電池驅(qū)動電機

電池驅(qū)動電機是一種由電池供電的電動機，與依賴直接連接電源的電機不同，電池驅(qū)動電機具有便攜性、靈活性和易于集成到緊湊系統(tǒng)中的優(yōu)勢。

電池驅(qū)動電機如何推動未來

電池驅(qū)動電機，顧名思義，是一種使用“直流”或基本恒定的終端電壓和電流運行的電機，例如由蓄電池提供的電壓和電流。

直流電機將電池中存儲的電能轉(zhuǎn)換為機械能，以執(zhí)行某種形式的工作。與交流電機不同，電池驅(qū)動的電機具有便攜性、靈活性和能源效率的優(yōu)勢。

盡管幾乎所有國家電網(wǎng)中生成和分配的電能都是使用交流（AC）系統(tǒng)完成的，但很大一部分電能是以直流（DC）形式消耗的。直流電機通常用于需要精確控制速度、扭矩或位置的電子控制過程中。

電池驅(qū)動電機的應(yīng)用非常廣泛。從振動手機或可穿戴技術(shù)的小型直流電機，到用于玩具、無人機和DIY項目的小型電池驅(qū)動電機，再到用于機器人和便攜式電動工具的工業(yè)高功率直流電機，甚至到航空航天和可再生能源系統(tǒng)。

對于電子愛好者來說，使用直流電機的電子電路和Arduino類型微控制器的輸出接口允許他們通過使物體移動來控制現(xiàn)實世界的應(yīng)用。但無論應(yīng)用如何，所有電池驅(qū)動的電機都是直流（DC）電機。

電池驅(qū)動直流電機

基本上，直流電機利用磁場的強度將電能轉(zhuǎn)換為機械能，具有相對較高的效率。內(nèi)部磁場可以通過繞制的電磁線圈（稱為“勵磁線圈”）或通過電機體內(nèi)的固定永磁體產(chǎn)生。

無刷直流（BLDC）電機以相反的方式運行，使用永磁轉(zhuǎn)子和電磁場繞組。電動汽車（EV）通常使用無刷直流電機，因為它們結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠且效率高。

由于電池價格便宜、相對安全、體積小且易于使用，因此使用它們通過多種方法為直流電機供電是有意義的。我們記得，電池是由兩個或更多連接的伏打電池組成的，每個伏打電池由放置在電解質(zhì)溶液中的兩個金屬電極組成。

然后，電池單元使用化學反應(yīng)產(chǎn)生電能，根據(jù)電池使用的材料產(chǎn)生這些反應(yīng)，將產(chǎn)生不同的電壓和/或安培小時（Ah）額定功率。

直流電機以多種形式構(gòu)建，適用于各種不同的應(yīng)用。它們從僅消耗幾毫安（mA）的小型無刷直流電機，到在400至600伏范圍內(nèi)運行的100兆瓦（MW）或更大的電動汽車電機。它們還用于許多電子和控制應(yīng)用中作為執(zhí)行器，或用于速度控制和位置應(yīng)用。直流電機是一種高度多功能和靈活的機器。

然后，電池驅(qū)動電機是跨多個行業(yè)向無線、便攜和環(huán)保解決方案發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。它們對于開發(fā)節(jié)能系統(tǒng)和可持續(xù)的電池供電設(shè)備至關(guān)重要，對于消費電子產(chǎn)品，重量或尺寸通常是最重要的考慮因素。

電池驅(qū)動電機的關(guān)鍵特性

電池驅(qū)動電機的電壓范圍可以因電機的類型、尺寸和應(yīng)用而有很大差異。以下是常見電壓范圍的一般分類：

■ 低壓電機（1.5V – 12V）

應(yīng)用：小型玩具、業(yè)余電子產(chǎn)品、低功率手持設(shè)備、可穿戴設(shè)備和簡單機器人。

典型電機：微型直流電機、小型齒輪電機。

示例：用于遙控車、電池供電風扇和小型機器人的電機。

■ 中壓電機（12V – 48V）

應(yīng)用：便攜式電動工具、電動滑板車、無人機、電動自行車和一些汽車應(yīng)用。

典型電機：較大的直流電機、無刷電機（BLDC）。

示例：電動自行車、無人機、無繩電鉆和家庭自動化設(shè)備中的電機。

■ 高壓電機（48V – 400V+）

應(yīng)用：電動汽車（EV）、工業(yè)機械、機器人和大型電器。

典型電機：高功率無刷電機、步進電機和永磁同步電機（PMSM）。

示例：用于電動汽車、工業(yè)機器人、電動叉車和可再生能源系統(tǒng)（例如，太陽能和風能存儲系統(tǒng)）的電機。

用電池為電機供電

電池的物理尺寸與其能量存儲容量直接相關(guān)。因此，用于為直流電機供電的所選電池不僅要在充滿電時滿足電機的電壓和電流要求，而且還要在接近完全放電時繼續(xù)滿足這些要求。

電機的額定功率，以馬力或瓦特為單位，是根據(jù)速度、扭矩和占空比的組合計算的。這反過來確定了特定電池的電壓、電流和容量要求。

電池終端電壓

不幸的是，并非所有電池都是相同的。因此，電池的終端電壓必須達到所需的值。例如，雖然單個1.5伏紐扣電池很可能會運行一個3伏電機。但如果連接到3V電源（兩個紐扣電池串聯(lián)），電機的性能會更好。

相反，如果由3伏電池供電，額定電壓為1.5伏的直流電機有過熱和損壞的風險。此外，降低電壓會導致電機旋轉(zhuǎn)速度變慢，降低其驅(qū)動特定負載的扭矩處理能力。扭矩是產(chǎn)生和維持旋轉(zhuǎn)的力。

電池的能量存儲容量

由于電池的主要功能是存儲電能而不是電荷，因此電池的能量存儲容量是一個重要參數(shù)。所有電池的能量存儲容量都以瓦時（Wh）、安培小時（Ah）或毫安小時（mAh）為單位，具體取決于尺寸。

這個安培小時（Ah）值表示電池內(nèi)部存儲了多少能量，因此電池可以持續(xù)提供固定電流直到完全放電的時間。顯然，容量越大，單次充電可以供電的時間越長。

例如，額定容量為2500 mAh的1.5V電池將連續(xù)提供1 mA的電流近2500小時。然而，它不會提供2.5安培的電流整整一小時。確定電池能量存儲容量的一種簡單方法是將安培小時容量額定值乘以其標稱終端電壓：

能量容量 – 安培小時 x 電池電壓 = Ah x V

因此，對于我們之前的1.5V電池示例。其能量容量為：

能量容量 – 2500 mAh x 12V = 3.75瓦時

為了在供電電池驅(qū)動電機時增加電流容量，考慮并聯(lián)第二個電池。這將保持相同的供電電壓但增加容量。換句話說，并聯(lián)連接的電池增加了容量。

電池終端電壓降低

由于電池的終端電壓是電池的基本特性，由電池內(nèi)部發(fā)生的化學反應(yīng)決定。隨著蓄電池的放電，其開路終端電壓降低。這是電池的一個負面方面，因為它降低了它們的效率。

因此，對于連續(xù)旋轉(zhuǎn)的電池驅(qū)動電機，電池電壓調(diào)節(jié)很重要。因此，對于直流電機和齒輪電機，終端電壓的降低會導致電池提供的輸出功率減少，從而影響電機的扭矩。

此外，直流電機在啟動時消耗的電流可能超過其正常連續(xù)運行電流的2.5倍。這種電流的增加是為了克服靜止連接負載的慣性和/或任何連接齒輪的摩擦等。

啟動電流的大幅增加會比正常連續(xù)操作更減少電池壽命。這是因為在電機啟動的瞬間，電樞是靜止的，因此沒有反電動勢電壓產(chǎn)生（VB-EMF = 0）。因此，限制啟動電流的唯一組件是電樞電阻，在大多數(shù)電池驅(qū)動的直流電機中，電樞電阻小于1歐姆（1Ω）。

電池驅(qū)動電機示例1

例如，假設(shè)我們有一個100瓦的直流電機，由12伏電池供電，電樞電阻為0.4歐姆。產(chǎn)生的啟動電流為：

電池驅(qū)動電機示例

顯然，30安培的大啟動電流遠大于電機的實際滿載電流。這種高電流很可能會對電池、換向器、電刷或線圈繞組造成嚴重損壞。通常使用電阻器將初始啟動電流限制在滿載電流的125%到200%之間。

例如，如果之前電機的啟動電流必須限制在10安培，那么串聯(lián)電阻的值為：

電機啟動電流電阻

控制電池驅(qū)動電機

在許多應(yīng)用中，直流電機只需要停止、啟動并僅在一個方向上以固定速度運行。這可以很容易地通過使用簡單的開關(guān)和電池電源實現(xiàn)，如下所示：

簡單的電池驅(qū)動直流電機控制

電池驅(qū)動電機控制

在這里，電機通過單刀單擲（SPST）開關(guān)“打開”或“關(guān)閉”。當開關(guān)閉合時，電池向電機供電，當開關(guān)打開時，電池斷開連接。電池將持續(xù)供電直到放電的時間取決于電池的安培小時容量以及電機消耗的電流量。

如果我們假設(shè)我們的簡單電池驅(qū)動電機電路由12V、7Ah鉛酸電池供電，并且電機在旋轉(zhuǎn)時消耗3.5安培。那么電池在耗盡之前只能持續(xù)2小時。然而，實際上，還有其他幾個因素會影響該電路的運行壽命，包括上述電池終端電壓的降低。

我們可以通過使用半導體晶體管作為固態(tài)開關(guān)設(shè)備來代替SPST開關(guān)，進一步擴展這個簡單的開關(guān)電池驅(qū)動電機控制電路的想法。固態(tài)雙極或FET晶體管開關(guān)非常常見且非常有用于切換直流電機負載?？紤]以下電路。

晶體管開關(guān)電機控制

晶體管開關(guān)電機控制

當NPN雙極晶體管完全關(guān)閉（截止）時，它充當開路開關(guān)（與之前相同），因此集電極和發(fā)射極端子之間沒有電流流動，直流電機停止。

將晶體管完全打開（飽和），晶體管開關(guān)有效地充當閉合開關(guān)，導致電機旋轉(zhuǎn)。

請注意，作為固態(tài)開關(guān)設(shè)備，即使在飽和時，晶體管的端子之間也總是有一個小的電壓降，稱為VCE(SAT)。這個電壓范圍從大約0.1到0.5伏，取決于晶體管類型。

此外，與上面的SPST開關(guān)電路不同，直流電機的速度取決于通過它的電流的平均值。如果電壓脈沖以可調(diào)時間施加到晶體管的基極端子，則可以控制電機的速度。

雖然用單個開關(guān)、晶體管（或MOSFET）控制直流電機有許多優(yōu)點，允許我們啟動和停止它們。它也有一個主要缺點，旋轉(zhuǎn)方向總是相同的。換句話說，它是一個“單向”電路。

在許多應(yīng)用中，我們可能需要將電池驅(qū)動電機在兩個方向上旋轉(zhuǎn)，前進和后退。然后可以使用兩個繼電器和一對SPDT繼電器觸點在電機和電源之間控制電機，如下所示。

可逆直流電機控制

可逆電池驅(qū)動電機控制

在這里，電池驅(qū)動電機的旋轉(zhuǎn)方向通過手動或通過開關(guān)或脈沖邏輯信號控制到每個NPN雙極晶體管的基極。其中：F = 前進，R = 后退。

請注意，任何這些晶體管開關(guān)電路都可以通過簡單地翻轉(zhuǎn)電路來實現(xiàn)使用PNP晶體管。此外，任何為雙極結(jié)型晶體管（BJT）提供的電池驅(qū)動電機電路都可以使用MOSFET開關(guān)實現(xiàn)，因為它們的操作與BJT開關(guān)操作非常相似。

電池驅(qū)動電機總結(jié)

我們已經(jīng)看到，電池驅(qū)動電機基本上是由電池供電的直流電機，可以由小型低壓紐扣電池驅(qū)動，也可以由重型高壓鋰電池組驅(qū)動。

由于直流電機和電池技術(shù)的進步，無線設(shè)備可以快速充電，取代了從電動自行車、無人機和電動工具到電動汽車和可再生能源系統(tǒng)的整個范圍的市電供電消費設(shè)備。電池驅(qū)動電機現(xiàn)在在我們的現(xiàn)代生活中無處不在。

電池驅(qū)動電機的主要優(yōu)勢在于其便攜性、便利性以及在沒有市電的情況下在任何地方運行的能力。隨著電池技術(shù)的不斷改進，我們看到電池驅(qū)動的電機變得更加強大和高效，從而在我們的日常生活中帶來更多的應(yīng)用。