簡 介： 參加全國大學(xué)生智能車競賽的學(xué)生根據(jù)實際碰到的問題提出了一個問題，在小型直流電機(jī)旁增加磁鐵會使得電機(jī)輸出扭矩減少。甚至等磁鐵去除之后，電機(jī)的性能依然降低。這個問題之前并沒有注意到，本文通過實驗測試了強(qiáng)磁鐵對于小型電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響。

關(guān)鍵詞： 直流電機(jī)，強(qiáng)磁場

01 問題提出一、問題提出??卓大大，能不能出一篇有關(guān)強(qiáng)磁鐵對電機(jī)的影響，比如強(qiáng)磁鐵的大小，形狀，相對于電機(jī)的位置等等，因為當(dāng)時我們的比賽時僅僅就在電機(jī)附近加了兩塊磁鐵，然后電機(jī)就突然速度變慢，但是程序上一點都沒有發(fā)生變化，摘掉磁鐵后依然是這種情況。本來以為是電機(jī)使用時間長了有一點點熱，但是電機(jī)放涼之后并沒有太大的變化，弄不清是什么情況？希望找到合適的原因。

二、初步分析??如果在普通的小型直流電機(jī)之外使用小型的磁鐵，雖然會對電機(jī)具有一定的影響，但限于電機(jī)鐵磁外殼的屏蔽對于其中的轉(zhuǎn)子影響應(yīng)該不大。所以根據(jù)前面同學(xué)描述，電機(jī)力矩減弱，估計該同學(xué)在電機(jī)兩旁增加了大型強(qiáng)磁鐵。

為什么他們在電極附近增加強(qiáng)磁鐵呢，猜測他們是參加今年的節(jié)能信標(biāo)組。為了能夠更好地觸發(fā)信標(biāo)發(fā)光盤上的霍爾器件，所以他們使用了大型磁鐵。因此會對于電機(jī)產(chǎn)生較大的影響。

02 實驗測試一、問題復(fù)現(xiàn)??問題復(fù)現(xiàn)，也就是驗證一下外部的磁鐵究竟是否能夠影響電機(jī)的運(yùn)行。下面對于電機(jī)空載轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量，觀察外部磁鐵對于轉(zhuǎn)速的影響。

1、實驗條件

（1） 測試電機(jī)

使用在智能車競賽車模中所使用到的小型直流電機(jī)。銘牌電機(jī)型號：R41-35050SLD-65。

（2） 轉(zhuǎn)速測量

為了測量電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，使用了 反射式紅外光電管 ITR8307［1］ 對準(zhǔn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)軸。由于在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸有扁平面，利用它不對稱的反射特性，可以測量反射光線的周期變化。該周期變化的頻率等于電機(jī)轉(zhuǎn)速。

反射光電管外部測量電路如下圖所示：

當(dāng)點擊轉(zhuǎn)動時，利用示波器可以看到光電管輸出電壓波形如下圖所示。使用FLUKE45 數(shù)字萬用表的測量頻率功能，可以直接讀出該波形的頻率。

2、測量結(jié)果

（1） 普通空載

在電機(jī)外部沒有增加磁鐵，只是固定在鐵質(zhì)的老虎鉗之內(nèi)。

● 測量結(jié)果：

電機(jī)電壓：5V

工作電流：0.338A

平均值：300.92Hz

方差：1.354

（2） 電機(jī)外部增加強(qiáng)磁鐵

在電機(jī)外部增加小型磁鐵。電機(jī)的轉(zhuǎn)速僅僅發(fā)生少量的變化。

▲ 圖4.5.2.0.0 電機(jī)外部增加小型磁鐵

為了增加磁鐵對于電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，外部增加大型磁鐵。

分別測量磁鐵在兩個不同的位置對應(yīng)的轉(zhuǎn)速。

● 測量結(jié)果：

平均轉(zhuǎn)速：297.3Hz

方差：8.406

● 測量結(jié)果：

平均轉(zhuǎn)速：276.43Hz

方差：2.184

改變外加磁場的極性，也就是將外部磁鐵反向之后重新疊加在電機(jī)上。此時電機(jī)的轉(zhuǎn)速明顯出現(xiàn)了抖動。抖動的周期大約為0.1s。

● 測量結(jié)果：

平均轉(zhuǎn)速：298.32Hz

方差：2.642

3、電機(jī)工作電流

（1） 無外加磁場

（2） 增加外加磁場

二、小型電機(jī)??在前面測試中，雖然電機(jī)收到外加強(qiáng)磁鐵的影響轉(zhuǎn)速與穩(wěn)定性都受到了影響，但是當(dāng)磁鐵撤除之后點擊恢復(fù)了正常。下面使用更小的直流電機(jī)測試。

1、電機(jī)外觀

這款電機(jī)是從一個帶有塑料減速齒輪箱中拆除下來。如下圖所示：

在輸出白色塑料齒輪上涂抹黑墨水，便于光電管測速。

2、測量結(jié)果

（1） 外部沒有強(qiáng)磁場

● 測量結(jié)果：

平均轉(zhuǎn)速：183.62Hz

方差：0.417

電流：0.12A

工作電壓：+5V

（2） 外部增加強(qiáng)磁鐵

● 測量結(jié)果：

工作電壓：5V

工作電流：0.40A

平均轉(zhuǎn)速：160.9Hz

方差：0.9826

將外部磁鐵去掉，小型電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及工作電流就恢復(fù)到原來的數(shù)值。

3、小型單車貼在磁鐵表面

為了避免鐵質(zhì)的固定鉗對于電機(jī)的影響，小型電機(jī)直接貼在磁鐵表面。此時施加+5V的工作電壓。此時工作電流上升到0.8A左右。比起原來工作電流增加了很多。

對比中型的直流電機(jī)直接貼在永磁鐵的外邊，對應(yīng)的工作電流也會增加，工作電流增加到0.36A。

將小型電機(jī)固定在磁鐵與臺鉗之間， 此時空載電流在1.11A，使用手觸碰電機(jī)輸出軸，電機(jī)很容里停止。說明電機(jī)的輸出平均轉(zhuǎn)矩急劇下降。

在電機(jī)運(yùn)行兩分鐘左右，電極表面的溫度已經(jīng)明顯升高了。

將磁鐵去除之后，小型電機(jī)的空載電流為：0.23A左右。這個數(shù)值比起實驗之前大了一倍。

※ 實驗分析 ※一、實驗結(jié)果??根據(jù)初步測試結(jié)果可以看到，大型強(qiáng)磁鐵對于小型直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速是有影響。特別是對于微型電機(jī)影響更大。

對于普通直流電機(jī)的空在轉(zhuǎn)速影響不太明顯，而且在磁鐵去除之后電機(jī)性能回復(fù)。

對于微型直流電機(jī)，強(qiáng)磁鐵甚至?xí)沟秒姍C(jī)無法直接啟動。電機(jī)啟動之后，空載電流會增加 5 ~ 10 倍。在磁鐵去除之后，電機(jī)的工作空載電流還是會提升一倍左右。

二、問題分析??根據(jù)上面實驗結(jié)果，可以初步對前面同學(xué)所提出的現(xiàn)象進(jìn)行重復(fù)。那么為什么強(qiáng)磁場使得直流電機(jī)輸出力矩減少了呢？

初步猜測，可能的 原因主要為：

1、轉(zhuǎn)子磁路飽和

小型直流電機(jī)輸出力矩主要是由轉(zhuǎn)子磁場與定子永磁鐵磁場之間的作用力產(chǎn)生的。轉(zhuǎn)子磁場是由轉(zhuǎn)子線圈電流在轉(zhuǎn)子中激勵出的磁場。當(dāng)外部永磁鐵產(chǎn)生的磁場透過電機(jī)外殼作用在轉(zhuǎn)子上，會使得轉(zhuǎn)子磁場強(qiáng)度增加，再疊加上線圈所激勵出的磁場，有可能達(dá)到了轉(zhuǎn)子磁鐵飽和強(qiáng)度。因此由線圈所激勵出的附加磁場就會減少，從而降低了轉(zhuǎn)子輸出力矩。

2、轉(zhuǎn)子齒槽效應(yīng)

由于轉(zhuǎn)子本身不是一個圓柱，為了固定轉(zhuǎn)子線圈，轉(zhuǎn)子上具有齒槽。在外部磁場的作用下，轉(zhuǎn)子被磁化，這些齒槽會產(chǎn)生一定的齒槽力矩效應(yīng)。當(dāng)外部施加的電壓較小的時候，有可能轉(zhuǎn)子被吸住并不能夠轉(zhuǎn)動。只有當(dāng)轉(zhuǎn)子電流增加到一定閾值，轉(zhuǎn)子電磁力矩才會大于齒槽效應(yīng)使得轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來。

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