电池驱动电机

电池驱动电机是一种由电池供电的电动机，与依赖直接连接电源的电机不同，电池驱动电机具有便携性、灵活性和易于集成到紧凑系统中的优势。

电池驱动电机如何推动未来

电池驱动电机，顾名思义，是一种使用“直流”或基本恒定的终端电压和电流运行的电机，例如由蓄电池提供的电压和电流。

直流电机将电池中存储的电能转换为机械能，以执行某种形式的工作。与交流电机不同，电池驱动的电机具有便携性、灵活性和能源效率的优势。

尽管几乎所有国家电网中生成和分配的电能都是使用交流（AC）系统完成的，但很大一部分电能是以直流（DC）形式消耗的。直流电机通常用于需要精确控制速度、扭矩或位置的电子控制过程中。

电池驱动电机的应用非常广泛。从振动手机或可穿戴技术的小型直流电机，到用于玩具、无人机和DIY项目的小型电池驱动电机，再到用于机器人和便携式电动工具的工业高功率直流电机，甚至到航空航天和可再生能源系统。

对于电子爱好者来说，使用直流电机的电子电路和Arduino类型微控制器的输出接口允许他们通过使物体移动来控制现实世界的应用。但无论应用如何，所有电池驱动的电机都是直流（DC）电机。

电池驱动直流电机

基本上，直流电机利用磁场的强度将电能转换为机械能，具有相对较高的效率。内部磁场可以通过绕制的电磁线圈（称为“励磁线圈”）或通过电机体内的固定永磁体产生。

无刷直流（BLDC）电机以相反的方式运行，使用永磁转子和电磁场绕组。电动汽车（EV）通常使用无刷直流电机，因为它们结构简单、性能可靠且效率高。

由于电池价格便宜、相对安全、体积小且易于使用，因此使用它们通过多种方法为直流电机供电是有意义的。我们记得，电池是由两个或更多连接的伏打电池组成的，每个伏打电池由放置在电解质溶液中的两个金属电极组成。

然后，电池单元使用化学反应产生电能，根据电池使用的材料产生这些反应，将产生不同的电压和/或安培小时（Ah）额定功率。

直流电机以多种形式构建，适用于各种不同的应用。它们从仅消耗几毫安（mA）的小型无刷直流电机，到在400至600伏范围内运行的100兆瓦（MW）或更大的电动汽车电机。它们还用于许多电子和控制应用中作为执行器，或用于速度控制和位置应用。直流电机是一种高度多功能和灵活的机器。

然后，电池驱动电机是跨多个行业向无线、便携和环保解决方案发展的关键技术。它们对于开发节能系统和可持续的电池供电设备至关重要，对于消费电子产品，重量或尺寸通常是最重要的考虑因素。

电池驱动电机的关键特性

电池驱动电机的电压范围可以因电机的类型、尺寸和应用而有很大差异。以下是常见电压范围的一般分类：

■ 低压电机（1.5V – 12V）

应用：小型玩具、业余电子产品、低功率手持设备、可穿戴设备和简单机器人。

典型电机：微型直流电机、小型齿轮电机。

示例：用于遥控车、电池供电风扇和小型机器人的电机。

■ 中压电机（12V – 48V）

应用：便携式电动工具、电动滑板车、无人机、电动自行车和一些汽车应用。

典型电机：较大的直流电机、无刷电机（BLDC）。

示例：电动自行车、无人机、无绳电钻和家庭自动化设备中的电机。

■ 高压电机（48V – 400V+）

应用：电动汽车（EV）、工业机械、机器人和大型电器。

典型电机：高功率无刷电机、步进电机和永磁同步电机（PMSM）。

示例：用于电动汽车、工业机器人、电动叉车和可再生能源系统（例如，太阳能和风能存储系统）的电机。

用电池为电机供电

电池的物理尺寸与其能量存储容量直接相关。因此，用于为直流电机供电的所选电池不仅要在充满电时满足电机的电压和电流要求，而且还要在接近完全放电时继续满足这些要求。

电机的额定功率，以马力或瓦特为单位，是根据速度、扭矩和占空比的组合计算的。这反过来确定了特定电池的电压、电流和容量要求。

电池终端电压

不幸的是，并非所有电池都是相同的。因此，电池的终端电压必须达到所需的值。例如，虽然单个1.5伏纽扣电池很可能会运行一个3伏电机。但如果连接到3V电源（两个纽扣电池串联），电机的性能会更好。

相反，如果由3伏电池供电，额定电压为1.5伏的直流电机有过热和损坏的风险。此外，降低电压会导致电机旋转速度变慢，降低其驱动特定负载的扭矩处理能力。扭矩是产生和维持旋转的力。

电池的能量存储容量

由于电池的主要功能是存储电能而不是电荷，因此电池的能量存储容量是一个重要参数。所有电池的能量存储容量都以瓦时（Wh）、安培小时（Ah）或毫安小时（mAh）为单位，具体取决于尺寸。

这个安培小时（Ah）值表示电池内部存储了多少能量，因此电池可以持续提供固定电流直到完全放电的时间。显然，容量越大，单次充电可以供电的时间越长。

例如，额定容量为2500 mAh的1.5V电池将连续提供1 mA的电流近2500小时。然而，它不会提供2.5安培的电流整整一小时。确定电池能量存储容量的一种简单方法是将安培小时容量额定值乘以其标称终端电压：

能量容量 – 安培小时 x 电池电压 = Ah x V

因此，对于我们之前的1.5V电池示例。其能量容量为：

能量容量 – 2500 mAh x 12V = 3.75瓦时

为了在供电电池驱动电机时增加电流容量，考虑并联第二个电池。这将保持相同的供电电压但增加容量。换句话说，并联连接的电池增加了容量。

电池终端电压降低

由于电池的终端电压是电池的基本特性，由电池内部发生的化学反应决定。随着蓄电池的放电，其开路终端电压降低。这是电池的一个负面方面，因为它降低了它们的效率。

因此，对于连续旋转的电池驱动电机，电池电压调节很重要。因此，对于直流电机和齿轮电机，终端电压的降低会导致电池提供的输出功率减少，从而影响电机的扭矩。

此外，直流电机在启动时消耗的电流可能超过其正常连续运行电流的2.5倍。这种电流的增加是为了克服静止连接负载的惯性和/或任何连接齿轮的摩擦等。

启动电流的大幅增加会比正常连续操作更减少电池寿命。这是因为在电机启动的瞬间，电枢是静止的，因此没有反电动势电压产生（VB-EMF = 0）。因此，限制启动电流的唯一组件是电枢电阻，在大多数电池驱动的直流电机中，电枢电阻小于1欧姆（1Ω）。

电池驱动电机示例1

例如，假设我们有一个100瓦的直流电机，由12伏电池供电，电枢电阻为0.4欧姆。产生的启动电流为：

电池驱动电机示例

显然，30安培的大启动电流远大于电机的实际满载电流。这种高电流很可能会对电池、换向器、电刷或线圈绕组造成严重损坏。通常使用电阻器将初始启动电流限制在满载电流的125%到200%之间。

例如，如果之前电机的启动电流必须限制在10安培，那么串联电阻的值为：

电机启动电流电阻

控制电池驱动电机

在许多应用中，直流电机只需要停止、启动并仅在一个方向上以固定速度运行。这可以很容易地通过使用简单的开关和电池电源实现，如下所示：

简单的电池驱动直流电机控制

电池驱动电机控制

在这里，电机通过单刀单掷（SPST）开关“打开”或“关闭”。当开关闭合时，电池向电机供电，当开关打开时，电池断开连接。电池将持续供电直到放电的时间取决于电池的安培小时容量以及电机消耗的电流量。

如果我们假设我们的简单电池驱动电机电路由12V、7Ah铅酸电池供电，并且电机在旋转时消耗3.5安培。那么电池在耗尽之前只能持续2小时。然而，实际上，还有其他几个因素会影响该电路的运行寿命，包括上述电池终端电压的降低。

我们可以通过使用半导体晶体管作为固态开关设备来代替SPST开关，进一步扩展这个简单的开关电池驱动电机控制电路的想法。固态双极或FET晶体管开关非常常见且非常有用于切换直流电机负载。考虑以下电路。

晶体管开关电机控制

晶体管开关电机控制

当NPN双极晶体管完全关闭（截止）时，它充当开路开关（与之前相同），因此集电极和发射极端子之间没有电流流动，直流电机停止。

将晶体管完全打开（饱和），晶体管开关有效地充当闭合开关，导致电机旋转。

请注意，作为固态开关设备，即使在饱和时，晶体管的端子之间也总是有一个小的电压降，称为VCE(SAT)。这个电压范围从大约0.1到0.5伏，取决于晶体管类型。

此外，与上面的SPST开关电路不同，直流电机的速度取决于通过它的电流的平均值。如果电压脉冲以可调时间施加到晶体管的基极端子，则可以控制电机的速度。

虽然用单个开关、晶体管（或MOSFET）控制直流电机有许多优点，允许我们启动和停止它们。它也有一个主要缺点，旋转方向总是相同的。换句话说，它是一个“单向”电路。

在许多应用中，我们可能需要将电池驱动电机在两个方向上旋转，前进和后退。然后可以使用两个继电器和一对SPDT继电器触点在电机和电源之间控制电机，如下所示。

可逆直流电机控制

可逆电池驱动电机控制

在这里，电池驱动电机的旋转方向通过手动或通过开关或脉冲逻辑信号控制到每个NPN双极晶体管的基极。其中：F = 前进，R = 后退。

请注意，任何这些晶体管开关电路都可以通过简单地翻转电路来实现使用PNP晶体管。此外，任何为双极结型晶体管（BJT）提供的电池驱动电机电路都可以使用MOSFET开关实现，因为它们的操作与BJT开关操作非常相似。

电池驱动电机总结

我们已经看到，电池驱动电机基本上是由电池供电的直流电机，可以由小型低压纽扣电池驱动，也可以由重型高压锂电池组驱动。

由于直流电机和电池技术的进步，无线设备可以快速充电，取代了从电动自行车、无人机和电动工具到电动汽车和可再生能源系统的整个范围的市电供电消费设备。电池驱动电机现在在我们的现代生活中无处不在。

电池驱动电机的主要优势在于其便携性、便利性以及在没有市电的情况下在任何地方运行的能力。随着电池技术的不断改进，我们看到电池驱动的电机变得更加强大和高效，从而在我们的日常生活中带来更多的应用。