微型穩(wěn)速直流電動機的設計
毛鼎品 （西安微電機研究所）
【摘 要】論述了微型穩(wěn)速直流電動機的運行特性和設計原則，提出以電動機阻尼系數(shù)作為設計穩(wěn)速電動機的基本準則。詳細推導了阻尼系數(shù)與效率、電樞繞組數(shù)據(jù)和電磁參數(shù)以及電樞主要尺寸之間的關(guān)系式，所得計算公式用來設計穩(wěn)速電動機能保證高的效率，并歸納了具體的設計步驟。
【敘 詞】直流電動機穩(wěn)速電機運行特性阻尼系數(shù)設計
1直流電動機穩(wěn)速運行的本質(zhì)
許多裝置需要穩(wěn)速驅(qū)動，因此微型穩(wěn)速直流電動機在許多裝置特別是攜帶式裝置中得到了廣泛的應用。直流電動機穩(wěn)速運行的本質(zhì)是，當電源電壓或負載轉(zhuǎn)矩或兩者同時在給定的范圍內(nèi)變化時，通過閉環(huán)控制作用，自動地調(diào)節(jié)加在電樞繞組上端電壓的平均值，使運行點隨時處于不同的自然機構(gòu)特性線上，從而達到轉(zhuǎn)矩平衡，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。
附圖表示穩(wěn)速電動機的工作特性。Ωc表示要求的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，為了保證Ωc，當負載轉(zhuǎn)矩分別為TL1和TL2時，電動機運行點必須分別處于對應U1和U2的自然機械特性上。不同負載轉(zhuǎn)矩時運行點的軌跡就是舷。電源電壓和軸上負載轉(zhuǎn)矩在給定的范圍內(nèi)變化時，穩(wěn)速電動機的轉(zhuǎn)速應保持穩(wěn)定。
2直流穩(wěn)速電動機的設計準則
在攜帶式裝置中，遁常由電池或小蓄電池供電，這時往往希望電動機的效率盡可能高，以保證電源壽命。因此，有時需按給定的效率設計穩(wěn)速電動機。
眾所周知，電動機的阻尼系數(shù)(亦稱機械特性的硬度值)F0越大，電磁效率就越高，電動機的效率也越高。因此，0可作為設計穩(wěn)速電動機的基本準則。
設計穩(wěn)速電動機時，應該根據(jù)給定的效率仉、****使用電壓Umin、****給定負載轉(zhuǎn)矩TLM和考慮穩(wěn)速裕量的自然轉(zhuǎn)速（即自然機械特性上的轉(zhuǎn)速）計算繞組數(shù)據(jù)。利用給定的條件，首先可以計算出應該保證的電磁效率?ηeM。在給定的運行電壓U、負載轉(zhuǎn)矩TL和穩(wěn)定轉(zhuǎn)速玩條件下，電動機效率表達式為：
式中Tc——電動機空載阻轉(zhuǎn)矩，可以近似看作常數(shù)
可見，穩(wěn)速電動機的效率隨比值Umin/U、TL/TLM和Ωc/ΩM的減小而顯著降低，即隨著補償電源電壓和負載轉(zhuǎn)矩變化影響的儲備量的增加，以及隨著穩(wěn)定轉(zhuǎn)速對計算繞組數(shù)據(jù)時的自然轉(zhuǎn)速（在ΩM和Umin時）比值的減小而降低。當這些比值等于1時，效率達到****值，即：
式中η電動機自然轉(zhuǎn)速時的效率
這樣，根據(jù)給定的條件先計算必須的電磁效率ηeM，再由ηeM通過有關(guān)計算確定F。，然后由Fo就可以確定電動機的主要電磁參數(shù)，從而保證性能要求。
電動機的電磁效率塊和阻尼系數(shù)Fo之間的關(guān)系式為：
式中ηe -對應自然轉(zhuǎn)速力的電磁效率
電磁效率表示輸入電樞的能量轉(zhuǎn)變成電磁能量（電磁功率）的部分。在自然機械特性上工作時，電磁效率又可表示成下列關(guān)系式：
可見，電磁效率等于反電勢或轉(zhuǎn)速的相對值。
在自然機械特性上工作時，電動機的效率可以表示成下式：
阻尼系數(shù)還與電動機的快速響應性能相聯(lián)系。機械時間常數(shù)的計算式為：
式中J-折算到電動機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量
因此，阻尼系數(shù)Fo表征了電動機的效率和快速響應性。****Fo值的條件決定了在選定的有效銅的數(shù)量和極數(shù)時電動機的****結(jié)構(gòu)，于是不難得到Fo和電動機主要幾何尺寸之間的關(guān)系式。
3直流穩(wěn)速電動機繞組數(shù)據(jù)和主要尺寸的確定
具體設計時，可以通過以上有關(guān)公式先求出Fo，然后確定繞組數(shù)據(jù)和主要幾何尺寸。
阻尼系數(shù)Fo與電動機重要參數(shù)之間存在下列關(guān)系式：
式中KT——轉(zhuǎn)矩常數(shù)
Ra——電樞繞組電阻
在MKS單位制中，KT=KE=K，并且
式中P——電動機極對數(shù)
φ——每極工作磁通
N——電樞繞組導體數(shù)
a——電樞繞組并聯(lián)支路對數(shù)
電樞繞組電阻可以通過熟知的公式來表示：
式中ρ——導體材料的電阻率
LC一一導體長度
Sc一一導體的截面積
將式(8)和(9)代入(7)得：
導體長度Lxc和每極工作磁通φ可表示成下式：
將式(11)和(12)代入式(10)得：
式(13)清楚地表明了阻尼系數(shù)與電樞繞組和電磁參數(shù)以及電樞主要尺寸之間的關(guān)系。
所述的基本原理對于所有的直流電動稅都是正確的，所得計算公式用來設計穩(wěn)速電動機能夠保證高的效率。
4設計步驟
給定條件：U、Umin、TLM、Tc、Ωc和ηc。
4.1設計計算
a．確定自然轉(zhuǎn)速ΩM，一般取ΩM= (1. 1～1. 2)Ωc
b.計算必須的電磁效率ηeM-按式(1)計算
c.計算理想空載轉(zhuǎn)速Ω00,
Ω00=ΩM/ηeM
d．計算機械特性阻尼系數(shù)Fo-按式（3）計算
e．計算堵轉(zhuǎn)電磁轉(zhuǎn)矩Tes ，Tes=F0 Ω00
f．計算反電勢常數(shù)KE
KE=Umin/Ω00
g．計算轉(zhuǎn)矩常數(shù)KT， KT= KE (MKS單位制)
h．計算電樞繞組電阻Ra——按式(7)計算
i．確定電樞繞組數(shù)據(jù)和主要尺寸按式(10)～(13)計算
j．其它電磁計算按一般方法計算
4.2校核計算
校核KE、KT、Ra、F0、 Ω00、Ia、Ias、ΩM、ηeM和玩等電磁性能。
參考文獻
1 毛鼎品。無刷直流電動機的特性計算公式，微特電機，1980(2) |
