基本知识

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  • 基本知识

    1.基本概念

    电机是以磁场作为媒介,实现电能与机械能或电能与电能之间的的转换装置。

    永磁直流电动机则是以永久磁场(由铁氧铁、钕铁硼等永磁体提供)作为媒介,将电能转换为机械能的装置。

    任何电机的工作必须具备两个基本条件:磁场与电流.。

    2.电机分类

    分类方法很多,传统的电机学是按以下方式分类的(如图):

    本厂生产的电机属锶铁氧体永磁有刷直流电动机.

    电机分类

    3.基础理论

    电机或电机学是以下面五大定律作为基础的,想对电机的基本原理有个初步认识,必须先了解以下五大定律

    (1) 电磁感应定律(又称法拉第定律)

    运动导体在磁场中切割磁力线会产生感生电动势(电压)

    电动势的方向由右手定则判断,且有E=B•L•V

    E: 电动势 (单位:伏 )

    B: 磁场的磁感应强度(特斯拉=104高斯)

    L: 导体的有效长度(单位:米)

    V: 导体运动速度(单位:米/秒)

    右图中如将导体用导线连接则会产生感生电流 I(如图)

    (2) 电磁力定律(毕一萨定律)

    通电导体在磁场中会产生电磁力,其方向由左手定则判断,且有以下关系(如图):

    F=B*I*L

    F: 电磁力(单位:牛顿)

    I: 导体中的电流(单位:安培)

    B: 磁场的磁感应强度(单位:特斯拉)

    L: 导体有效长度(单位:米)

    左手定则也称电动机法则,右手定则也称发电机法则.

    (3)  基尔霍夫定律(如左图)

    ΣI=0:对于电路任意节点,流入(或流出)此节点的电流代数和为零(流入等于流出的)

    ΣU=0:对于任一个闭合回路,各段电压的代数和为零。

    (4)  能量守恒定律

    在质量不变的系统内,能量总是守恒的(形式可以变换)

    (5)  安培全电流定律

    简单地说,通电导体周围会产生磁场,方向由右手螺旋法则判定,且有(如图):

    ∮H•dL=∑I=IA+IB+IC+…

    H:磁场强度(安/米), =B/µ

    L:路径 (米)

    I:电流 (安)

    4.基本原理

    二极永磁电机

    二片换向器

    二根导体(一匝线圈)简易电枢(转子).

    根据电磁力定律及左手定则,转子逆时针旋转(CCW)

    缺点:存在死点,是最简单的电动机,但不实用(如图)

    5.电势、转矩及能量方程

    (1)  电势 (如右图)

    由V=E+2△U+I•r得E=V-2△U-I•r,且有:E=KE•Φ•n(电枢反电势)

    V:电源电压(伏)

    2△U:刷压降(伏)

    I:电枢电流(安)

    r:转子电阻(欧)

    KE:电势常数(无量纲)=Z/60(对于两极电机,Z-导体数)

    Φ:磁通(韦伯)=平均磁密B•极靴(或磁极)宽度•转子有效长度

    n:转速(1/min)

    (2) 力矩

    TE=KT•Φ•I(电磁转矩:牛顿•米)

    KT:转矩系数(无量纲)=Z/2π

    Φ:磁通(韦伯)

    I:电枢电流(安)

    (3) 功率与转矩的关系:

    P≈T•n/97500  P:功率(W)

    T:转矩(克•厘米 g•cm)

    n:转速(1/min)

    如力矩T的单位为“牛顿•米”(N•m) 则P≈T•n/9.55(W)

    (4)  能量方程(如左图)

    P1=2△U•I + I2 •r + PE

    PE(电磁功率)=P2(输出功率)+PFe(铁损耗)+Pmec(机械损耗)

    P2=P1-2△U•I-I2 •r- PFe-Pmec (W)

    效率 η=﹙P2÷P1﹚×100%

    (PFe +Pmec)又称空载损耗记为P0= PFe +Pmec

    故有PE=P2+P0及电磁力矩TE=T2+T0

    (5) 能量传递图: (如右图)

    能量传递图

    6.工作特性 (如右图)

    通常我们所说的直流电机工作特性是指以下四条曲线(直线),即

    n=f(T2) 转速与输出转矩的函数关系;

    I=f(T2) 电流与输出转矩的函数关系;

    η=f(T2) 效率与输出转矩的函数关系;

    P2=f(T2)输出功率与输出转矩的函数关系;

    工作特性

    (1)  I=f(T2)

    I=TE/(KT•Φ)=(T0+T2)/(KT•Φ)=T0/(KT•Φ)+T2/(KT•Φ)=I0+ [1/(KT•Φ) (常量)] •T2 这是个直线方程(如图9),I0是空载电流,当电机堵转时n=0、E=0,根据图6,则堵转电流Ist=(V-2△U)/ r

    (2)  n=f(T2)

    E=V-2△U-I•r=KE•Φ•n

    n=(V-2△U-I•r)/(KE•Φ)

    ={V-2△U-[I0+T2/(KT•Φ)] •r}/(KE•Φ)

    =(V-2△U-I0•r)/(KE•Φ)-[ r/(KE•KT•Φ²)]•T2

    =n0-[ r/(KE•KT•Φ²)]•T2

    这也是个直线方程

    (3)  P2=f(T2)

    P2≈T2•n/9.55=﹛n0-[r/﹙KE•KT•Φ²) ] •T2﹜•T2/9.55 =n0•T2/9.55-[r/(KE•KT•Φ²)]•(T2) ²/9.55

    P2是一条二次抛物线 (如下图)

    η=f(T2) = P2/P1

    η是一条曲线(算式繁杂,略!如图11)

    7.主要参数分析

    (1) 线圈匝数和线径的变化(其他参数不变)

    根据5.1知,线圈匝数增加则电势常数KE增加,转速n下降,反之则上升;线径增加,则电枢电阻r下降,电枢反电势增加(E=V-2△U-I•r),则转速n上升,反之下降;另外堵转电流与电阻r成反比;受槽满率的影响,匝数和线径的变化是相互制约的,调整时要理清关系。

    (2) 磁通变化(其他参数不变)

    使用高磁密的磁石及加长铁芯长度,都会导致磁通总量Φ的上升,根据5.1和6.2可知,转速n下降,同时n受负载(T2)的影响变小,而所谓特性“变硬”,反之变软。

    (3) 气隙变化

    如图12所示,气隙的磁化曲线

    Φδ=﹣μ0•(Sδ/δ) •Fδ

    Φδ:气隙磁通

    Sδ:气隙面积

    δ:气隙长

    Fδ:气隙磁势(磁压降)

    磁导角:α=tg-1[μ0•(Sδ/δ)],可见气隙δ越大(长),α越小,气隙磁通Φδ越小,在其他参数不变的情况下会导致电机转速上升,反之下降,产生"7.2"所述效果;其实一般电机设计要追求(Φδ•Fδ)最大值。

    (4) 有效体积D2•L

    一般的电机的转矩   正比于D2•L   [D:电枢(转子)外径, L:电枢(转子)长度]   电机的功率 正比于D2•L•n

  • 电机评价

    如何评价电机?一般地工业产品可从以下三个方面作评估,但根本是变差。

    (1) 全尺寸

    特别是安装尺寸和外形尺寸是客户要求的基本特性,一个好的产品全尺寸的变差必须符合产品标准要求(可以是国标,行业标准及企业标准)

    (2) 基本性能

    a. 额定电压:已知条件(V)

    b. 空载电流:I0 (A)

    c. 空载转速:n0(1/min)

    d. 额定电流:IL(A)

    e. 额定转矩:TL(g.cm)

    f. 额定转速:nL(1/min)

    g. 堵转电流:Ist(A)

    h. 堵转转矩:Tst( g.cm)

    i. 其他参数:如效率、功率、电势常数、转矩常数等都可以从以上数据计算得出.

    (3) 特殊性能

    a、振动:振幅mm,振速mm/s,振动加速度mm/s2

    b、噪声:声压LP dB(A), 声功率LW dB(A), 都是相对值

    c、电磁兼容EMC:衡量电机抗无线电干扰或产生无线电干扰他物的指标;

    d、环境测试:常见是交变温度试验,更严酷的是“交变湿热”,考核电机在高低温时的负载能力。铁氧体磁铁在-80℃时磁场会衰减5-7%,造成电机性能变异,另外机械冲击,外部交变磁场,时效(长时间) 搁置故会造成磁场一定程度的衰减。

    e、其他:如UL认证中的安全间隙,安全爬电距离,电机的防护等级,冷却方式等等就不一一展开了。

    9.绕组型式及碳刷放置原则

    3P转子线圈/换向器连接图(如图13)

    1、换向器槽与转子槽相差60°

    2、线圈C通过负极碳刷短接,处于换向过程.

    3、碳刷处在磁极中心线

    5P转子线圈/换向器连接图(如图14)

    1、换向器槽与转子槽相差0°

    2、线圈B通过正极碳刷短接,处于换向过程

    3、碳刷处在磁极中心线

    ● 碳刷放置原则

    a、保证有效导体数最大,简单地说是处在同一极下的导体(线圈边)的电流方向尽量一致。当然在多极(12P)中,为了改善换向,会牺牲有效导体数(另述).

    b、使处于换向的线圈(被短路那个)电势最小,一般地那个线圈两边是处在或靠近磁极边际或极间,所以通常碳刷是放在这个线圈所连接的两个换向器片的中间。

    C、正负碳刷相差180°(电角度)

    推论:线圈和换向片的连接不是唯一的。

    10.典型应用

    结合本厂电机品种特点,以使用电源型式和负载型式作为归类分述如下。

    (1) 以驱动电源的型式分类

    a.干电池、充电电池、小容量AC/DC适配器,这类电源特点是内阻大,加载后输出电压V下降较大,电机的输出功率实际上很大程度上取决 于电源的容量。在设计制造这类电机时,不仅要求电机的效率要高,更要侧重于如何使电机从电源上获得最大的功率输出,即要使P1=V*I为最大值。实践证明,单从电机的参数考虑是很难实现这一目的的,需要我们在今后的实践加以总结,再者怎样评估这类电机也是值得思考的!

    b.以R或R/C分压电路获得输入

    这类电源当负载电流变化时,分压值V即发生变化,实际应用中,AC多是120~240V输入,当电机的负载电流变大时(原因很多),在R1或C上分去的电压会增加,而电机分得的电压会减小,导致电机转速降低,工作点和特性随之发生变化,其后果视电机的用途不同,影响各异。大家熟知的电风筒,如发生以上变化,则冷却风量减少,导致电阻丝的温度变高即R1变大,分压值变化使电机的端电压进一步降低,转速降低,冷却风量降低,恶性循环,最终致电机快速失效。

    c. 稳压电源

    这类电源是电机的理想电源,电机的输入电压基本不随环境和负载变化,电机的特性基本取决于电机本身,通常我们提供给客户的“特性曲线图”就是以此作为前提条件的。实际应用中大容量蓄电池及大容量的AC/DC适配器可归于此类电源(V值变化小于土5%)。

    (2)以负载型式分类

    a.风叶类负载

    电机带风叶类负载,近于空载启动,故对电机的启动(堵转)性能没什么要求,甚至有时还在限制其动力矩过大;但是负载时要考虑其转速的稳定性(同一台电机)以及批量生产时的离散性,因为负载功率输出正比于n2,转速n波动大,工作特性变异亦随之变大。所以这类马达要侧重于考虑其工作点的特性。 

    b.张力卷扬负载

    如吸尘器的收线电置及浇灌机械的收管装置等、这里的机构象卷扬机一样,刚启动时负载最大即电机是带全负载启动的,所以要设计制造时要充分考虑其启动(堵转)性能,确保堵转力矩的一致性。汽车中挡锁也属此类机构,这类机构往往是短时工作制

    c.线性负载

    这类负载特点是工作时转矩基本不变,功率随转速线性增加,启动时可能是全负载启动,但大多数是带部分负载启动,正常工作是在额定负载下长期工作!这类马达要综合考虑各项特性包括温升等,一些往复泵类负载都可归属此类

    d.其他负载

    此外还有一些有特点的负载,如带偏心轮的,带齿轮减速箱等.

  • 使用说明

    过负载及堵转

    电机在运行时,由于线圈和铁芯内部发生能量转换而发热,温度渐渐上升。负载在额定范围内,发生热量和散发热量平衡,不会烧坏线圈。但在过负载及堵转的状态下长时间运行时会引起发热,线圈铜线上的绝缘膜被溶解,使铜线匝间短路,造成电流大从而烧坏电机和驱动板。过载也会影响齿轮的强度,造成齿轮的断裂或失效。请保证产品不超出额定工作条件下使用。

    电机低速运行

    DC电机一般使用碳刷,旋转的整流子和碳刷磨擦,在整流子换向处产生火花。电机在低速运行时,整流子与碳刷磨擦产生的碳刷粉在整流子的槽中堆积,容易造成短路,烧坏电机和驱动板,请注意。

    PWM控制注意事项

    使用PWM控制时的碳刷要比额定电压(或固定电压)状态下使用寿命短,另外,根据使用的频率,碳刷有可能很快的磨损。直流电机使用的PWM调制的频率一般为10~20KHZ。还有PWM调整控制时反复的开-关,有可能与电机部品的频率相近,会引起共振而发热。请使用上特别注意,PWM控制状态下,使用电解电容内藏时,在某一固定的频率下电机可能会不转,请尽量使用压敏电阻内藏的电机。

    关于惯性和刹车

    电机断电后,由于惯性作用,出力轴还会转动,这是DC电机的惯性。如果要立即停止转动,在关掉电源后短路正负端子即可,使用这种刹车,是利用电机发电(反向电流)作用来实现,可能会电流增大而缩短电机的寿命。

    寿命

    产品的寿命受使用条件的影响,如不同的电源类型,运行的方式,负载的种类等。通常规格书提供的减速电机寿命为标准试验状态与条件下,减速电机的连续单方向运行寿命,仅作为参考使用,实际使用中,请与实物配套充分试验,确定实际使用寿命。

    安装

    电机端子在接线焊接时如果焊接温度过高会对电机的端子结构及内部造成破坏。建议使用烙铁40W,焊接温度380℃焊接时间小于3秒。另外端子上额外的加力,也会造成端子结构的破坏。

    电机端子

    电机端子在接线焊接时如果焊接温度过高会对电机的端子结构及内部造成破坏。建议使用烙铁40W,焊接温度380℃焊接时间小于3秒。另外端子上额外的加力,也会造成端子结构的破坏。

    轴向压力

    当齿轮出力轴头压入齿轮或者其它部品时,出力轴另一端需要有工具支撑,另一端不可支撑的情况下,压力不允许超出允许的轴向压力。

    冲击与落下

    电机如果有受到落地等冲击,有可能造成内部零件的破坏,以及潜在的品质不良的出现

    粘接剂的使用

    如果使用胶水等粘接剂时,不能让胶水附在出力轴的轴承上,有挥发性的胶水还有可能造成整流子的玷污,影响产品的使用.

    以上事项,使用中请充分注意。如遇到不能确认的其它问题,请直接与技术人员联络确认。

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