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

電池驅(qū)動(dòng)電機(jī)如何推動(dòng)未來(lái)

電池驅(qū)動(dòng)電機(jī)，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(yùn)行的電機(jī)，例如由蓄電池提供的電壓和電流。

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

盡管幾乎所有國(guó)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(jī)通常用于需要精確控制速度、扭矩或位置的電子控制過(guò)程中。

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

對(duì)于電子愛好者來(lái)說(shuō)，使用直流電機(jī)的電子電路和Arduino類型微控制器的輸出接口允許他們通過(guò)使物體移動(dòng)來(lái)控制現(xiàn)實(shí)世界的應(yīng)用。但無(wú)論應(yīng)用如何，所有電池驅(qū)動(dòng)的電機(jī)都是直流（DC）電機(jī)。

電池驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)

基本上，直流電機(jī)利用磁場(chǎng)的強(qiáng)度將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，具有相對(duì)較高的效率。內(nèi)部磁場(chǎng)可以通過(guò)繞制的電磁線圈（稱為“勵(lì)磁線圈”）或通過(guò)電機(jī)體內(nèi)的固定永磁體產(chǎn)生。

無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)以相反的方式運(yùn)行，使用永磁轉(zhuǎn)子和電磁場(chǎng)繞組。電動(dòng)汽車（EV）通常使用無(wú)刷直流電機(jī)，因?yàn)樗鼈兘Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠且效率高。

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

然后，電池單元使用化學(xué)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(shí)（Ah）額定功率。

直流電機(jī)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(wú)刷直流電機(jī)，到在400至600伏范圍內(nèi)運(yùn)行的100兆瓦（MW）或更大的電動(dòng)汽車電機(jī)。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(jī)是一種高度多功能和靈活的機(jī)器。

然后，電池驅(qū)動(dòng)電機(jī)是跨多個(gè)行業(yè)向無(wú)線、便攜和環(huán)保解決方案發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。它們對(duì)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(duì)于消費(fèi)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(dòng)電機(jī)的關(guān)鍵特性

電池驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電壓范圍可以因電機(jī)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(jī)（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(jiǎn)單機(jī)器人。

典型電機(jī)：微型直流電機(jī)、小型齒輪電機(jī)。

示例：用于遙控車、電池供電風(fēng)扇和小型機(jī)器人的電機(jī)。

■ 中壓電機(jī)（12V – 48V）

應(yīng)用：便攜式電動(dòng)工具、電動(dòng)滑板車、無(wú)人機(jī)、電動(dòng)自行車和一些汽車應(yīng)用。

典型電機(jī)：較大的直流電機(jī)、無(wú)刷電機(jī)（BLDC）。

示例：電動(dòng)自行車、無(wú)人機(jī)、無(wú)繩電鉆和家庭自動(dòng)化設(shè)備中的電機(jī)。

■ 高壓電機(jī)（48V – 400V+）

應(yīng)用：電動(dòng)汽車（EV）、工業(yè)機(jī)械、機(jī)器人和大型電器。

典型電機(jī)：高功率無(wú)刷電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和永磁同步電機(jī)（PMSM）。

示例：用于電動(dòng)汽車、工業(yè)機(jī)器人、電動(dòng)叉車和可再生能源系統(tǒng)（例如，太陽(yáng)能和風(fēng)能存儲(chǔ)系統(tǒng)）的電機(jī)。

用電池為電機(jī)供電

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

電機(jī)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(jì)算的。這反過(guò)來(lái)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(dá)到所需的值。例如，雖然單個(gè)1.5伏紐扣電池很可能會(huì)運(yùn)行一個(gè)3伏電機(jī)。但如果連接到3V電源（兩個(gè)紐扣電池串聯(lián)），電機(jī)的性能會(huì)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(jī)有過(guò)熱和損壞的風(fēng)險(xiǎn)。此外，降低電壓會(huì)導(dǎo)致電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度變慢，降低其驅(qū)動(dòng)特定負(fù)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(chǔ)容量

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

這個(gè)安培小時(shí)（Ah）值表示電池內(nèi)部存儲(chǔ)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(shí)間。顯然，容量越大，單次充電可以供電的時(shí)間越長(zhǎng)。

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(shí)。然而，它不會(huì)提供2.5安培的電流整整一小時(shí)。確定電池能量存儲(chǔ)容量的一種簡(jiǎn)單方法是將安培小時(shí)容量額定值乘以其標(biāo)稱終端電壓：

能量容量 – 安培小時(shí) x 電池電壓 = Ah x V

因此，對(duì)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(shí)

為了在供電電池驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)增加電流容量，考慮并聯(lián)第二個(gè)電池。這將保持相同的供電電壓但增加容量。換句話說(shuō)，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(xué)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(gè)負(fù)面方面，因?yàn)樗档土怂鼈兊男省?/p>

因此，對(duì)于連續(xù)旋轉(zhuǎn)的電池驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電池電壓調(diào)節(jié)很重要。因此，對(duì)于直流電機(jī)和齒輪電機(jī)，終端電壓的降低會(huì)導(dǎo)致電池提供的輸出功率減少，從而影響電機(jī)的扭矩。

此外，直流電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)消耗的電流可能超過(guò)其正常連續(xù)運(yùn)行電流的2.5倍。這種電流的增加是為了克服靜止連接負(fù)載的慣性和/或任何連接齒輪的摩擦等。

啟動(dòng)電流的大幅增加會(huì)比正常連續(xù)操作更減少電池壽命。這是因?yàn)樵陔姍C(jī)啟動(dòng)的瞬間，電樞是靜止的，因此沒有反電動(dòng)勢(shì)電壓產(chǎn)生（VB-EMF = 0）。因此，限制啟動(dòng)電流的唯一組件是電樞電阻，在大多數(shù)電池驅(qū)動(dòng)的直流電機(jī)中，電樞電阻小于1歐姆（1Ω）。

電池驅(qū)動(dòng)電機(jī)示例1

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

電池驅(qū)動(dòng)電機(jī)示例

顯然，30安培的大啟動(dòng)電流遠(yuǎn)大于電機(jī)的實(shí)際滿載電流。這種高電流很可能會(huì)對(duì)電池、換向器、電刷或線圈繞組造成嚴(yán)重?fù)p壞。通常使用電阻器將初始啟動(dòng)電流限制在滿載電流的125%到200%之間。

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

電機(jī)啟動(dòng)電流電阻

控制電池驅(qū)動(dòng)電機(jī)

在許多應(yīng)用中，直流電機(jī)只需要停止、啟動(dòng)并僅在一個(gè)方向上以固定速度運(yùn)行。這可以很容易地通過(guò)使用簡(jiǎn)單的開關(guān)和電池電源實(shí)現(xiàn)，如下所示：

簡(jiǎn)單的電池驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)控制

電池驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制

在這里，電機(jī)通過(guò)單刀單擲（SPST）開關(guān)“打開”或“關(guān)閉”。當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，電池向電機(jī)供電，當(dāng)開關(guān)打開時(shí)，電池?cái)嚅_連接。電池將持續(xù)供電直到放電的時(shí)間取決于電池的安培小時(shí)容量以及電機(jī)消耗的電流量。

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

我們可以通過(guò)使用半導(dǎo)體晶體管作為固態(tài)開關(guān)設(shè)備來(lái)代替SPST開關(guān)，進(jìn)一步擴(kuò)展這個(gè)簡(jiǎn)單的開關(guān)電池驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(jī)負(fù)載?？紤]以下電路。

晶體管開關(guān)電機(jī)控制

晶體管開關(guān)電機(jī)控制

當(dāng)NPN雙極晶體管完全關(guān)閉（截止）時(shí)，它充當(dāng)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(dòng)，直流電機(jī)停止。

將晶體管完全打開（飽和），晶體管開關(guān)有效地充當(dāng)閉合開關(guān)，導(dǎo)致電機(jī)旋轉(zhuǎn)。

請(qǐng)注意，作為固態(tài)開關(guān)設(shè)備，即使在飽和時(shí)，晶體管的端子之間也總是有一個(gè)小的電壓降，稱為VCE(SAT)。這個(gè)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(jī)的速度取決于通過(guò)它的電流的平均值。如果電壓脈沖以可調(diào)時(shí)間施加到晶體管的基極端子，則可以控制電機(jī)的速度。

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

在許多應(yīng)用中，我們可能需要將電池驅(qū)動(dòng)電機(jī)在兩個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)，前進(jìn)和后退。然后可以使用兩個(gè)繼電器和一對(duì)SPDT繼電器觸點(diǎn)在電機(jī)和電源之間控制電機(jī)，如下所示。

可逆直流電機(jī)控制

可逆電池驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制

在這里，電池驅(qū)動(dòng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向通過(guò)手動(dòng)或通過(guò)開關(guān)或脈沖邏輯信號(hào)控制到每個(gè)NPN雙極晶體管的基極。其中：F = 前進(jìn)，R = 后退。

請(qǐng)注意，任何這些晶體管開關(guān)電路都可以通過(guò)簡(jiǎn)單地翻轉(zhuǎn)電路來(lái)實(shí)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(dòng)電機(jī)電路都可以使用MOSFET開關(guān)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗鼈兊牟僮髋cBJT開關(guān)操作非常相似。

電池驅(qū)動(dòng)電機(jī)總結(jié)

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

由于直流電機(jī)和電池技術(shù)的進(jìn)步，無(wú)線設(shè)備可以快速充電，取代了從電動(dòng)自行車、無(wú)人機(jī)和電動(dòng)工具到電動(dòng)汽車和可再生能源系統(tǒng)的整個(gè)范圍的市電供電消費(fèi)設(shè)備。電池驅(qū)動(dòng)電機(jī)現(xiàn)在在我們的現(xiàn)代生活中無(wú)處不在。

電池驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主要優(yōu)勢(shì)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(yùn)行的能力。隨著電池技術(shù)的不斷改進(jìn)，我們看到電池驅(qū)動(dòng)的電機(jī)變得更加強(qiáng)大和高效，從而在我們的日常生活中帶來(lái)更多的應(yīng)用。