讲座视频 - 直流电机 - 物理

大家好， 我是 Jon Valvano。 我们终于成功了, 我们终于来到这一章， 轮子将要旋转，机器人将要移动。 在本特定的视频中， 我们将讨论有关电磁场的一些基本原理， 我们将讨论有关电磁场的一些基本原理， 然后将讨论我们将在该机器人上 使用的直流电机。 好的。 那么，让我们开始吧。 让我们从电机运行所必需的最简单关系开始讨论， 让我们从电机运行所必需的最简单关系开始讨论， 那就是我们需要生成一个磁场。 好的。 我们要将电能注入到这里的导线中， 我们要将电能注入到这里的导线中， 该导线将绕成线圈， 从而产生一个感应磁场。 电机中内置了这些电磁铁， 这样一来，如果有电流通过导线， 它将生成一个磁场。 有许多相关的物理定律， 但我们只需要知道我们要做的是 注入电流。 好的。 那么，我们必须向导线中提供 足够大的电流， 才能够使电机转动。 好的。 那么，这是本幻灯片的重点， 当我们制作一个电机时， 我们必须处理相当大的电流， 从而生成较大的磁场， 该磁场会在轮子上产生一个力。 好的。 那么，在磁场产生之后， 我们现在需要通过它产生一个力。 因此，我们将在这里使用法拉第-麦克斯韦定律 来观察所产生的力。 下面，让我们来深入研究该问题。 正如我在前一张幻灯片中说过的， 我们将生成一个磁场， 该磁场由电磁铁感应生成， 然后我们要让电流通入这里的导线。 该关系 -- 在这里我们 将演示一个非常简单的关系， 其中（磁场、电流、力）这三者都是正交的。 伸出您的右手，伸直大拇指 并用它来表示电流， 再伸直其他四根手指， 并用它们所在的维度表示磁场， 并用它们所在的维度表示磁场， 这将在您的手掌上产生一个力。 好的。 那么，现在我们把这个简单的三维几何关系 代入到电机内部进行研究。 我们看到这些永磁体， 这些南北磁极是永久性的， 这些南北磁极是永久性的， 它们位于（线圈）外部。 它们称为定子，是静止不动的部件， 具有永久性的南北磁极。 然后，该位于转子内部的导线 -- 转子是旋转的部件 -- 导线携带我们将要输入电机的电流 -- 导线携带我们将要输入电机的电流 就是这个电流。 根据右手定则，这将产生一个力。 根据右手定则，这将产生一个力。 因为导线位于转子上，所以产生的力 将使导线的这一侧向下运动， 另外一侧向上运动。 直流电机 --刷式直流电机 是最简单的直流电机。 它具有电刷，这样，当转子转过180度时， 电刷会使电流方向翻转。 电刷会使电流方向翻转。 因此，即使电流的方向从外部看来是不变的， 因此，即使电流的方向从外部看来是不变的， 如果我们观察绕组导线中的电流， 也会发现该电流方向将来回翻转， 这样，右侧力会一直向下， 左侧的力会一直向上。 这就是它旋转的原理。 这就是它旋转的原理。 那么，再强调一次，电流 是我们为了让电机旋转而必须的重要参数。 是我们为了让电机旋转而必须的重要参数。 但是，如果您还记得，线圈本身， 导线本身是弯曲的， 它们被绕成线圈的形状， 根据物理定律，这种绕成线圈的导线会产生电感。 根据物理定律，这种绕成线圈的导线会产生电感。 现在，导线的电阻取决于 铜的电阻率、导线长度、 导线横截面积。 这几乎是一个常数。 这是当您把它连接到欧姆计时将会看到的情况。 我们将在本章中不断看到的第三个参数， 我们将在本章中不断看到的第三个参数， 是从物理角度上由电能到机械能的转换。 是从物理角度上由电能到机械能的转换。 好的。 这是一个有趣的转换，因为它实际上是在两个方向上同时发生的。 这是一个有趣的转换，因为它实际上是在两个方向上同时发生的。 因此，再说一次，我们将把电能 通过接口输入进去， 从而产生机械能。 同时转换也沿另一个方向发生， 我们可以输入机械能并输出电能。 因此，这里的重点是，电机的物理特性 将在电路中生成一个电感 L 。 导线的长度决定电阻的大小， 这个机械能和电能的转换可以产生 电路中的一个电池， 或者在机械层面生成一个力。 这两者以一种有趣的方式相互影响。 这两者以一种有趣的方式相互影响。 好的。 现在，您可以参加有关电机原理的完整课程。 再强调一次，您需要了解的是这样一个事实： 我们需要让电流通过这个简单的电机模型， 模型由一个电阻、一个电感和一个电压源（电池）组成。 好的。 电机的电感 不会产生什么问题，直到我们尝试改变电流。 例如，我们将看到， 如果我将电流视为时间的函数， 并且在接口上输入错误的电流， 假设我可以在 10ns 内从 0.5A降至 0，那么将产生 假设我可以在 10ns 内从 0.5A降至 0，那么将产生 相当大的电压。 那么我们来算一下， 将电机的电感乘以 ΔI， （通常 ΔI 在导通和关断的瞬间变化很大）， 然后除以该驱动器的转换速率（即关断时间）， 这样可能会产生几百伏的电压。 这样可能会产生几百伏的电压。 这是一件很糟糕的事情。 因此，该电感将是一个问题。 我们将在下一张幻灯片中解决它。 我们将观察到的另一个现象是，如我所说， 电能将沿着这个方向 转换为机械力， 但与此同时，摩擦力 将沿反方向产生一个感应电压。 因此，我们还会在电机的接口上看到这种情况。 再重复一次，双向的能量转换 将发生在机械世界和电气世界之间。 将发生在机械世界和电气世界之间。 好的。 这是我们必须知道的知识。 如果我们把电机拆开， 我们可以看到它的组成部件， 包括转轴、 以及转子， 也就是旋转的部分。 您可以看到，它有一个 -- 还记得我说过有一个线圈状的导线吗？ 其实，它不是一个线圈，而是很多很多线圈。 因此，您可以在转子内部看到，它不是只有一圈， 而是有很多圈。 这里这些位于转子内部的线圈， 是导致电机呈现出电感性的源头。 您还可以看到电刷， 您还可以看到电刷， 从外部电路角度来看， 我们要使电流从这里通到那里。 但这里（弧线处），才是电流发生换向的位置。 但这里（弧线处），才是电流发生换向的位置。 但这里（弧线处），才是电流发生换向的位置。 但这里（弧线处），才是电流发生换向的位置。 定子的这些部分， 接触电刷的这个部分（方块处）。 接触电刷的这个部分（方块处）。 电刷位于定子部分， 换向器位于移动部分。 这个点（电刷 A ）连接到那个点（换向器 A ）， 电刷 B 显然将与底部的换向器相连。 这就是电机旋转时用来使电流翻转的部分。 这就是电机旋转时用来使电流翻转的部分。 很显然，那里（右边）是我们将安装在机器人上的电机。 很显然，这里（右边）是我们将安装在机器人上的电机。 因此，当我们控制电机时， 我们希望能够让一个比较大的电流 通过这些部分，因为正是这个电流 最终产生磁场和力，从而使电机转动。 最终产生磁场和力，从而使电机转动。 因此，从电气角度而言， 我们关心的是输入到电机中的功率。 我们关心的是输入到电机中的功率。 事实上，我们将几乎保持 电压恒定不变，这是由电机接口特性所决定的， 我们将在下一张幻灯片中看到这一点。 我们将以占空比模式来开启和关闭电流。 电机中生成的感应电流 则是摩擦力或机械负载的函数。 则是摩擦力或机械负载的函数。 因此，能量将会在电能和机械能之间转换， 因此，能量将会在电能和机械能之间转换， 因此，能量将会在电能和机械能之间转换， （产生的力）符合牛顿第二定律， 力 = 质量 x 加速度。 由于它是一个轮状物体， 我们还要关心这个距离也就是轮子的半径。 现在，电机产生的力 变成扭矩传导到 轮胎与地面接触的地方。 好的。 扭矩的单位是牛顿米。 如果力以牛顿为单位，距离以米为单位， 那么扭矩以牛顿米为单位。 所以下面是一个我们需要知道的重要事实： 如果我们使轮子更大， 电机仍然产生相同的力。 对吧？ 因此如果我们采用相同的电机并且使轮子更大， 我们实际上会获得更小的（轮上）扭矩。 好的。 最后需要提醒您的是，在该电机接口中， 电流的变化，即电流的斜率， 实际上将在电感上产生相当大的电压。 实际上将在电感上产生相当大的电压。 我们必须处理好这个问题。 那么，正如您看到的，我们看到了许多术语， 关于电机内部及其周围部件， 我们了解了轮上扭矩、电机产生的力、 接口中的电感、 以及沿两个方向产生的电磁力。 所有这些将实现 软件产生的占空比与电机转速之间的转换。 软件产生的占空比与电机转速之间的转换。 好的。 那么，这就是我们说的转换， 它贯穿了物理、电气、软件、 以及机械方法。 好的。 那么，您必须牢记什么呢？ 您需要记得右手定则， 电流在大拇指上沿这个方向流动， 磁场位于其它四个手指上， 手掌方向上产生力。 您可以了解电机内部结构， 主要有两个部件，首先是转子， 它是旋转的部件，还有定子，它是不旋转的部件。 它是旋转的部件，还有定子，它是不旋转的部件。 此外，连接二者的是 电刷，它位于定子和换向器上， 换向器位于转子上。 好的。 希望您喜欢本实验， 希望您喜欢本实验， 现在，我们可以进行比赛了。 在下一个视频中，我们将讨论电气接口。