，因基极电流需外部驱动电路。如果再增加一级缓冲放大，如图10(b)的电路，驱动电流减少到2mA。R3限制Q1的基极电流到安全值。其他元件作用与(a)图中相同。

　　2、电机的方向控制

　　水磁式换流器电机的转动方向，可以用改变电源极性的方法，使电机反转。如果用正、负双极性电源，可用一个单刀进行转换，如图11(a)所示。因为电机的电流直接通过开关，容易烧坏开关接点。所以可以改用功率开关晶体管来代替机械开关，就可以克服上述缺点。电路如图11(b)所示。

　　电路工作原理：当开关SW1置于“正转”位时，Q1和Q3的基极加上偏流；Q2和Q4的偏置电路被断开。所以Q1和Q3导通，Q2和Q4截止。电流从V＋→Q3发射极→Q3集电极→电机正端→电机负端→地形成回路，此时电机正转。同理，如果SW1置于“反转’位置时，Q2和Q4得到偏流而导通；01和Q3截止。电流从电源地端→电机负端→电机正端→Q4集电极→Q4发射极→电源负端形成回路，故电机电源与上述情况相反，因此电机反转。而SW1置于断时，电机停止转动。

　　图11(b)电路中SW1要转接正、负电源。在接口电路的应用中，用电子开关来代替SW1就比较困难。为了克服这个缺点，可用图11(c)的电路加以改进。图11(c)中的SW1就很容易用电子开关来代替。在这个电路中，SW1置于“正转”位置时，Q1和Q3导通，Q2和Q4截止。SW1置于“反转”位置时，Q2和Q4导通，Q1和Q3截止。

　　3、单极性电源的方向控制

　　如果电源为单极性，那么控制方向的开关就要双刀三掷。如图12(a)所示。不过用晶体管连接为桥式电路，也是最基本和最通用的形式。电路如图12(b)所示。

　　从电路中可以看出，当SW1置于“正转”位置时，Q1和Q4导通，Q2和Q3截止。当SW1置于“反转”位置时，Q2和Q3导通，Q1和Q4截止。二极管D1—D4是保护电路，防止电机反电动势可能损坏晶体管。

　　图12(c)为图12(b)的改进电路。它使SW1只控制正转／反转，而SW2只控制电机的起停。用简图指出了电路中的关键点。Q1或Q2总有一个是接通的，Q3或Q4是起通／断作用。当电路被断开时，电机电流经Q1—D2或Q2—D1环路迅速减少，这是所谓的“飞轮效应”。如果SW2用脉冲调制的电子开关代替的话，就是需要这种“飞轮效应”。电机的速度可用脉宽控制。这种技术在本文后面将叙述。

　　图12(b)的电路，需要大的驱动电流。如果需要更灵敏的控制电路，可以采用图13(a)的方案。在这个电路中，A、B、C和D的四个输入端，只需要几毫安的驱动电流。这个电路也可以像图13(b)那样，用人工进行控制。图中用CMOS集成电路CCD4052B，作双刀四路双向开关。逻辑电平“0”或逻辑电平“1”加到A或B的输入端。正转／反转，起动／停止是相互独立的。这个电路也具有“飞轮效应”。图13(a)和图]3(c)的电路工作的逻辑真值表如表4列出。

　　4、电机的速度控制

　　直流电机的转速与所加的电压有效值成正比。图14是12V直流电机的可变电压速度控制。图中Q1和Q2是复合管射极跟随器，电机的直流电压可从0V变到12v。这种电路的特点是：在中速和高速时，速度的控制和自动调节的性能很好。但是低速和慢启动特性比较差。

　　用开关方式或脉宽调制，可以获得非常好的速度控制性能。电路图如15所示。

　　图中IC1作为50Hz的无稳多谐振荡器，它产生一个矩形波输出，占空比可变从20比1到1比20，由RV1进行调节。这个波形经过Q1和Q2送到电机，电机上的电压有效值是随RV1的调节而变化的(总的周期是50HZ)。不过电机上所加上的电压，是具有峰值电压为12V的功率脉冲。因此在整个调速范围内；性能都非常好。即使在很低的速度，转矩也很大。速度控制的程度，正比于所加电压的有效值。

　　5、模型火车速度控制器

　　图16所示的电路是具有自动短路保护的模型火车速度控制器。电源用12V，最大输出电流为1.5A。如果轨道上出现短路时，控制单元上张有短路探测器和保护电路，自动将输出电流限制在100mA(有效值)

　　这个电路的工作原理如下：

　　交流电源经变压器T1降压后，经BR1进行全波桥式整流，得到一个未滤波的直流电压。通过一个串联的单向可控硅(SCR1)与方向控制开关SW3，将整流电压加在电机上。

　　在整流输出直流的每个开始的半周，可控硅(SCR)是断开的。直流电压经R4和ZD1稳压后，加到双基极二极管(UJT)Q1及相关的定时电路C1和RV1上。当C1上的电压超过UJT发射极的门限值时，触发可控硅，使SCR1饱和导通。而另一半周期SCR1关断复位。电机的电源是经SCR1阴极、R2和R3、SW3而得到。未经滤波原整流后的频率为电源频率的二倍。电机通电时间的长短，受电位器RV1控制。所以模型火车的速度能在很宽的范围内变化。

　　还要提醒一下，输出电流流过了并联电阻R2和R3，电阻上的电压正比于电流。该电压经过一个峰值检波电路D1和C2，检波后妁直流电压馈送到Q2的基极。当输出电流的峰值超过1.5A或输出短路时， 由于C2的电压储能作用，使R8和R9的分压、正好能使Q2导通，将Q1的定时电路短路，停止几个半周不触发SCR1。如果出现短路情况，由电路内部电阻限流在几安的峰值电流，每15个半周触发一次SCR1，使输出电流的有效值限制在100mA，这就保护了电路的安全。

　　6、自动轨道清洁机

　　图17是典型的铁路轨道清洁机的电路原理图。电源部份与图16的整流部份相同。有了自动轨道清洁机，就可以保持模型火车与轨道之间有良好的电接触。因为车轮与轨道之间，容易被脏物或氧化造成接触障碍。这个问题的解决是经过一个高频高压小功率的信号发生器，把控制信号送至轨道，如果道轨上存在污物或氧化的危害时，将使其信号中断，高压发生器便工作。结合图17叙述其工作原理。

　　电路的振荡频率大约为100KHz，由变压器T1的电感与C2的容量而定。C4是抵销不希望的轨道效应的分布电容。在T1的次级，峰值电压有几佰伏，但为高阻抗。如果负载是低阻抗时，振荡器就停止振荡不产生高压。　　变压器T1次级用粗漆包铜线绕制，通过火车控制信号送到道轨。当火车电机与道轨的电接触为低阻抗时，振荡停止。只有火车的控制信号送到轨道。然而，如果接触被污物中断，车轮与道轨的接触变成高阻抗；这时高压发生器迅速工作。建立起良好的电接触。排除了中断的障碍。当轨道清洁机有效时，T1次级的氖灯的亮度指示轨道的接触损失。R6限制振荡器只有很小的振荡电压送到火车的控制端。

　　7．电机速度控制及稳定

　　电机速度稳定器，意味着控制电路的电压和电机的负载尽管在很大的范围内变化，电机的转速也能稳定不变。图18是一种简便的电机速度控制器和稳速电路。这个电路的特点是：不管电压和温度怎样变，加在电机上的电压都恒定不变，所以速度稳定。

　　电路中317K为三端可调稳压器，当加上适当的散热器时，输出电流可达1.5A，并且317K稳压集成电路内具有短路和过载保护。对于图中的元件标值，输入电压从1.25V～13.75V变化。为了确保电压的稳定，输入电压至少要比要求的输出电压大3V以上。

　　图19所示电路为通用电机稳速器电路。这种电路应用范围很广。例如盒式录音机。它能自动补偿电池电压和电机负载的变化。

　　电机的电流受串联晶体管Ql的控制，而Q1的电流又受晶体管Q2的控制。如果电机的额定电压为6V，其他元件如图中标值，可获得100mA的电机电流。值得一提的是：Q2发射极的电压比电机电压低1.2v左右。D1、D2、和R3上面的电压之和等于电机上的电压。Q2的基极偏压，取自Q1的集电极。由R4、RV1和R5分压提供。

　　由于某种因素电源电压下降，有使电机电压减小的趋势。这将引起Q2发射极电压的降低Q2基极电压也跟着降低，这又会引起Q2和Q1的集电极电流减小，其结果导致Q1集电极电位上升，这就自动补偿电源电压的降低。达到了稳速的目的。如果电源电压上升，原理与上述相同，不过变化方向相反而已。

　　D1和D2二极管起温度补偿作用。电机速度控制可由RV1调节。

　　高性能可变速度稳定器电路如图20所示。它可用作宽范围速度可变的场合，例如12V微型电钻。

　　图中电机的电源是经过317K三端稳压器集成电路输出。电机的电流经R5和RV2取样，把部份电压送到IC2和Q1组成的同相直流放大器。Q1发射极电压正比于电机负载电流。

　　317K稳压器的输入电压，通常为1.25～13.75V。在电路中，三端稳压器的输出电压等于本身的输出电压再加上Q1发射极上的电压。因此，当电机负载增加时，电路输出电压将自动上升，增加电机的驱动能力，保持电机速度不变。为了保持有负载与无负载时，电机的速度相同。首先调节RVl使电机的转速为最大转速的三分之一。然后调节RV2到额定转速。