“簡 介： 參加全國大學(xué)生智能車競(jìng)賽的學(xué)生根據(jù)實(shí)際碰到的問題提出了一個(gè)問題，在小型直流電機(jī)旁增加磁鐵會(huì)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(gè)問題之前并沒有注意到，本文通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試了強(qiáng)磁鐵對(duì)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(chǎng)

”

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(duì)電機(jī)的影響，比如強(qiáng)磁鐵的大小，形狀，相對(duì)于電機(jī)的位置等等，因?yàn)楫?dāng)時(shí)我們的比賽時(shí)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(diǎn)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(shí)間長了有一點(diǎn)點(diǎn)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(huì)對(duì)電機(jī)具有一定的影響，但限于電機(jī)鐵磁外殼的屏蔽對(duì)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(jì)該同學(xué)在電機(jī)兩旁增加了大型強(qiáng)磁鐵。

??為什么他們?cè)陔姌O附近增加強(qiáng)磁鐵呢，猜測(cè)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(huì)對(duì)于電機(jī)產(chǎn)生較大的影響。

02 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

一、問題復(fù)現(xiàn)

??問題復(fù)現(xiàn)，也就是驗(yàn)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(duì)于電機(jī)空載轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，觀察外部磁鐵對(duì)于轉(zhuǎn)速的影響。

1、實(shí)驗(yàn)條件

(1) 測(cè)試電機(jī)

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

(2) 轉(zhuǎn)速測(cè)量

??為了測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，使用了 反射式紅外光電管 ITR8307^[1] 對(duì)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(duì)稱的反射特性，可以測(cè)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(cè)量電路如下圖所示：

??當(dāng)點(diǎn)擊轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(cè)量頻率功能，可以直接讀出該波形的頻率。

2、測(cè)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(cè)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。

??為了增加磁鐵對(duì)于電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，外部增加大型磁鐵。

??分別測(cè)量磁鐵在兩個(gè)不同的位置對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速。

? ● ?測(cè)量結(jié)果：
???平均轉(zhuǎn)速：297.3Hz
???方差：8.406

? ● ?測(cè)量結(jié)果：
???平均轉(zhuǎn)速：276.43Hz
???方差：2.184

??改變外加磁場(chǎng)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(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速明顯出現(xiàn)了抖動(dòng)。抖動(dòng)的周期大約為0.1s。

? ● ?測(cè)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(chǎng)

(2) 增加外加磁場(chǎng)

二、小型電機(jī)

??在前面測(cè)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(diǎn)擊恢復(fù)了正常。下面使用更小的直流電機(jī)測(cè)試。

1、電機(jī)外觀

??這款電機(jī)是從一個(gè)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(cè)速。

2、測(cè)量結(jié)果

(1) 外部沒有強(qiáng)磁場(chǎng)

? ● ?測(cè)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(cè)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(duì)于電機(jī)的影響，小型電機(jī)直接貼在磁鐵表面。此時(shí)施加 5V的工作電壓。此時(shí)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(duì)比中型的直流電機(jī)直接貼在永磁鐵的外邊，對(duì)應(yīng)的工作電流也會(huì)增加，工作電流增加到0.36A。

??將小型電機(jī)固定在磁鐵與臺(tái)鉗之間， 此時(shí)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(gè)數(shù)值比起實(shí)驗(yàn)之前大了一倍。

※ 實(shí)驗(yàn)分析 ※

一、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

??根據(jù)初步測(cè)試結(jié)果可以看到，大型強(qiáng)磁鐵對(duì)于小型直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速是有影響。特別是對(duì)于微型電機(jī)影響更大。

??對(duì)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(duì)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(dòng)。電機(jī)啟動(dòng)之后，空載電流會(huì)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(huì)提升一倍左右。

二、問題分析

??根據(jù)上面實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以初步對(duì)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(chǎng)使得直流電機(jī)輸出力矩減少了呢？

??初步猜測(cè)，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(chǎng)與定子永磁鐵磁場(chǎng)之間的作用力產(chǎn)生的。轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)是由轉(zhuǎn)子線圈電流在轉(zhuǎn)子中激勵(lì)出的磁場(chǎng)。當(dāng)外部永磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)透過電機(jī)外殼作用在轉(zhuǎn)子上，會(huì)使得轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)強(qiáng)度增加，再疊加上線圈所激勵(lì)出的磁場(chǎng)，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(lì)出的附加磁場(chǎng)就會(huì)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(gè)圓柱，為了固定轉(zhuǎn)子線圈，轉(zhuǎn)子上具有齒槽。在外部磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子被磁化，這些齒槽會(huì)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(shí)候，有可能轉(zhuǎn)子被吸住并不能夠轉(zhuǎn)動(dòng)。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(huì)大于齒槽效應(yīng)使得轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來。

參考資料

[1]反射式紅外光電管 ITR8307: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/120116131

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卓老師，我們做宣傳視頻的時(shí)候引用了您推送里面的賽區(qū)分布圖，但是被視頻網(wǎng)站的審核拒絕了，因?yàn)榈貓D里面藏南地區(qū)少了一塊。我們感覺這是個(gè)問題，所以向您反饋一下。這是我們重新制作的地圖: