教程：有刷直流电机，第二部分

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有刷直流电机需要了解速度/转矩曲线、反电动势、齿槽和绕组设计等问题。

在里面第一部分在这篇分为两部分的文章中，我们回顾了有刷直流电机的基本理论。在第二部分中，我们讨论了用户需要了解的设计和操作细节，以便为其应用选择合适的电机。

经济简单的有刷直流电机可提供毫瓦到兆瓦的输出，使其成为便携式输液泵和轧钢机等各种应用的主力技术。同步装置具有线性，便于计算给定电机在各种条件下的运行参数。对于恒定输入电压，直流电机的速度随着负载的增加而线性下降，例如，电流将随着施加到输出轴上的负载的函数而增加。我们可以使用这些关系来确定特定电机驱动所需负载所需的电流。

因为所涉及的关系是线性的，所以我们只需要两个数据点就可以导出每条曲线（见图1）。通过了解电机空载时的速度（空载速度，W_N)以及电机失速所需的负载，对应于电机能够产生的最大扭矩（失速扭矩，T_s)类似地，我们可以通过知道空载电流和失速电流，绘制电流和电机在该电流下可以移动的负载之间的关系。一旦我们知道我们用电机驱动的负载，我们就会寻找与负载所代表的扭矩相对应的电流/速度。

由于转速/转矩和电流/转矩关系是线性的，且与施加的电压无关，因此修改不同电压的曲线就像缩放曲线一样简单（见图2）显然，这是一个简化模型，不考虑电压变化和线线圈以外的损耗机制，但它给出了直流电机优势的概念。

反电动势
假设转子基本上由许多线圈组成，我们可以将直流电机建模为一个简单的电路，由一个电池和一个电阻器组成（见图3），如欧姆定律所述：

v_s=IR[1]

何处_s等于电源电压，I为电流，R为线圈电阻。

对于恒定电压，电机的电流消耗与电阻成反比，我们可以近似为线圈中导线的电阻-相当低。这意味着，特别是在低速或堵转条件下，电机可能会产生足够的电流烧坏线圈。幸运的是，还有其他因素在起作用。直流电机的电枢由在磁场中运动的线圈组成。正如我们在第一部分中所讨论的，来自电枢或线圈的磁场对线圈的载流导线施加作用力，以产生扭矩。同时，反过来也是正确的——在磁场中移动的导线产生一个电动势，或电动势（？）

[2]

换句话说，每个直流电机同时充当发电机。根据伦茨定律，电动势的方向与Vs的方向相反。这是用负号表示的等式中的负号表示的。但我们可以将通过回路的磁通量表示为：

[3]

这意味着，对于在恒定磁场B中转动的N个线圈的紧密缠绕线圈，线圈面积a随时间变化，因此我们可以将方程2重述为

[4]

此外，伦茨定律说，电动势实际上与外加电压相反，反电动势会提高线圈的旋转速度。现在，我们的等效电路包括另一个组件（见图4）

方程1变成

[5]

求解电流，我们得到

[6]

换句话说，反电动势越高，电流消耗越低，散热水平越低。此外，请注意，等式4告诉我们，电机的速度越高，β值越大，从而再次降低电流。考虑我们的空载情况。刚启动，电流峰值，但反电动势立即开始增加，对抗电源电压。这将使当前绘图下降。当电机达到最大转速时，反电动势几乎平衡了电源电压，结果是电机空载运行时只消耗很少的电流。一旦我们施加负载，速度和反电动势下降，允许电流增加，电机产生有用的功率。

这种关系允许反电动势用作监测速度或验证电机运行的工具。

齿槽
刷式直流电机最常见的设计是铁芯，其中转子由一个用导线缠绕的叠层铁芯组成，以形成线圈。铁芯有刷直流电机坚固耐用，能够产生大量扭矩，但它们确实存在齿槽现象，这种现象会导致电机的旋转出现阶梯状运动。齿槽是由转子铁齿和定子磁铁之间的吸引力引起的，即使在电机断电时也会出现齿槽。当电枢的齿通过定子磁铁的边缘时，两者之间的吸引力会干扰旋转。在高扭矩或高惯量应用的情况下，齿槽不会出现太大问题。在运动控制应用程序的情况下，它可能会引入足够大的定位误差，从而危及手头的任务。

减少齿槽的一种方法是倾斜齿，基本上扭转电枢，使齿与磁铁边缘成角度（见图3）。这会平滑效果。当然，也有权衡。倾斜电枢会降低扭矩。“你可能会牺牲3%的扭矩来获得平稳的位置操作，”该公司总裁丹·琼斯（Dan Jones）说Incremotion公司。（千橡树，加利福尼亚州）。“在许多情况下，这是一个很好的折衷方案，但你会增加成本，因为现在你必须在一个倾斜、扭曲的堆栈上缠绕。设置工具和缠绕的成本会稍高一些。”

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。它们提供较低的惯性和电感，以及零齿槽。另一方面，缺乏核心意味着它们传热效率较低，因此可能会过热。无芯电机往往适合高性能、高精度应用，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
绕组代表了电机设计的关键自由度。回想一下，线圈电阻直接影响电流消耗和速度。电机可能具有相同的物理尺寸和重量，但通过改变导线直径和线圈匝数，设计者可以获得非常不同的性能（见图5）。在频谱的一端，低电阻绕组由较粗的导线组成，匝数较少。低电阻绕组导致较高的启动电流和较高的运行速度。在另一端，高电阻绕组具有较细的导线，匝数较多，从而产生较低的启动电流和较低的运行速度。

绕组的最佳选择取决于应用。例如，电池供电的医疗设备可能对电流消耗有严重限制，更适合高电阻绕组。对于使用电源和墙壁插头电源的应用，电流不是问题，但电机尺寸或噪音可能是更大的问题，so该装置最好采用低电阻绕组。

选择正确的画笔
电刷在有刷直流电机的运行中起着至关重要的作用，可对驱动电压进行换向以保持电机转动。不同的刷子材料可提供不同级别的性能。应用程序定义了正确的选择。尽管最常见的刷子材料是碳，但它们也可以由金、银或铂等贵金属以及铜石墨或银石墨等合金制成。琼斯说：“你可以有一个完美的电机设计，如果你选错了电刷，几分钟内你就会遇到麻烦，电刷就会完全磨损。”。“电刷材料不正确的电机可能会产生正常电流，并且会在数小时内机械磨损电刷。”

石墨提供了一种稳健的解决方案，特别是对于直径为15 mm及以上的电机。石墨刷随着时间的推移会产生碎屑，碎屑会进入换向器，从而引发间歇性故障。一般来说，使用石墨刷的电机应以足够高的速度运行（超过1000 rpm）将碎屑扔掉，并在较长的工作周期内烧掉碎屑。“只要你不让碎屑进入换向器，石墨电刷就会更坚固，提供更好的可靠性，”该公司的销售工程师Paul McGrath说Maxon精密电机（福尔河，马萨诸塞州）。

贵金属电刷往往是指状的，因此它们不如实心石墨电刷坚固。它们产生的电气噪音和声音噪音更小，非常适合敏感应用。它们比碳石墨电刷占用的空间更小，非常适合小型电机（直径小于15 mm）以及低功率、低占空比应用。

对于贵金属电刷而言，换向器和电刷之间的电压降往往较小，使电机与低压系统兼容。珍贵的碳刷没有石墨碳刷的自润滑特性，随着时间的推移会造成更大的磨损。因此，通常添加换向器润滑剂。

应用的其他方面可能会影响电刷的设计。电刷只能处理有限的电流密度；超过某一点时，电刷可能会开始烧坏。速度是一个机械挑战——电刷实际上可能会飞离换向器。专为高海拔运行设计的电机需要能够承受更大电流的特殊电刷抑制或补偿低湿度环境，如掺杂二硫化钼或碳酸锂的刷子。

换向器中的缺陷也可能导致问题。当电刷在换向器两半之间的间隙上运行时，电机绕组中储存的能量作为磁场在电刷和换向器段之间产生电弧。这不仅发生在正常换向器期间，而且也发生在电刷旋转换向器上的“弹跳”。在更高的速度下，这会导致更快的电刷磨损和电腐蚀。

要避免的错误
指定正确的电机首先要了解目标。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侧重于实现指定的输出功率。例如，负载是一个关键参数。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高温下长时间的反应。有了这些信息，他们可以进行权衡或修改设计，以微调性能。NMB Technologies Corp.的电机应用工程师迈克·埃克特（Mike Eckert）说：“通常，它会回到负载，因为如果你告诉我负载，那么我们可以计算我的电机是否能够在最可能的最坏情况下提供负载。”。“如果我们没有，那么我们可以通过改变匝数或改变磁铁线的规格来调整绕组。我们还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，以满足客户的目标。

用户需要在期望方面保持现实。这似乎很明显，但即使是最精细的调整电机也只能在给定电压和电流下产生一定的速度和扭矩。尽管用户通常会超速驱动电机，以达到预期的性能，但这可能会影响使用寿命和精度。

重要的是要记住，一旦电机增加了齿轮头，规格表上列出的最高速度就不再适用。“一旦电机增加了齿轮箱，您就真的希望齿轮电机以低于电机实际额定运行速度的速度运行，”McGrath说。“客户会说，哦，好吧，如果我在标称电压或高于标称电压下运行电机，我可以获得电机本身的速度，但进入齿轮头的速度比我们希望看到的要快得多。”

惯性与定位精度代表了另一种权衡。较大的转子可以产生更大的扭矩，但转子的惯性为直径的四次方，这会降低定位精度。琼斯说：“如果我试图快速移动，我会随着转子越来越大而失败。”。“我可能不得不使用一根较粗的电阻较低的电线，或者可能改变转子的形状。比如说，我不能使用桶形。也许我可以用一个大圆盘绕过它，但惯性最终会限制我。我可以用横向磁通电机，它在所有电机中具有最高的每重量扭矩，但专业的问题是速度不快——通常低于1000 rpm。”

正确指定电机是一个细致入微的过程。此处的讨论仅作为一个起点，并基于许多近似值。用户应与其制造商合作，以获得正确的解决方案。通过利用各种设计选项，如定制绕组、电刷材料等，他们很可能完全能够获得所需的性能。

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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