Что приводит к потере крутящего момента двигателем постоянного тока?
Быстрый ответ
Что означает “Потеря крутящего момента” в двигателе постоянного тока?
Крутящий момент двигателя – это сила вращения, которую вал передает нагрузке, выраженная в ньютон-метрах (Нм) или унциях-дюймах (унциях-дюймах). В двигателе постоянного тока крутящий момент создается за счет взаимодействия магнитного поля и тока, протекающего в обмотках якоря. Крутящий момент на валу в любой момент равен:
- T = kT · Ia — крутящий момент равен постоянному крутящему моменту, умноженному на ток якоря.
- Для двигателя постоянного тока с постоянными магнитами (PMDC), kT устанавливается магнитным потоком и количеством эффективных оборотов; это фиксированное свойство до тех пор, пока магниты не ослабнут.
- Для двигателя с намотанным полем, кТ также зависит от тока возбуждения — слабое поле напрямую снижает крутящий момент.
Следовательно, “Потеря крутящего момента” означает, что изменилась одна из двух вещей: либо kT упало (машина производит меньше крутящего момента на ампер), либо Ia упало (якорь достигает меньшего тока или использует его). Каждая причина, описанная в этой статье, связана с одной из этих двух переменных. Чтобы понять, о чем идет речь, начните с нашего руководства по что такое двигатель постоянного тока и как он устроен.
Две переменные, которые определяют
| переменный | крутящий момент, Что его изменяет, | Влияют на крутящий момент |
|---|---|---|
| kT (постоянный крутящий момент) | Сила магнита, эффективные витки, ток возбуждения | Падает при размагничивании или коротком замыкании витков → меньший крутящий момент на ампер |
| Ia (ток якоря) | Напряжение питания, сопротивление обмотки, нагрузка, предел возбуждения | падает при низком напряжении, высоком R, перегрузке или ограничении тока |
Как двигатель постоянного тока создает крутящий момент (и где он протекает)
Двигатель постоянного тока представляет собой замкнутый электромеханический контур. Проследите за цепью, и вы сможете точно увидеть, где теряется крутящий момент:
- К щеткам или клеммам привода от источника питания подается напряжение (Вt) .
- Ток (Ia) протекает в обмотках якоря, находящихся в магнитном поле (B), от постоянных магнитов или катушек возбуждения.
- Сила Лоренца (F = B·I·L) на каждом проводнике создает крутящий момент вокруг вала.
- Ротор ускоряется, и возникает обратная ЭДС (Eb = kE· ω), противодействующая подаче.
- Устойчивое состояние достигается , когда Eb ≈ Vt − Ia·Ra, фиксируя ток и, следовательно, крутящий момент T= kT·Ia.
Управляющие уравнения делают точки утечки очевидными:
- Баланс клемм: Vt = E b + I a· Ra
- Обратная ЭДС: Eb = kE· ω & nbsp; (и в единицах СИ, kE ≈ kT)
- Уравнение скорости: ω = (Vt/kE) – (Ra / kE · kT) · T
Проследите режимы отказа с помощью этих уравнений:
- Низкое напряжение питания → более низкий I a доступно → меньший крутящий момент и меньшая частота вращения.
- Размагниченные магниты → уменьшите kT и kE → меньший крутящий момент на ампер, более высокая частота вращения без нагрузки.
- Горячая обмотка → Ra увеличивается, а kT падает → меньший ток и меньший крутящий момент при том же напряжении.
- Закороченные витки якоря → меньше эффективных витков → меньшее kT, больший ток, больше тепла.
- Изношенные подшипники / волочащийся редуктор → увеличивается крутящий момент нагрузки → Ia увеличивается до тех пор, пока привод или тепловая защита не ограничат его.
Матовый PMDC против бесщеточного (BLDC): при утечке крутящего момента
оба типа используют постоянные магниты и подчиняются T = k T · Ia, но схема отказов отличается, потому что коммутация в одном случае механическая, а в другом – электронная.
| Причина потери крутящего момента | Матовый PMDC | Бесщеточный PMDC (BLDC) |
|---|---|---|
| Размагничивание постоянными магнитами | Да – перегрузка по току / нагрев | Да — та же физика |
| Трение щеток (крутящий момент холостого хода MR) | Да – износ щеток, повышение MR | Нет (отсутствие щеток) |
| Синхронизация коммутации | Механическая настройка отключения от нейтрали | Электронная — неправильный угол Холла (60 ° / 120 °) |
| Ограничение тока привода | Простое питание (редко перекрывается) | Ограничение тока ШИМ – распространенная причина “слабого” крутящего момента |
| Проверка неисправности обмотки | Межштанговое сопротивление | Межфазный баланс |
Для более глубокого анализа износа щеток и искрообразования , ознакомьтесь с нашим руководством о том, почему двигатели с щеткой искрят, а о компромиссах между электронной коммутацией читайте в недостатках двигателей BLDC.
Сравнительная таблица первопричин
В таблице ниже перечислены семь наиболее распространенных причин в зависимости от того, как они влияют на уравнение крутящего момента. Используйте ее для сортировки двигателя, который чувствует себя слабым.
| # | Причина | приступов | Типичный симптом, | обратимый? |
|---|---|---|---|---|
| 1 | перегрузки по току размагничивания | кТ ↓ | высокая скорость холостого хода, низкий крутящий момент, работает горячая под нагрузкой | нет — магниты повреждены |
| 2 | низкому напряжению | яна ↓ | медленно, слабо, особенно под нагрузкой | да — исправь предложение |
| 3 | температурный дрейф (тепла) | кт ↓, ра ↑ | крутящий момент проседает, как мотор прогреется | частично — позволяют охлаждения |
| 4 | обмотки неисправности (коротком замыкании) | кт ↓, ра ↓ | перегревается, высокий ток, низкий крутящий момент | без перемотки/заменить |
| 5 | механические перегрузки | яв сборную → Т ограничен | в палатках, поездки выключателя, высокий ток | Да — уменьшить нагрузку |
| 6 | Износ щетки / коллектора | MR ↑, плохой контакт, | искрение, неравномерный крутящий момент, медленный запуск | Да — сервисные щетки |
| 7 | Предел мощности привода / контроллера | Ia ограничен | , Слабый только под нагрузкой, хороший без нагрузки | Да — увеличить предел тока |
Технические данные: формулы крутящего момента и отработанный пример
Количественная оценка потери крутящего момента превращает догадки в измерения. Эти соотношения используются в спецификациях производителей, таких как FAULHABER и maxon.
| Формула | величины, используемая при диагностике | |
|---|---|---|
| крутящего момента | T = kT· Ia | Ток задает крутящий момент; kT – множитель |
| момента остановки (заблокированного ротора), | TLR = (Vt/Ra) ·kT | Максимальный крутящий момент при нулевой скорости (М Ч по ФАУЛЬХАБЕРУ), |
| Обратная ЭДС | Eb = kE· ω | Тест подтверждает кЭ = Кт (Си) |
| ток в обмотке Ротора | яа = (в– т − еб)/рс | низким Vт или высокой РА → яв |
| терминал сопротивления против темп | Р(Ф) = р(я)·[1 + αокрест(θf − θi)]#atfp_close_translate_span# | медь αКонд ≈ +0.004 к-1 (FAULHABER) |
| Крутящий момент постоянной против “темп” | к(ф) = к(я)·[1 + αмаг(θf − θi)]#atfp_close_translate_span# | Магнит αмаг ≈ -0.002 к-1 (отрицательный) |
пример: тепло его снижения крутящего момента ~20%
это взято из опубликованной НДДП термического анализа (Хейден Керк Питтман). Двигатель с напряжением 24 В имеет Ra = 0,59 Ом и kT = 0,071 Нм / А при 25 °C. Сравните 25 °C и 125 °C:
| Параметр | При 25 °C | При 125 °C | Изменяет |
|---|---|---|---|
| сопротивление клемм Ra | на 0,59 Ом | 0,83 Ом | +41% |
| Константа крутящего момента kT | 0,071 Нм / A | 0,057 Нм / A | -20% |
| Ток заблокированного ротора ILR = Vt/Ra | 40,7 А | 28,9 А | -29% |
| Крутящий момент заблокированного ротора TLR = ILR· kT | 2,89 Нм | 1,65 Нм | -43% |
Вывод: нагрев наносит двойной ущерб – повышает сопротивление обмотки (меньший ток) и ослабляет магниты (меньший крутящий момент на ампер). Двигатель, который хорошо охлаждается, при нагревании может потерять почти половину крутящего момента остановки. Согласно стандарту IEC 60034-1, предельными значениями температуры обмотки являются класс B 130 ° C, класс F 155 ° C и класс H 180 ° C — превышение этих значений ускоряет постоянное размагничивание.
Размагничивание и реакция якоря (рецензируемые данные)
- Перегрузка по току / реакция якоря: При напряжении 70 Вт, 24 В PM BLDC одна только реакция якоря снизила пиковый крутящий момент на 2,8% и снизила плотность потока в воздушном зазоре на 5,59 мТл / ампер от холостого хода до полной нагрузки (Upadhyay & amp; Rajagopal, IEEE PEDES 2006). При токах срыва (во много раз превышающих номинальные) эффект намного больше и может стать постоянным.
- Термическое размагничивание: Магниты NdFeB и SmCo имеют отрицательный коэрцитивный тепловой коэффициент, поэтому риск размагничивания наиболее высок при максимальной рабочей температуре (ScienceDirect, J. Magn. Магн. Матер., 2020). Как только рабочая точка опускается ниже колена кривой B–H, магнитный поток — и kT — не восстанавливается.
Вот почему двигатель, который неоднократно подвергался “короткому замыканию” или заглохал, постоянно теряет крутящий момент; смотрите наше пояснение о том, что происходит при коротком замыкании двигателя постоянного тока.
Там, где потеря крутящего момента двигателя постоянного тока имеет наибольшее значение,
режим доминирующего отказа отслеживает рабочий цикл и окружающую среду. Знание основного риска вашего приложения сокращает диагностику.
| Применение | Основной риск потери крутящего момента | На что обратить внимание |
|---|---|---|
| Автомобильная промышленность (стекла, сиденья, дворники) | Заглохание / заклинивание → отключение от перегрузки по току | Ток заблокированного ротора в зависимости от пиковой мощности |
| Робототехника и AGV-системы | частый запуск-остановка, трение коробки передач | Смазка коробки передач, нагрев в рабочем цикле |
| Медицинские и лабораторные инструменты | Качество коммутации, низкий уровень шума, | стабильное напряжениеT, чистая коммутация |
| Электроинструментов и дронов | Высокий ток, класс защиты от перегрева | магнитов, вентиляция, ограничение тока |
| конвейеров и автоматизации | Длительная перегрузка, контроль тепловой | нагрузки, класс изоляции |
Роботизированные шарниры, в частности, зависят от редуктора для увеличения крутящего момента двигателя; слабый двигатель каскадом распространяется на всю руку — наша статья о том, почему роботизированным рукам нужны редукторы скорости, объясняет соотношение крутящего момента и скорости.
Руководство по выбору: Как определить двигатель постоянного тока, который не потеряет крутящий момент
Если диагностика указывает на замену, подберите размер нового двигателя, чтобы потеря крутящего момента никогда не стала жалобой на месте эксплуатации.
- Соответствие напряжению и типу: подтвердите PMDC, серию, шунт или BLDC, а также полярность / диапазон питания.
- Измерьте крутящий момент с запасом: выберите номинальный крутящий момент, по крайней мере, в 1,3–1,5 раза превышающий наихудшую нагрузку, а не среднюю. Крутящий момент при остановке / блокировке ротора должен превышать пусковую нагрузку.
- Бюджет на повышение температуры: выберите класс изоляции / магнита, при котором мощность обмотки не превышает допустимых значений IEC 60034-1 в вашем рабочем цикле; добавьте вентиляцию или увеличьте рамку, если двигатель сильно нагревается.
- Правильно установите ограничение тока привода: для BLDC установите ограничение на ~ 1,2–1,5 × номинальный ток для короткого запаса перегрузки — слишком низкий, и крутящий момент падает под нагрузкой.
- Выбирайте марку магнита в зависимости от температуры: NdFeB для высокой плотности потока; убедитесь, что точка колена остается выше вашей максимальной рабочей температуры, чтобы избежать размягчения.
- Подберите монтажный фланец: IEC B5 / B14 или NEMA C-образный, чтобы он вставлялся в существующее крепление — смотрите наше Руководство по монтажу фланца двигателя.
Распространенные технические ошибки, приводящие к потере крутящего момента,
| Ошибка | Почему крутящий момент стоит дороже |
|---|---|
| Превышение номинального пикового / импульсного тока | Размагничивание постоянного магнита — kT никогда не восстанавливается |
| Недостаточный источник питания или длинные тонкие провода | Падение напряжения на клеммах → Ia ↓ → T ↓ (T примерно пропорционально V) |
| Игнорирование нагрева в рабочем цикле | Двигатель слабый только в горячем состоянии; проходит испытания на холодном стенде |
| Неправильный угол Холла (60 ° против 120 °) на BLDC | Неправильный выбор времени переключения → слабый пусковой момент |
| Чрезмерная или недостаточная смазка двигателя-редуктора | Перетяжка смазки увеличивает крутящий момент нагрузки и снижает мощность вала |
| Считывание пускового тока как неисправности | Ток остановки V t / R a является нормальным при запуске; маскирует реальную проблему |
| Определение размера только по номинальному крутящему моменту | Нет запаса на пуск / перегрузку → хроническое “слабое” ощущение |
Таблица устранения неполадок при потере крутящего момента двигателя постоянного тока (проблема → Причина → решение)
| Проблема | Вероятная причина | Решение |
|---|---|---|
| Слабый или отсутствующий крутящий момент при запуске | Низкое напряжение питания, размагниченные магниты, разомкнутая обмотка, заедший подшипник | Измерьте напряжение t на клеммах; проверьте магнит kT; проверьте обмотку R; отключите вал. |
| Крутящий момент падает только при прогреве. | Тепловой дрейф: Ra ↑, kT ↓ | Разрешите охлаждение; уменьшите нагрузку; улучшите класс изоляции / магнита. |
| Слабый только под нагрузкой, полностью разряженный. | Слишком низкий предел тока привода или реальная перегрузка. | Увеличьте предел тока до 1,2–1,5 номинального; уменьшите нагрузку. |
| Высокая скорость холостого хода, но низкий крутящий момент. | Постоянное размагничивание | Подтвердите с помощью теста обратной ЭДС / k T на паспортной табличке; замените магниты или двигатель |
| Прерывистый слабый крутящий момент | Неплотное соединение, тепловое отключение, загрязненный коллектор | Подтяните клеммы; проверьте ограничение тока; очистите / восстановите поверхность коллектора |
| Крутящий момент уменьшается с течением месяцев | Постепенный демонтаж, износ подшипников, потеря щеток | Замените щетки / подшипники; повторно смажьте; повторно намагнитьте или замените |
| Новый двигатель неисправен из коробки | Неправильный номер детали, неправильный угол Холла, неправильная настройка привода | Проверьте спецификацию; установите 60 ° / 120 °; сопоставьте параметры привода |
Для полной последовательности диагностики (включая тесты изоляции и обратной ЭДС) воспользуйтесь нашим руководством по устранению неполадок двигателя постоянного тока.
Часто задаваемые вопросы
Снижает ли низкое напряжение крутящий момент двигателя постоянного тока?
ДА. Крутящий момент следует за T ≈ kT·(Vt − Eb)/Ra, таким образом, более низкое напряжение на клеммах означает меньший ток якоря и, следовательно, меньший крутящий момент. Двигатель со слабым питанием или длинной тонкой проводкой будет чувствовать себя вялым и медлительным, особенно под нагрузкой, потому что напряжение на клеммах падает при подаче тока.
Может ли двигатель постоянного тока постоянно терять крутящий момент?
Да — если постоянные магниты размагничиваются из-за продолжительной перегрузки по току или чрезмерного нагрева, постоянная крутящего момента kT падает и не восстанавливается. Единственными исправлениями являются повторное намагничивание магнитов (что редко практично) или замена ротора / двигателя. Вот почему пиковые токи и токи остановки должны соответствовать номинальным значениям, указанным на заводской табличке.
Сколько крутящего момента затрачивает на нагрев двигатель постоянного тока?
Существенный. При задокументированном напряжении 24 В постоянного тока повышение температуры обмотки с 25 ° C до 125 ° C снижает постоянный крутящий момент примерно на 20%, а крутящий момент при заблокированном роторе – с ~ 2,9 Нм до ~ 1,65 Нм, что примерно на 43% снижает крутящий момент остановки. Нагрев повышает сопротивление обмотки и одновременно ослабляет магниты.
Почему мой BLDC теряет крутящий момент после остановки?
Ток остановки равен V t/Ra и может во много раз превышать номинальное значение. Длительная остановка приводит к перегреву обмоток и размагничиванию магнитов, а большинство приводов BLDC также накладывают ограничение по току, которое ограничивает крутящий момент. Многократная остановка – самый быстрый путь к постоянной потере крутящего момента.
Как проверить двигатель постоянного тока на размагничивание?
Сравните его фактические характеристики с паспортной табличкой: размагниченный двигатель демонстрирует высокую скорость холостого хода при низком крутящем моменте, а также пониженную постоянную обратной ЭДС (вращайте его как генератор и измеряйте V на 1000 об / мин) и пониженную постоянную крутящего момента kT. Мегаомметрический тест (IEEE 43) проверяет обмотку; demag подтверждается падением крутящего момента / обратной ЭДС, а не изоляцией.
Отличается ли потеря крутящего момента в щеточных двигателях постоянного тока от бесщеточных?
Физика магнита (T = k T · Ia) идентична, но двигатели с щеткой также теряют крутящий момент из-за трения щеток и износа коллектора, в то время как бесщеточные двигатели теряют его из-за ограничений тока привода и ошибок датчика Холла / синхронизации. Потеря крутящего момента двигателя с щеткой обычно является механической и подлежит ремонту; BLDCs часто находится в настройках контроллера.
Почему стоит выбрать Greensky для замены двигателей постоянного тока и движения?
Когда потеря крутящего момента указывает на замену, а не на ремонт, Greensky поставляет полный ассортимент двигателей постоянного тока — двигатели PMDC, щеточные и бесщеточные (BLDC), а также встроенные редукторные двигатели , выполненные в соответствии с размерами IEC 60034 и NEMA MG 1, поэтому они устанавливаются в существующие крепления. Для бригад технического обслуживания и закупок мы предоставляем:
- Документированные константы крутящего момента: паспортную табличку kT, момент остановки, номинальный ток и класс изоляции, чтобы ваши исходные данные были понятны с первого дня.
- Тепловой запас: Варианты изоляции классов F и H и марки магнитов выбираются с учетом температуры вашего рабочего цикла, а не только средней по каталогу.
- Совместимость с фланцами: IEC B5 / B14 и NEMA C-лицевая поверхность с индивидуальными контрольными диаметрами — смотрите наше руководство по фланцам двигателя.
- Матовый или BLDC: выбирайте простоту механической или электронной коммутации с соответствующими датчиками Холла и приводами.
- OEM / ODM с низким MOQ: небольшие партии для программ запасных частей и пользовательских конфигураций вала / энкодера.
для чтения по теме
- Что такое двигатель постоянного тока? Типы, принцип действия и формулы
- как устранить неисправность двигателя постоянного тока: пошаговое руководство
- почему двигатели с щеткой искрят? Причины и исправления
- Как закоротить двигатель постоянного тока (торможение при коротком замыкании)
- Недостатки двигателя BLDC, которые должны знать инженеры
- Что такое фланец двигателя? Монтаж по стандарту IEC против NEMA
- Двигатель переменного тока или двигатель постоянного тока: какой выбрать
- коробка передач или мотор—редуктор: различия и выбор
- синхронный двигатель или асинхронный двигатель: ключевые различия
- зачем манипуляторам-роботам нужны редукторы частоты вращения
Ссылки
- IEC 60034-1 – Вращающиеся электрические машины: номинальные характеристики (температурные классы, определения крутящего момента). webstore.iec.ch/publication/67467
- IEC 60034-30-1 — Классы эффективности вращающихся электрических машин (IE1–IE5). webstore.iec.ch/publication/67784
- NEMA MG 1 — Двигатели и генераторы (безопасность, теплотехника, монтажные размеры). nema.org/standards/view/mg-1-motors-and-generators
- IEEE 43-2013 — Рекомендуемая практика тестирования сопротивления изоляции вращающихся механизмов. standards.ieee.org/ieee/43/4385
- IEEE 112 — стандартная процедура тестирования многофазных асинхронных двигателей и двигателей постоянного тока (методы потерь и обратной ЭДС). standards.ieee.org/ieee/112/4213
- Министерство энергетики США — Определение эффективности электродвигателей и руководство по ремонту. energy.gov/eere/amo/articles/determination-electric-motors
- SKF — Техническое обслуживание подшипников и смазка электродвигателей. skf.com/us/products/maintenance-products/bearing-maintenance
- Хейдон Керк Питтман — Влияние температуры на производительность двигателя постоянного тока (модель с постоянным тепловым моментом). haydonkerkpittman.com/learningzone/whitepapers/temperature-effects-on-dc-motor-performance
- Техническая информация FAULHABER — DC-Motors (коэффициенты kM, kE, α, момент остановки). faulhaber.com/en/technical-information
- maxon — Инструкции по коммутации двигателей постоянного тока и их применению. maxon.com/en-us/technologies/tech-papers
