什麼原因會導致直流馬達扭力損失？
快速解答
直流馬達中的“扭矩損失”是什麼意思？
馬達扭力是指軸傳遞給負載的旋轉力，單位為牛頓米 (Nm) 或盎司英吋 (oz-in)。在直流馬達中，扭矩是由磁場與電樞繞組中的電流相互作用產生的。任意時刻的軸扭矩為：
- T = kT · 我一個 — 扭力等於扭力常數乘以電樞電流。
- 對於永磁直流（PMDC）電機， kT 由磁通量和有效匝數決定；這是一個固定屬性。 直到磁鐵減弱。
- 對於繞線式電機，kT 也取決於勵磁電流——弱勵磁會直接降低扭力。
因此，「扭矩損失」意味著以下兩種情況之一發生了變化：要么 kT 已經下降 （該機器每安培電流產生的扭力較小） 我一個 已經下降 （到達或被電樞利用的電流減少）。本文中提到的每一個原因都對應著這兩個變數之一。若要了解相關零件，請先閱讀我們的指南。 直流馬達是什麼？它是如何構造的？。
決定扭矩的兩個變量
| 多變的 | 是什麼改變了它 | 對扭矩的影響 |
|---|---|---|
| kT （扭矩恆定） | 磁鐵強度、有效匝數、勵磁電流 | 退磁或短路會導致電流下降 → 每安培扭力降低 |
| 我一個 （電樞電流） | 電源電壓、繞組電阻、負載、驅動限制 | 電壓過低、電阻過高、過載或電流過大都會導致跌落。 |
直流馬達如何產生扭力（以及扭力洩漏點）
直流馬達是一個閉合的機電迴路。沿著這個迴路，你就能準確地看到扭力是如何損失的：
- 電源施加電壓（V）t） 穿過電刷或驅動端子。
- 目前（我一個) 在電樞中流動 繞組位於永久磁鐵或勵磁線圈產生的磁場 (B) 中。
- 洛倫茲力（F = B·I·L） 每個導體都會產生繞軸的扭力。
- 轉子加速以及反電動勢（Eb = k和·ω) 積聚，與供給相反。
- 達到穩態 當 Eb ≈ Vt ——我一個·R一個固定電流，因此扭力 T = kT·我一個。
控制方程式可以清楚地顯示洩漏點：
- 期末餘額： 在t = Eb +我一個·R一個
- 反電動勢： 和b = k和·ω（在國際單位制中，k）和 ≈ kT）
- 速度方程式： ω = (Vt/k和) − (R一個/k和·kT)·T
透過以下方程式追蹤失效模式：
- 低供電電壓 → 下 I一個 可用→降低扭矩和速度。
- 退磁磁鐵 → 降低 kT 和 k和 → 每安培扭力更小，空載轉速更高。
- 熱繞組 → R一個 上升和kT 電壓下降→相同電壓下電流和扭力減少。
- 短路電樞匝數 → 有效回合數減少 → 速率常數降低T電流越大，發熱量越高。
- 軸承磨損/變速箱拖滯 →負載扭力上升→I一個 持續攀升直至驅動器或過熱保護裝置限制其速度。
有刷永磁直流馬達 (PMDC) 與無刷直流馬達 (BLDC)：扭力洩漏點在哪裡？
兩種類型都使用永久磁鐵，並且都遵循 T = k 的規律。T·我一個但是，由於一種換向方式是機械式的，而另一種是電子式的，因此它們的故障圖有所不同。
| 扭力損失的原因 | 刷磨PMDC | 無刷永磁直流馬達（BLDC） |
|---|---|---|
| 永久磁鐵 | 是的－過電流/過熱 | 是的——同樣的物理原理。 |
| 電刷摩擦（空載扭力 M）拉） | 是的——戴著刷子，舉起M拉 | 無（無畫筆） |
| 換乘時間 | 機械式非空擋設置 | 電子元件－霍爾角度錯誤（60°/120°） |
| 驅動電流限制 | 簡單供應（很少限制） | PWM電流限制－扭力「弱」的常見原因。 |
| 繞組故障試驗 | 桿間阻力 | 相間平衡 |
如需深入了解刷毛磨損和火花問題，請參閱我們的指南。 為什麼有刷電機會產生火花而關於電子換向的權衡取捨，請閱讀… 無刷直流馬達的缺點。
根本原因對比表
下表按影響扭力方程式的方式，列出了七個最常見的故障原因。您可以利用此表來排查馬達動力不足的問題。
| # | 原因 | 攻擊 | 典型症狀 | 可逆的？ |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 過電流退磁 | kT ↓ | 空載轉速高，扭力低，負載運轉時溫度高 | 不——磁鐵損壞了 |
| 2 | 低供電電壓 | 我一個 ↓ | 緩慢、虛弱，尤其是在負荷下 | 是的—解決供應問題 |
| 3 | 熱漂移（熱量） | kT ↓，R一個 ↑ | 引擎升溫過程中扭力會下降 | 部分冷卻 |
| 4 | 繞組故障（短路匝） | kT ↓，R一個 ↓ | 過熱、高電流、低扭矩 | 否——倒帶/替換 |
| 5 | 機械過載 | 我一個 封頂 → T 封頂 | 堵轉、斷路器跳脫、高電流 | 是的－減少負荷 |
| 6 | 刷子/換向器磨損 | M拉 ↑，聯繫不暢 | 火星塞點火不正常，扭力不均勻，啟動緩慢 | 是的－服務刷 |
| 7 | 驅動/控制器限制 | 我一個 封頂 | 負載下性能較弱，空載時性能良好。 | 是的－提高當前限額 |
工程資料：扭力公式及實例
量化扭矩損失可以將猜測轉化為測量。這些關係式被FAULHABER和maxon等製造商的資料手冊所採用。
| 數量 | 公式 | 用於診斷 |
|---|---|---|
| 扭力 | T = kT·我一個 | 電流設定扭力；kT 是乘數 |
| 失速（轉子鎖死）扭矩 | TLR = (在t/R一個)·kT | 零速時的最大扭力（FAULHABER M）H） |
| 反電磁場 | 和b = k和·哦 | 旋轉測試證實了k和 = kT （和） |
| 電樞電流 | 我一個 = (在t – 和b)/R一個 | 低電壓t 或高 R一個 → 低 I一個 |
| 端電阻與溫度的關係 | R(f) = R(i)·[1 + α條件(θf − θi)]#atfp_close_translate_span# | 銅α條件 ≈ +0.004 K-1 （拉茲勒） |
| 扭力常數與溫度的關係 | k(f) = k(i)·[1 + α到(θf − θi)]#atfp_close_translate_span# | 磁鐵α到 ≈ −0.002 K-1 （消極的） |
實例分析：僅熱量就會降低扭力約 20%
這段文字摘自已發表的永磁直流馬達熱分析報告（Haydon Kerk Pittman）。 24V馬達的電阻為R。一個 = 0.59 Ω 和 kT 在 25 °C 時，= 0.071 Nm/A。比較 25 °C 和 125 °C 時的數值：
| 範圍 | 在 25 °C | 在 125 °C | 改變 |
|---|---|---|---|
| 端電阻 R一個 | 0.59 Ω | 0.83 Ω | +41% |
| 扭力常數kT | 0.071 牛頓米/安 | 0.057 牛頓米/安 | -20% |
| 堵轉電流 ILR = Vt/R一個 | 40.7 A | 28.9 A | -29% |
| 鎖止轉子扭力 TLR = 我LR·kT | 2.89 牛頓米 | 1.65 牛米 | -43% |
要點： 熱損傷會加倍。 — 它會增加繞組電阻（減少電流） 和 這會削弱磁鐵的磁力（降低每安培電流下的扭力）。冷態下運轉正常的電機，一旦溫度升高，其堵轉扭矩可能會損失近一半。根據IEC 60034-1標準，繞組溫度限制分別為：B級130℃，F級155℃，H級180℃－超過這些溫度會加速永久磁鐵的去磁。
退磁和電樞反應（經同儕審查的數據）
- 過電流/電樞反應： 在70W、24V永磁無刷直流馬達中，僅電樞反應一項就會導致峰值扭力降低。 2.8% 並降低了氣隙磁通密度 每安培5.59毫特斯拉 從空載到滿載 （Upadhyay 和 Rajagopal，IEEE PEDES 2006）. 在失速電流（遠高於額定電流）下，這種影響要大得多，並且可能變得非常嚴重。 永恆的。
- 熱退磁： 釹鐵硼和釤鈷磁鐵具有 負矯頑熱係數因此，退磁風險在最高工作溫度最高。 （ScienceDirect，《磁性與磁性材料雜誌》，2020）. 一旦工作點低於 B-H 曲線的拐點，磁通量－以及 kT — 無法恢復。
這就是為什麼反覆短路或堵轉的馬達最終會永久失去扭力；請參閱我們的解釋文章。 直流馬達短路會發生什麼事？。
直流馬達扭力損失最關鍵的場合
主要故障模式與工作週期和環境密切相關。了解應用的主要風險可以縮短診斷時間。
| 應用 | 主要扭力損失風險 | 看什麼 |
|---|---|---|
| 汽車（車窗、座椅、雨刷） | 失速/阻塞 → 過電流消磁 | 堵轉電流與峰值額定值 |
| 機器人與自動導引車 | 頻繁啟動停止、變速箱摩擦 | 齒輪潤滑、佔空比加熱 |
| 醫療及實驗室儀器 | 換向品質好，噪音低 | 穩定kT清潔換向 |
| 電動工具和無人機 | 高電流熱退磁 | 磁性等級、排氣、電流限制 |
| 輸送機及自動化 | 持續過載、發熱 | 負荷審核，絕緣等級 |
機器人關節尤其依賴減速器來放大馬達扭矩；如果該處的馬達扭矩不足，就會影響整個機械手臂的性能——我們的文章對此進行了詳細闡述。 為什麼機械手臂需要減速器 解釋了扭力與速度之間的關係。
選用指南：如何選擇一款不會損失扭力的直流電機
如果診斷結果表明需要更換電機，則應選擇合適的新電機尺寸，以避免扭矩損失成為現場投訴。
- 匹配電壓和類型： 確認永磁直流馬達（PMDC）、串聯直流馬達、並聯直流馬達或無刷直流馬達（BLDC），以及電源極性/範圍。
- 尺寸扭力及餘裕： 選擇額定扭力時，應至少為最壞情況負載的 1.3 至 1.5 倍，而不是平均負載。堵轉/鎖定扭力必須能夠克服啟動負載。
- 熱上升預算： 選擇合適的絕緣/磁鐵等級，使繞組在您的佔空比下低於 IEC 60034-1 的限制；如果馬達運轉溫度過高，則增加通風或更大的機架。
- 正確設定驅動器電流限制： 對於 BLDC 電機，應將限值設定為額定電流的 1.2 至 1.5 倍，以獲得短時過載餘量——限值過低會導致負載下扭矩崩潰。
- 根據溫度選擇磁鐵等級： NdFeB 適用於高磁通密度；請確認拐點溫度始終高於您的最高工作溫度，以避免退磁。
- 安裝法蘭匹配： 符合 IEC B5/B14 或 NEMA C 型介面標準，可直接安裝到現有支架上—請參閱我們的 馬達法蘭導引裝置。
導致扭力損失的常見工程錯誤
| 錯誤 | 為什麼扭力成本高昂 |
|---|---|
| 超過峰值/脈衝電流額定值 | 永久磁鐵退磁——kT 永不恢復 |
| 供電不足或電線過長過細 | 端子電壓降 → I一個 ↓ → T ↓（T 與 V 大致成正比） |
| 忽略佔空比加熱 | 馬達僅在高溫時動力不足；冷態台架測試合格。 |
| 無刷直流馬達霍爾角錯誤（60° 而非 120°）。 | 換向正時錯誤 → 啟動扭力不足 |
| 齒輪馬達潤滑過度或潤滑不足 | 油脂阻力會增加負載扭力並浪費軸的輸出功率。 |
| 將突波電流讀作故障 | 堵轉電流 Vt/R一個 開始時正常；掩蓋了真正的問題 |
| 僅按額定扭力進行尺寸選擇 | 沒有緩衝餘地開始/超負荷 → 長期「虛弱」的感覺 |
直流馬達轉矩損失故障排除表（問題→原因→解決方法）
| 問題 | 可能原因 | 解決方案 |
|---|---|---|
| 啟動時扭力不足或無扭力 | 供電電壓低、磁鐵退磁、繞組開路、軸承卡死 | 測量 Vt 在終端處；檢查磁鐵 kT; 測試繞組 R；釋放軸 |
| 扭力只會在引擎升溫時下降 | 熱漂移：R一個 ↑，kT ↓ | 允許冷卻；降低負載；升級絕緣/磁鐵等級 |
| 負載下性能較弱，空載時性能良好。 | 驅動電流限制過低，或存在過載。 | 將電流限制提高到額定值的 1.2～1.5 倍；降低負載 |
| 空載轉速高但扭力低 | 永久退磁 | 透過反電動勢/k進行確認T 測試結果與銘牌相符；更換磁鐵或電機 |
| 間歇性扭矩不足 | 連接鬆脫、過熱跳脫、換向器髒污 | 擰緊接線端子；檢查電流限制；清潔/修復換向器表面 |
| 扭矩會在數月內衰減。 | 逐漸退磁、軸承磨損、電刷脫落 | 更換碳刷/軸承；重新潤滑；重新磁化或更換 |
| 新馬達出廠時動力不足 | 零件編號錯誤、霍爾角錯誤、驅動設定錯誤 | 核對規格；設定 60°/120°；匹配驅動參數 |
要進行完整的診斷流程（包括絕緣和反電動勢測試），請使用我們的 直流馬達故障排除指南。
常見問題解答
低電壓會降低直流馬達扭力嗎？
是的。扭矩遵循 T ≈ k 的規則。T·（在t – 和b)/R一個因此，較低的端電壓意味著較小的電樞電流，從而導致較小的扭矩。當馬達供電不足或使用細長導線時，會感覺運轉遲緩，尤其是在負載運轉時，因為電流消耗會導致端子電壓下降。
直流馬達可能會永久性地損失扭力嗎？
是的－如果永久磁鐵因持續過電流或過熱而退磁，則扭矩常數 k 會降低。T 電流驟降且無法恢復。唯一的解決辦法是重新磁化磁鐵（這通常不太現實）或更換轉子/馬達。這就是為什麼峰值電流和堵轉電流必須保持在銘牌額定值範圍內的原因。
直流馬達因發熱而損失多少扭力？
影響顯著。在有文獻記載的24V永磁直流馬達中，繞組溫度從25℃升高到125℃，轉矩常數下降了約20%，堵轉轉矩從約2.9Nm降至約1.65Nm——堵轉轉矩損失約43%。高溫會同時增加繞組電阻並削弱磁鐵的磁力。
我的無刷直流馬達在失速後為什麼會損失扭力？
堵轉電流等於 Vt/R一個 實際值可能遠遠超額額定值。持續失速會導致繞組過熱和磁鐵退磁，而且大多數無刷直流馬達驅動器也會設定電流限制，從而限制轉矩。反覆失速是導致永久性轉矩損失最快的途徑。
如何測試直流馬達是否退磁？
將其實際性能與銘牌所示性能進行比較：一台消磁的馬達表現出 高空載轉速 和 低扭力並且反電動勢常數降低（將其作為發電機旋轉並測量每 1000 轉/分鐘時的電壓），扭矩常數 k 也降低。T. 兆歐表測試（IEEE 43）檢查繞組；退磁是透過扭矩/反電動勢下降來確認的，而不是透過絕緣來確認的。
有刷直流馬達和無刷直流馬達的扭力損失有何不同？
磁鐵物理學（T = k）T·我一個兩者原理相同，但有刷馬達也會因電刷摩擦和換向器磨損而損失扭矩，而無刷馬達則會因驅動電流限制和霍爾感測器/定時誤差而損失扭矩。有刷馬達的扭矩損失通常是機械性的，可以修復；而無刷直流馬達的扭矩損失通常是控制器設定的問題。
為什麼選擇 Greensky 的直流和運動替換馬達？
當扭矩損失表明需要更換而非維修時，格林斯基提供完整的直流產品組合— PMDC、有刷和無刷（BLDC）馬達以及整合齒輪馬達 — 符合 IEC 60034 和 NEMA MG 1 標準尺寸，可直接安裝到現有支架上。我們為維護和採購團隊提供：
- 已記錄的扭力常數： 銘牌 kT堵轉扭力、額定電流和絕緣等級，以便從一開始就明確基準。
- 熱裕量： 根據您的工作循環溫度選擇 F 級和 H 級絕緣選項和磁鐵等級，而不僅僅是目錄中的平均值。
- 法蘭相容性： 符合 IEC B5/B14 和 NEMA C 標準的接口，導孔直徑可客製化－請參閱我們的產品資訊。 馬達法蘭導引裝置。
- 有刷或無刷直流： 選擇機械式簡易性或採用匹配的霍爾感測器和驅動器的電子換向。
- 低起訂量OEM/ODM： 小批量生產備件和定制軸/編碼器配置。
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參考
- IEC 60034-1 — 旋轉馬達：額定值與性能（溫度等級、扭力定義）. webstore.iec.ch/publication/67467
- IEC 60034-30-1 — 旋轉馬達能源效率等級 (IE1–IE5). webstore.iec.ch/publication/67784
- NEMA MG 1 — 馬達和發電機（安全、熱力、安裝尺寸）. nema.org/standards/view/mg-1-motors-and-generators
- IEEE 43-2013 — 旋轉機械絕緣電阻試驗建議規程. standards.ieee.org/ieee/43/4385
- IEEE 112 — 多相感應和直流馬達標準測試程序（損耗法和反電動勢法）. standards.ieee.org/ieee/112/4213
- 美國能源部－電機效率測定及維修指南. energy.gov/eere/amo/articles/determination-electric-motors
- SKF——電機軸承維護與潤滑. skf.com/us/products/maintenance-products/bearing-maintenance
- Haydon Kerk Pittman — 溫度對直流馬達性能的影響（熱轉矩常數模型）. haydonkerkpittman.com/learningzone/whitepapers/temperature-effects-on-dc-motor-performance
- FAULHABER — 直流馬達技術資訊 (kM，k和（α係數，失速扭力）. faulhaber.com/en/technical-information
- maxon — 直流馬達換向及應用說明. maxon.com/en-us/technologies/tech-papers
