我最喜欢的工程系大二学生罗杰和他的团队为他们的工程项目制作了一台小型起重机。它有很多EMC问题。他们遇到的一个问题是永磁直流电动机的噪音。我很高兴罗杰关心这个问题,因为我已经建模了一些永磁直流电动机,我可以解释如何设计它,然后让他们更安静!
永磁直流电动机建模
古老的电刷式直流电动机无处不在,它无处不在!它们价格便宜,但在电上和声音上都有噪音。它们使用机械滑动电触点通过旋转线圈来切换电流。这种接触是由一种叫做“刷子”的软材料制成的,尽管它们在一个世纪的大部分时间里看起来都不像刷子。当电刷换向或切换电流时,就会产生电弧。一般来说,马力越小,电机电流波形中的谐波就越多。电流波形中的谐波越多,电刷和换向器的点蚀就越多,电机的噪声就越大。了解电磁学的一部分,就能更好地设计永磁直流电动机。
2极永磁直流电动机操作
一些教科书[例如1-3]和网站[例如4-5]使用非常简单的直流电动机来解释其操作。图1描述了一个简单的单线圈永磁直流电动机。您可以在一些网站上购买这些简单的电机之一,如http://www.miniscience.com/kits/Magnet_Motor_kit/而且https://www.jameco.com/Jameco/workshop/learning-center/build-dc-motor.html但它们只是用来演示的,因为它们有一个盲点,可能会阻止启动。换向(电机电流的开关)太复杂,无法用实际例子来解释。在图1所示的这个简单示例中,有两块永磁体附着在机器的厚钢外壳上。在图的顶部的磁铁有一个南极指向远离电枢和磁铁底部有一个北极指向电枢。这提供了一个完整的磁路,如图2所示。这个电路中的磁通量流经直流电机的外壳,它是钢的,因为它必须携带来自永磁体的磁通量。电流从电源流过由碳石墨制成的电刷,到铜换向器段,然后进入转子中的线圈(称为电枢)。转子线圈中的电流产生磁极,当磁极试图与安装在电机外壳上的永磁体的磁极对齐时,磁极产生扭矩。当电枢旋转时,电刷桥接换向杆段之间的空间,缩短了段之间连接的线圈。当转子继续其行程时,线圈电流被反转,转矩方向被保留。 A large Ldi/dt voltage is produced at the end of commutation due to the reversal of the current in the coil, causing an arc between the commutator bars. The motor of Figure 1 is not a practical motor because it has a dead spot if the armature stops when the coil is shorted, and also has a dead short of the power supply at this point. A practical motor has more coils and commutator bars, but not necessarily more magnets.
图1。单圈永磁直流电动机
图2。永磁磁通量路径
在没有电刷位移的情况下(如图1所示,电刷位移为0度),线圈中的电流在短时间内衰减,主要是根据其L/R时间常数。到换向结束时,电流仍有很长的路要走,才能逆转到新电流输入的方向——换句话说,会有更多的电弧和噪声。电弧导致换向器和电刷点蚀,降低电刷和电机的寿命。零度电刷位移意味着电机线圈电流被切换,而电机和磁铁的磁场对齐。这种情况下电机的线路电流如图4所示。改善这种情况的一种方法是使用负电刷位移,它将电刷的位置移动到与旋转相反的方向,如图3和图4中的波形所示。这是通过电磁学原理工作的,在电磁学原理中,磁铁在移动线圈中产生电压或电动势(EMF)。这个电动势可以用来帮助在换向过程中扭转线圈中的电流。移动刷子的角度与旋转方向相反,使线圈中的电动势在刷子短路期间与电流相反,从而有助于逆转电流,减少电弧的量。
图3。负电刷位移:换向期间,电动势有助于逆转电流
法拉第定律说,磁场通过线圈的变化会在线圈中产生电压。当线圈垂直于磁场时,其电动势电压最高(线圈的两侧在磁铁的中间下方)。电动势是由线圈在磁体磁场中转动而产生的。在电刷开始短路线圈之前,这个电动势试图阻止电流进入电机——它与施加的电压相反。所以,如果线圈是短而电动势反对电流,它可以用来帮助在换向期间逆转电流。在这个位置,线圈的磁场部分与永磁体相反。
电流进入电机与-15度电刷移位如图5所示。由于电刷位移,电流波形在换向过程中突变较少。
图4。0度电刷位移[因换向而产生的电流突变]
图5。-15度电刷位移[换向使过渡更平滑]
电刷换挡对永磁直流电动机影响的结论
存在一种最佳电刷移位,可以改善换向从而降低电弧和电流谐波含量。通常情况下,最佳刷移是根据经验得出的。找到这一点具有挑战性,部分原因是它随着电机的速度和负载而变化。可以对电机建模,预测电流波形,并找到最低电弧点[6]。一种更现代的技术,无刷直流电动机,使用晶体管来切换线圈中的电流(电机是反向的,磁铁旋转,线圈静止)。无刷电机的换向可以通过软件进行调整,以响应负载和速度。无刷电机在控制换向方面具有更大的灵活性,但由于增加了电子设备,比刷式直流电动机更昂贵。
影响永磁直流电动机噪声的其他因素
还有许多其他方法来攻击永磁直流电动机噪声,但没有一个如此戏剧性的刷移。碳刷一般与各种合金复合,以增加电流流量,降低摩擦系数,加强电刷,减少换向器电弧量,并延长电刷的寿命。例如,铜和石墨都被用来增加电刷的载流能力。石墨降低了电刷和换向杆之间的摩擦系数,但石墨降低了电刷的寿命。铜增加了电刷的寿命和强度,但也增加了电刷和换向杆之间的摩擦系数。碳刷混合物是专利的,是马达黑魔法的一部分。
刷角宽度也可以优化,以减少电弧[6]。磁铁的形状,以产生更顺利的换向和更少的齿槽转矩。(齿槽转矩是当金属线圈缠绕(齿)和磁体对齐时电机暂停的趋势。它影响电流谐波含量。电机齿也是形状,以减少齿槽转矩,减少电流谐波和由此产生的噪音。一般来说,线圈电流中的谐波越多,电机通过电耦合和机械结构产生的电噪声和可听噪声就越多。(请收听同一个频道,我们将更多地讨论这个!)
参考文献
[1]王志文,“基于MATLAB/SIMULINK的电机动态仿真”,Prentice Hall PTR,新泽西,1998。
Syed A. Nasar,《电机与变形金刚》,McMillian出版公司,纽约,1984。
[3] Syed A. Nasar,“电磁能量转换装置和系统”,Prentice-Hall, Inc.,新泽西,1970。
[4]https://www.pc-control.co.uk/dc-motors.htm, 2013 PC控制有限公司,2018年4月30日
[5]http://eblogbd.com/how-a-rotor-rotates-in-dc-motor/, 2014-2017 eblobd.com, 30APR2018
C. R. Suriano,“直流永磁电机噪声与线路电流的关系研究”,TR-EE 94-5, 1994年1月,普渡大学电气工程学院,西拉斐特,IN。