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直流电机设计技术要求
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   日期:2014-1-15   阅读:2806次

直流电机

直流电机 直流电机

基础

基本配置

永磁直流有刷电机(PMDC电机)由位于定子的永磁体和位于转子的绕组所组成。

绕组线圈末端与换向器片连接,与静止电刷产生滑动接触。电刷越过电机端子连接至直流供电电压。

旋转方向的改变可以通过电压极性的反转来实现。

通过线圈的电流在转子产生磁极,与永磁体的两极相互作用。为了使产生的转矩保持在同一方向,当转子北极经过定子南极时,电流必须换向。

由于滑动接触分为多个片段,这些分段的滑环被称为换向器。左图显示转子绕组电流换向之前的角位置,右图显示转子绕组电流换向之后的角位置。

* *

为了产生更恒定的转矩,真正的直流电机拥有两个以上的绕组和整流片。

下图显示了一个五段式设计(HC685LG)

永磁材料由弹簧固定(NF213G) 永磁材料由弹簧固定(NF213G)

这是规格为#200的JE永磁直流电机的分解图。

#200的JE永磁直流电机的分解图

换向器片是由铜做成的。上面这种电机有3个片段。

电刷是由贵金属(金属指型叶片电刷)或碳(石墨电刷)做成的。

贵金属电刷的特点:

  • 用于低电压连续运转。
  • 接触电阻比石墨电刷低,从而降低电压。
  • 比石墨电刷的电磁噪声低。
  • “金属指型叶片电刷”的设计—电刷分为若干细的指形,能够与换向器片更好地接触。

石墨刷的特点:

  • 用于高功率、高速度、高频率起动、高寿命及高电压。
  • 碳叶片或碳笼电刷设计(满足特别高的寿命要求)。
碳叶片电刷和金属指状叶片电刷碳叶片电刷和金属指状叶片电刷(右)
碳笼电刷碳笼电刷:

电刷偏移/旋转方向

就永磁体而言,电刷会产生小角度移动(电刷偏移)。

T这可能对一个方向的旋转有利,而另一个方向会有较高的火花产生率和较差的表现。

在旋转有利的方向上失速转矩会更小,而最大效率点会更高。 德昌电机根据客户的应用要求提供偏移或无偏移(零导向)两种选择。现存的德昌电机电机编码设计为偏移和无偏移两种,必须在新的运用之前进行核对。


永磁体

圆睿鑫电子提供三种基本类型的磁体:

  • 塑料(橡胶)磁体:粘在电机壳上。
  • 干、湿压制磁体:由弹簧分段支持或胶粘。比塑料磁体电机磁性强。
  • 稀土磁体:用于高转矩和高效率。

转子层叠薄铁片

绕组放置在槽中,围绕着转子硅钢片。为了减少涡流损耗,转子使用的是薄钢片,(层叠薄铁片)相互之间放置绝缘片。


保磁圈

保磁圈

圆睿鑫电机在电机壳上增加了一个软铁片,它减少了磁路电阻,并且提高了电机性能。


端盖

圆睿鑫电机提供了两种类型的端盖:

  • 金属(插入塑料刷架)
    • 为轴衬提供更好的散热(高速运转时)
    • 可压入滚珠轴承
    • 能更好地屏蔽电磁干扰噪音。
  • 塑料
    • 低成本
    • 不能使用滚珠轴承

电磁干扰噪音的抑制

在电刷从一个转换器片转换到另一个转换器片时,有刷直流电机时将产生电磁干扰的噪音。

电机提供的电压、电流、速度越高时,它所产生的噪音越大。这种噪音的产生也取决于转换器片数(相邻的转换器片之间有压降)。

噪音通过两个途径传播:

  • 电源线路中传导
  • 空气中的辐射

噪音必须根据管理和标准来限制。为此,德昌电机能够进行许多测试并采取多种噪音抑制措施。基于这些测试,对于所有的顾客装置,更好地说明其是可以被应用的。

除了采用绞合线和屏蔽线等措施,还可以选择使用数种抑制原件。

压敏电阻压敏电阻
电容电容
电容器电容器
压敏电阻+电容压敏电阻+电容
电容器+电抗电容器+电抗器

电容可以嵌入#300里面,但不能嵌入#200里面。 2个电容器和2个电抗器,可嵌入在#600内(金属端盖)。


性能

性能 U = I • R + U

Ui ... 绕组感应电动势(反电动势)

Ui = k • ω (ω … 角速度, ω = 2 • π • n)

转矩产生:  T  = k • I

转矩系数k取决于电机设计的特征(绕组匝数、永久磁体强度、气隙距离、转子直径、转子长度)。

这是固定设计,但是由于电机制造公差不同而多样化。

此外,还有一个温度的影响(随着温度上升,磁场强度降低,K也变低)。

直流电机的基本公式为:
ω = U/k – R/k2 • T

公式表明,在无负载条件下速度达到最高,随着负载转矩的上升,速度降低。


损耗和效率

空载功率损耗:
轴承和电刷的摩擦损耗、磁滞和涡流损耗。这些损耗必须由空载转矩和空载电流补偿。同时也有绕组的空载电流损耗; IO2 x R.

负载损耗:
当负载转矩上升时,电流和绕组电流损耗也增加。
当转子静止时绕组电流达到最大:最大功率损耗 = U2 / R

在效率最佳点,机械功率/电功率的最佳比率=机械功率 / (U • I).

该点效率大约是 η = (1 - √ 输出电流/静止电流)2

在输出机械功率最大点,速度是空载速度的一半。

输出功率的最大机械功率不低于 U2 / 4 R。.


寿命

直流电机的寿命受电刷磨损的限制,它取决于

  • 速度(换向器表面速度)
  • 电流负载(平均电流和峰值,起始/静止频率)
  • 电刷配置,电刷材料(见上文)和换向器设计

圆睿鑫电机的典型直流电机寿命范围是300小时(小马达)到大约2000小时(较大的电机尺寸、笼刷,相当低的输出功率连续运行)。


性能曲线

性能曲线

制造公差

在批量生产中,电机存在制造公差。
空载转速的公差规定为+-10%,但是一般都比这个低。


额定工况点

额定工况点(额定转矩)通常定义为持续的负载循环。但是电机也可以设计为低负载循环运转型或额定工作点下的短时间运转型,特别是高速电机。

额定点设置为最大效率或在最大效率和最大输出功率之间。

低负载循环运转允许高转矩负载(过载)

容许过载受绕组温升限制

如果电机携带高电流(低压、厚线圈设计)也会受到换向器/电刷影响。

散热片(金属支架上或变速箱上的金属法兰)能增加负载率。


电机升温后的性能表现

电机的温升可能是以下原因导致

  • 一段时间运行后的电机损耗带来的自身温度升高。
  • 周围温度的升高
电机升温后的性能表现

这有两种结果:

  • 永磁材料的磁场强度减少 - 导致更高的空载转速
  • 绕组阻抗增加-导致更低的失速电流

两种结果都能降低失速转矩。


减少供电电压后的性能表现

速度曲线随电压按比例衰减。反之亦然,也随着电压上升而上升(但是要考虑到会减少电机的使用寿命甚至是电机的热超载)。

这在50%的电压上升/下降限度内有效。

减少供电电压后的性能表现


高压直流电机(HVDC)

高压直流电机(HVDC)

高压直流电机可以连接到120V或230伏的主电源交流电压。德昌电机拥有独特技术以进行相应的电机部件设计,特别是换向器组件的设计。

需要换向器将交流转换为直流。
它被装置在电机内部(如果空间足够)或外部。

使用转换开关进行双向操作。

高压直流电机在很多情况下可以替代普通电机。优势在于减少了铜的使用量(用永磁材料替代了定子励磁绕组)和重量更轻。



 
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编码器

编码器(传感器)可以在电机内部运行或安装在电机后面。

它们用于精确的速度控制或角位置控制。典型应用:打印机和扫描仪。

不同的选项有:

  • 光学编码器
  • 霍尔效应电磁传感器
  • 解析器

圆睿鑫电机提供了数种光学编码器的系列产品。

基本原理是:
电机轴带动槽轮或黑色/透明的图片打印带进行旋转。
一个感光器根据电机的转速来提供一个正弦波或脉冲模式。

输出信号可以是模拟的(0...3.3伏交流电) 或数字的(0...3.3 伏交流电 或 0...5伏交流电)。
一个或两个信号周相移动90°(可以实现旋转方向的检测,允许4倍分辨率)。

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分辨率有几种选择。术语:CPR (每转计数)和LPI (每英寸行数)。

例如:

带编码器槽轮的HC385MG(CPR=48;一个信号,正弦波0 ...3.3伏交流电) 带编码器槽轮的HC385MG
(CPR=48;一个信号,正弦波0 ...3.3伏交流电)
带照片印刷轮的NF123G(CPR=32;两个信号,正弦波0 ...3.3伏交流电) 带照片印刷轮的NF123G
(CPR=32;两个信号,正弦波0 ...3.3伏交流电)
 
 

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