磁铁对于小型直流电机的影响

Posted 2021-10-06 卓晴

简 介： 学生根据实际碰到的问题提出了一个问题，在小型直流电机旁增加磁铁会使得电机输出扭矩减少。甚至等磁铁去除之后，电机的性能依然降低。这个问题之前并没有注意到，本文通过实验测试了强磁铁对于小型电机转速的影响。

关键词： 直流电机，强磁场

 

§01 问题提出

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一、问题提出

  卓大大，能不能出一篇有关强磁铁对电机的影响，比如强磁铁的大小，形状，相对于电机的位置等等，因为当时我们的比赛时仅仅就在电机附近加了两块磁铁，然后电机就突然速度变慢，但是程序上一点都没有发生变化，摘掉磁铁后依然是这种情况。本来以为是电机使用时间长了有一点点热，但是电机放凉之后并没有太大的变化，弄不清是什么情况？希望找到合适的原因。

▲ 图1.1 节能信标车模上的小型直流电机

二、初步分析

  如果在普通的小型直流电机之外使用小型的磁铁，虽然会对电机具有一定的影响，但限于电机铁磁外壳的屏蔽对于其中的转子影响应该不大。所以根据前面同学描述，电机力矩弱，估计该同学在电机两旁增加了大型强磁铁。

  为什么他们在电极附近增加强磁铁呢，猜测他们是参加今年的节能信标组。为了能够更好地触发信标发光盘上的霍尔器件，所以他们使用了大型磁铁。因此会对于电机产生较大的影响。

▲ 图1.2 节能型表车模

 

§02 实验测试

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一、问题复现

  问题复现，也就是验证一下外部的磁铁究竟是否能够影响电机的运行。下面对于电机空载转速进行测量，观察外部磁铁对于转速的影响。

1、实验条件

(1) 测试电机

  使用在智能车竞赛车模中所使用到的小型直流电机。铭牌电机型号： R41-35050SLD-65。

▲ 图4.1 实验测试小型直流电机

(2) 转速测量

  为了测量电机转速的变化，使用了 反射式红外光电管 ITR8307 对准电机的输出转轴。由于在电机的转轴有扁平面，利用它不对称的反射特性，可以测量反射光线的周期变化。该周期变化的频率等于电机转速。

▲ 图4.2 使用反射式光电管测量电机轴转速

  反射光电管外部测量电路如下图所示：

▲ 图4.3 测试电路

  当点击转动时，利用示波器可以看到光电管输出电压波形如下图所示。 使用FLUKE45 数字万用表的测量频率功能，可以直接读出该波形的频率。

▲ 图4.4 输出电压U1的波形

2、测量结果

(1) 普通空载

  在电机外部没有增加磁铁，只是固定在铁质的老虎钳之内。

测量结果：

电机电压：5V
工作电流：0.338A
平均值：300.92Hz
方差：1.354

▲ 图4.5.1 测量转速曲线

(2) 电机外部增加强磁铁

  在电机外部增加小型磁铁。电机的转速仅仅发生少量的变化。

▲ 图4.5.2.0.0 电机外部增加小型磁铁

  为了增加磁铁对于电机转速的影响，外部增加大型磁铁。

▲ 图4.5.2.0 在电机上面增加强磁铁

  分别测量磁铁在两个不同的位置对应的转速。

测量结果：

平均转速：297.3Hz
方差：8.406

▲ 图4.5.2 测量转速曲线

测量结果：

平均转速：276.43Hz
方差：2.184

▲ 图4.5.3 测量转速曲线

  改变外加磁场的极性，也就是将外部磁铁反向之后重新叠加在电机上。此时电机的转速明显出现了抖动。抖动的周期大约为0.1s。

▲ 图4.5.4 转速与电流的波动

测量结果：

平均转速：298.32Hz
方差：2.642

▲ 图4.5.4 采集转速的波动

3、电机工作电流

(1) 无外加磁场

▲ 图4.6.0 没有外加磁铁情况

▲ 图4.6.1 转速波形（黄色）与电流波形（青色）

(2) 增加外加磁场

▲ 图4.6.2.0 增加了外部磁场

▲ 图4.6.2 增加外部磁场之后转速与电流开始有了波动

二、小型电机

  在前面测试中，虽然电机收到外加强磁铁的影响转速与稳定性都受到了影响，但是当磁铁撤除之后点击恢复了正常。下面使用更小的直流电机测试。

1、电机外观

  这款电机是从一个带有塑料减速齿轮箱中拆除下来。如下图所示：

▲ 图2.2.1 小型直流电机

  在输出白色塑料齿轮上涂抹黑墨水，便于光电管测速。

▲ 图2.2.2 在输出白色塑料齿轮上涂抹黑墨水，便于光电管测速

▲ 图2.2.3 ITR8307输出电压波形

2、测量结果

(1) 外部没有强磁场

▲ 图2.2.4.0 外部没有磁场

测量结果：

平均转速：183.62Hz
方差：0.417
电流：0.12A
工作电压：+5V

▲ 图2.2.4 采集到的转速

(2) 外部增加强磁铁

▲ 图2.2.5.1 外部增加强磁铁

测量结果：

工作电压：5V
工作电流：0.40A
平均转速：160.9Hz
方差：0.9826

▲ 图2.2.5.2 采集到转速波形

  将外部磁铁去掉，小型电机的转速以及工作电流就恢复到原来的数值。

3、小型单车贴在磁铁表面

  为了避免铁质的固定钳对于电机的影响，小型电机直接贴在磁铁表面。此时施加+5V的工作电压。此时工作电流上升到0.8A左右。比起原来工作电流增加了很多。

▲ 图2.3.1 小型电机直接贴在磁铁表面

  对比中型的直流电机直接贴在永磁铁的外边，对应的工作电流也会增加，工作电流增加到0.36A。

▲ 图2.3.2 将中型直流电机直接贴在磁铁外边

  将小型电机固定在磁铁与台钳之间， 此时空载电流在1.11A，使用手触碰电机输出轴，电机很容里停止。说明电机的输出平均转矩急剧下降。

▲ 图2.3.4 小型电机在磁铁与台钳之间

  在电机运行两分钟左右，电极表面的温度已经明显升高了。

  将磁铁去除之后，小型电机的空载电流为：0.23A左右。这个数值比起实验之前大了一倍。

 

※ 实验分析 ※

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一、实验结果

  根据初步测试结果可以看到，大型强磁铁对于小型直流电机的转速是有影响。特别是对于微型电机影响更大。

  对于普通直流电机的空在转速影响不太明显，而且在磁铁去除之后电机性能回复。

  对于微型直流电机，强磁铁甚至会使得电机无法直接启动。电机启动之后，空载电流会增加 5 ~ 10 倍。 在磁铁去除之后，电机的工作空载电流还是会提升一倍左右。

二、问题分析

  根据上面实验结果，可以初步对前面同学所提出的现象进行重复。那么为什么强磁场使得直流电机输出力矩减少了呢？

  初步猜测，可能的 原因主要为：

  1、转子磁路饱和

  小型直流电机输出力矩主要是由转子磁场与定子永磁铁磁场之间的作用力产生的。转子磁场是由转子线圈电流在转子中激励出的磁场。当外部永磁铁产生的磁场透过电机外壳作用在转子上，会使得转子磁场强度增加，再叠加上线圈所激励出的磁场，有可能达到了转子磁铁饱和强度。因此由线圈所激励出的附加磁场就会减少，从而降低了转子输出力矩。

  2、转子齿槽效应

  由于转子本身不是一个圆柱，为了固定转子线圈，转子上具有齿槽。在外部磁场的作用下，转子被磁化，这些齿槽会产生一定的齿槽力矩效应。当外部施加的电压较小的时候，有可能转子被吸住并不能够转动。只有当转子电流增加到一定阈值，转子电磁力矩才会大于齿槽效应使得转子旋转起来。

▲ 图3.2 转子上的齿槽

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■ 相关文献链接:

• 反射式红外光电管 ITR8307

● 相关图表链接:

• 图4.1 实验测试小型直流电机
• 图4.2 使用反射式光电管测量电机轴转速
• 图4.3 测试电路
• 图4.4 输出电压U1的波形
• 图4.5.1 测量转速曲线
• 图4.5.2.0.0 电机外部增加小型磁铁
• 图4.5.2.0 在电机上面增加强磁铁
• 图4.5.2 测量转速曲线
• 图4.5.3 测量转速曲线
• 图4.5.4 转速与电流的波动
• 图4.5.4 采集转速的波动
• 图4.6.0 没有外加磁铁情况
• 图4.6.1 转速波形（黄色）与电流波形（青色）
• 图4.6.2.0 增加了外部磁场
• 图4.6.2 增加外部磁场之后转速与电流开始有了波动
• 图2.2.1 小型直流电机
• 图2.2.2 在输出白色塑料齿轮上涂抹黑墨水，便于光电管测速
• 图2.2.3 ITR8307输出电压波形
• 图2.2.4.0 外部没有磁场
• 图2.2.4 采集到的转速
• 图2.2.5.1 外部增加强磁铁
• 图2.2.5.2 采集到转速波形
• 图2.3.1 小型电机直接贴在磁铁表面
• 图2.3.2 将中型直流电机直接贴在磁铁外边
• 图2.3.4 小型电机在磁铁与台钳之间

#!/usr/local/bin/python
# -*- coding: gbk -*-
#============================================================
# MEASURE1.PY                  -- by Dr. ZhuoQing 2021-09-15
#
# Note:
#============================================================
from headm import *
#from tsmodule.tsvisa        import *
from tsmodule.tsstm32       import *
speed = []
for _ in range(50):
    meter = meterval()
    speed.append(meter[0])
    printf(meter)
    time.sleep(1)
tspsavenew('measure', speed=speed)
printf(mean(speed), std(speed))
plt.plot(speed)
plt.xlabel("Sample")
plt.ylabel("Speed")
plt.grid(True)
plt.tight_layout()
plt.show()
#------------------------------------------------------------
#        END OF FILE : MEASURE1.PY
#============================================================

◎ 公众号留言：

• 格叽格叽小菜鸡 ：差评！！台湾为什么没有智能车呢！！！！台湾的智能车呢！！！赶紧收复台湾
• 我不是姓崔的 ：卓大大可以科普一下磁场对电路的影响吗？小时候我家电视老被磁化变蓝，搞的我现在都不敢把磁铁往PCB周围放
• 蘇廱乀 ：湾湾也要做车车
• Michael ：康康叔nb！
• tangmao ：原有的赛区分布该调整一下了。华南赛区和单省赛区已经严重内卷，拆分合并势在必行。
• 梁大杯可乐 ：磁铁哪有这样加的，太随便了，还有老虎钳对磁场分布太大了，磁力线几乎都从低磁阻老虎钳走了。应该分别作用直轴和交轴上面看效果，然后在才对随机放的磁铁作用方向进行正交分解。
  • 作者： 非常有道理。 这也是在后来直接将电机放在磁铁表面进行测试后出现的变化能够看到你所说的是正确的。