教程:拉丝直流电机，第二部分

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拉丝直流电机需要了解速度/扭矩曲线，后效率，齿槽和绕组设计等问题。

在第一部分在这两部分的文章中，我们回顾了有刷直流电机的基本理论。在第二部分，我们讨论了设计和操作的细微差别，用户需要知道，以选择正确的电机为他们的应用程序。

经济简单，拉丝直流电机输出毫瓦到兆瓦，使其成为各种应用的主要技术，如便携式输液泵和轧钢机。同步装置表现出线性特性，便于计算给定电机在各种条件下的运行参数。对于恒定的输入电压，直流电动机的速度随负载的增加而线性下降，例如，电流随负载作用于输出轴而增加。我们可以利用这些关系来确定特定电机驱动所需负载所需的电流。

由于所涉及的关系是线性的，因此我们只需要两个数据点来导出我们的每个曲线（见图1）。我们可以通过在卸载电机（空载速度的空速）时产生扭矩函数的速度曲线（w_n)和电机失速所需的负载，对应于电机能产生的最大扭矩(失速扭矩，t_年代）。类似地，我们可以通过了解空载电流和失速电流是绘制电动机的电流和负载之间的关系绘制电动机之间的关系。一旦我们知道我们使用电机驾驶的负载，我们就会寻找与我们负载所代表的扭矩相对应的电流/速度。

因为速度/扭矩和电流/扭矩关系是线性的，并且独立于施加电压，因此修改不同电压的曲线如缩放曲线一样简单（参见图2）。显然，这是一种简化的模型，不考虑不同电压和超出线圈的损耗机制，但它介绍了DC电动机的优点。

emf回来
考虑到转子基本上是由许多线圈组成的，我们可以按照欧姆定律将直流电机建模为一个由电池和电阻组成的简单电路(见图3):

V_年代=红外［1］

其中五_年代等于电源电压，i是电流，R是线圈电阻。

对于一个恒定的电压，电动机的电流与电阻成反比，我们可以近似地用线圈中电线的电阻来表示——相当低。这意味着，特别是在低速或锁定转子条件下，电机可以吸引足够的电流烧坏线圈。幸运的是，还有其他因素在起作用。直流电动机的电枢由在磁场中移动的线圈组成。正如我们在第一部分所讨论的，来自电枢的磁场对线圈的载流导线施加一个力以产生扭矩。同时，反过来也是正确的——导线通过磁场产生电动势，或电动势(?)

[２]

换句话说，每个直流电动机同时充当一个发电机。根据伦茨定律，电动势的方向与，的方向相反，这由方程中的负号表示，我们用负号表示。但我们可以用这样的方式来表示循环中的磁通量:

[３]

这意味着对于n回路的紧密缠绕线圈转动恒定磁场B，环区域随时间变化，因此我们可以将方程2重述

［４］

此外，楞次定律说，电动势实际上会反对施加的电压，而反电动势增加线圈的旋转速度。现在，我们的等效电路包含了另一个元件(见图4)

方程1变成

［5］

求电流，得到

[6]

换句话说，后电动势越高，电流抽取越低，较低的热量待消散。另外，注意，等式4告诉我们电机的速度越高，Δb的值越大，这再次降低电流。考虑我们的空载条件。就在启动后，当前尖峰，但后部EMF立即开始增加，反击源电压。这使得目前的凹凸下降。当电机达到最大速度的时间时，背部EMF几乎平衡源电压，结果是操作空载空载非常小的电流。一旦我们施加负载，速度和反电动势下降，允许电流增加和电机产生有用的电源。

这种关系允许将EMF作为监测速度或验证电机操作的工具。

接头
用于刷式DC电动机的最常见的设计是铁芯，其中转子由带有电线卷绕的层压铁芯组成，以产生线圈。铁芯拉丝直流电动机具有稳健性，能够产生大量扭矩，但它们确实遭受了称为齿槽的现象，其可以引入电动机旋转的阶梯状运动。齿槽是由转子的铁齿与定子的磁体之间的吸引力引起的，并且即使电动机断电也存在。当电枢牙齿通过定子磁铁的边缘时，两者之间的吸引力是旋转。在高扭矩或高惯性应用的情况下，齿槽并不存在大部分问题。在运动控制应用的情况下，它可以引入足够大的定位误差来损害手头的任务。

一种减少齿槽的方法是倾斜的牙齿，本质上扭转电枢，使牙齿的角度与磁铁的边缘(见图3)。这是平滑的效果。当然，这是有权衡的。使电枢倾斜可减少扭矩。“你可能要牺牲3%的扭矩才能获得平稳的头寸操作，”公司总裁丹·琼斯说Incremotion Inc.（千橡木，加利福尼亚州）。“在许多情况下，这是一个良好的权衡，但你增加了成本，因为现在你必须在歪斜的扭曲堆栈上风。建立工具并做蜿蜒的成本稍差。“

另一种避免齿槽的方法是采用无芯设计。无芯电机的转子由无芯斜绕线组成。他们提供更低的惯性和电感，以及零齿槽。缺点是，缺乏核心意味着它们传递热量的效率较低，因此可能会过热。无芯电机适合高性能、高精度的应用，如医疗设备、工业自动化系统和军事/航空航天系统。

绕组设计
绕组是电机设计中的一个关键自由度。回想一下，线圈电阻直接影响电流牵引力和速度。汽车可能有相同的物理尺寸和重量,但通过改变导线的直径和线圈的匝数,设计师可以获得不同的性能(参见图5)。的一个极端,低电阻线圈由厚线用更少。低电阻绕组导致更高的启动电流和更高的运行速度。在另一端，高电阻绕组具有更细的线和更多的匝数，这产生较低的启动电流和较低的运行速度。

最佳的选择绕组取决于应用。例如，电池驱动的医疗设备可能对电流牵引有严格的限制，更适合高电阻绕组。对于使用电源和墙插式电源的应用程序，电流不是问题，但电机尺寸或噪声可能是一个更大的问题，所以该设备最好使用低阻绕组。

选择正确的笔刷
刷子在刷牙直流电机的操作中起重要作用，缩短驱动电压以保持电机转动。不同的刷材料提供不同级别的性能 - 应用程序定义了正确的选择。虽然最常见的刷材料是碳，但它们也可以由金，银或铂等贵金属制成，以及铜石墨或银石墨等合金。“你可以拥有完美的电机设计，如果你选择错误的刷子，你会在几分钟内遇到麻烦 - 刷子完全磨损，”琼斯说。“您可以使用错误的刷子材料进入电机的正常电流，它将在小时内机械地磨损刷子。”

石墨提供了一个强大的解决方案，特别是15毫米直径和更大的电机。随着时间的推移，石墨刷往往会产生碎片，这些碎片会进入换向器，引发间歇性故障。一般情况下，使用石墨刷的电机应以足够高的速度(1000转/分以上)运行，以丢弃碎片，并在较长的工作周期内烧掉碎片。“只要你不让碎片进入换向器，石墨刷往往更坚固，提供更好的可靠性，”Paul McGrath说，销售工程师Maxon精密汽车(福尔河,马萨诸塞州)。

贵金属刷往往是指的，因此它们与固体石墨刷不那么稳健。它们产生较少的电噪声，也不那么可听的噪音，使它们适合敏感应用。它们占用的空间少于碳石墨刷，使它们适合小型电动机（小于15毫米）以及较低的功率，低占空比应用。

贵金属电刷的换向器和电刷之间的压降较小，使电机与低压系统兼容。珍贵的刷子没有石墨刷子的自润滑特性，随着时间的推移会造成更大的磨损。因此，通常会添加换向器润滑剂。

有可能影响刷子设计的应用程序的其他方面。刷子可以仅处理有限的电流密度;过去一点他们可能开始烧伤。速度提出了机械挑战 - 刷子实际上可以从换向器上飞。专为高空操作设计的电机需要特殊的刷子，可以耐受或补偿低湿度环境，例如掺杂有二硫化钼或碳酸锂的刷子。

换向器中的缺陷也会导致问题。当刷子在换向器的两半之间的间隙上运行时，存储在电机绕组的能量作为磁场导致刷子和换向器段之间的弧。这不仅发生在正常换向期间，而且发生在旋转换向器上的刷子“弹跳”的情况下。在更高的速度下，这导致更快的刷磨损和电腐蚀。

避免的错误
确定正确的动机首先要理解目标。例如，定位应用程序可能需要非常特定的速度-扭矩曲线，而速度应用程序可能更关注于实现指定的输出功率。例如，Load是一个关键参数。环境条件也很重要。用户需要了解温度如何影响性能的细微差别，以及轴承中的润滑脂或油在低温或长时间高温下如何反应。有了这些信息，他们就可以进行权衡或修改设计以优化性能。NMB技术公司的电机应用工程师Mike Eckert说:“通常情况下，它会回到负载，因为如果你告诉我负载，那么我们就可以计算我的电机是否有能力在最可能出现的最坏情况下提供负载。”然后我们可以通过改变匝数或改变磁铁线的规格来调整绕组。我们也可以调整电机的许多物理部件(磁铁长度或磁铁类型)电枢长度。所有这些都允许电机制造商定制电机，以满足我们客户的目标。

用户需要在期望方面变得现实。它似乎很明显，但即使是最精细的电机也只能为给定电压和电流产生一定量的速度和扭矩。虽然用户经常过驱动电机，以实现可能妥协寿命的所需性能，并且可能是准确性。

重要的是要记住，一旦电机有一个增加的齿轮，所以规格表上列出的顶部速度不再适用。“一旦将变速箱添加到电机，你真的希望以较低的速度运行比电机实际额定自行运行的速度，”McGrath说。“客户会说哦，没关系，如果我以标称电压运行这个电机或高于标称电压，我就可以获得这种速度，对电机自身来说是可以的，但是进入齿轮的速度很快比我们喜欢看。“

惯性与定位精度代表另一个权衡。较大的转子可以产生更多的扭矩，但转子的惯性作为直径的第四功率，这可以降低定位精度。“如果我试图快速移动，我会因为我使转子越来越大而越来越大，”琼斯说。“我可能不得不使用较低的电阻或可能改变转子的形状。说我不能使用桶形。也许我可以通过一个大磁盘来绕过它，但随后惯性将最终限制我。我可以采用横向磁通电机，在那里的任何电机的重量扭矩最高，但问题是它不会快速 - 通常在1000 rpm以下。“

正确指定电机是一个细致的过程 - 这里的讨论仅用为起点，并且基于许多近似。用户应与其制造商合作，以达到正确的解决方案。通过利用各种设计选项，如定制绕组，刷材料等，它们可能非常能够获得他们寻求的性能。

致谢
MICROMO (Clearwater, Florida)的应用工程师George Hunt为本文提供了背景信息。

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