微型穩(wěn)速直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)
毛鼎品 （西安微電機(jī)研究所）
【摘 要】論述了微型穩(wěn)速直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性和設(shè)計(jì)原則，提出以電動(dòng)機(jī)阻尼系數(shù)作為設(shè)計(jì)穩(wěn)速電動(dòng)機(jī)的基本準(zhǔn)則。詳細(xì)推導(dǎo)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(jì)算公式用來設(shè)計(jì)穩(wěn)速電動(dòng)機(jī)能保證高的效率，并歸納了具體的設(shè)計(jì)步驟。
【敘 詞】直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)速電機(jī)運(yùn)行特性阻尼系數(shù)設(shè)計(jì)
1直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)速運(yùn)行的本質(zhì)
許多裝置需要穩(wěn)速驅(qū)動(dòng)，因此微型穩(wěn)速直流電動(dòng)機(jī)在許多裝置特別是攜帶式裝置中得到了廣泛的應(yīng)用。直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)速運(yùn)行的本質(zhì)是，當(dāng)電源電壓或負(fù)載轉(zhuǎn)矩或兩者同時(shí)在給定的范圍內(nèi)變化時(shí)，通過閉環(huán)控制作用，自動(dòng)地調(diào)節(jié)加在電樞繞組上端電壓的平均值，使運(yùn)行點(diǎn)隨時(shí)處于不同的自然機(jī)構(gòu)特性線上，從而達(dá)到轉(zhuǎn)矩平衡，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。
附圖表示穩(wěn)速電動(dòng)機(jī)的工作特性。Ωc表示要求的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，為了保證Ωc，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩分別為TL1和TL2時(shí)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)必須分別處于對(duì)應(yīng)U1和U2的自然機(jī)械特性上。不同負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)運(yùn)行點(diǎn)的軌跡就是舷。電源電壓和軸上負(fù)載轉(zhuǎn)矩在給定的范圍內(nèi)變化時(shí)，穩(wěn)速電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)保持穩(wěn)定。
2直流穩(wěn)速電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
在攜帶式裝置中，遁常由電池或小蓄電池供電，這時(shí)往往希望電動(dòng)機(jī)的效率盡可能高，以保證電源壽命。因此，有時(shí)需按給定的效率設(shè)計(jì)穩(wěn)速電動(dòng)機(jī)。
眾所周知，電動(dòng)機(jī)的阻尼系數(shù)(亦稱機(jī)械特性的硬度值)F0越大，電磁效率就越高，電動(dòng)機(jī)的效率也越高。因此，0可作為設(shè)計(jì)穩(wěn)速電動(dòng)機(jī)的基本準(zhǔn)則。
設(shè)計(jì)穩(wěn)速電動(dòng)機(jī)時(shí)，應(yīng)該根據(jù)給定的效率仉、****使用電壓Umin、****給定負(fù)載轉(zhuǎn)矩TLM和考慮穩(wěn)速裕量的自然轉(zhuǎn)速（即自然機(jī)械特性上的轉(zhuǎn)速）計(jì)算繞組數(shù)據(jù)。利用給定的條件，首先可以計(jì)算出應(yīng)該保證的電磁效率?ηeM。在給定的運(yùn)行電壓U、負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL和穩(wěn)定轉(zhuǎn)速玩條件下，電動(dòng)機(jī)效率表達(dá)式為：
式中Tc——電動(dòng)機(jī)空載阻轉(zhuǎn)矩，可以近似看作常數(shù)
可見，穩(wěn)速電動(dòng)機(jī)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(bǔ)償電源電壓和負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化影響的儲(chǔ)備量的增加，以及隨著穩(wěn)定轉(zhuǎn)速對(duì)計(jì)算繞組數(shù)據(jù)時(shí)的自然轉(zhuǎn)速（在ΩM和Umin時(shí)）比值的減小而降低。當(dāng)這些比值等于1時(shí)，效率達(dá)到****值，即：
式中η電動(dòng)機(jī)自然轉(zhuǎn)速時(shí)的效率
這樣，根據(jù)給定的條件先計(jì)算必須的電磁效率ηeM，再由ηeM通過有關(guān)計(jì)算確定F。，然后由Fo就可以確定電動(dòng)機(jī)的主要電磁參數(shù)，從而保證性能要求。
電動(dòng)機(jī)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(duì)應(yīng)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(jī)械特性上工作時(shí)，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(shì)或轉(zhuǎn)速的相對(duì)值。
在自然機(jī)械特性上工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)的效率可以表示成下式：
阻尼系數(shù)還與電動(dòng)機(jī)的快速響應(yīng)性能相聯(lián)系。機(jī)械時(shí)間常數(shù)的計(jì)算式為：
式中J-折算到電動(dòng)機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
因此，阻尼系數(shù)Fo表征了電動(dòng)機(jī)的效率和快速響應(yīng)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(shí)電動(dòng)機(jī)的****結(jié)構(gòu)，于是不難得到Fo和電動(dòng)機(jī)主要幾何尺寸之間的關(guān)系式。< |
