直流电机设计开发培训资料

1、Page 1 of 12、馬達型號介紹、微型 DC 馬達之應用一般地,微型 DC 馬達的使用範圍相當之廣泛 .根據其使用用途 ,大致可分為以下幾方面成品類別用途XX 型號“M ”社型號影音方面CD 機LOADINGSLEDSPINDLE汽車 CD加載光頭循跡主軸CD 隨身聽光頭循跡主軸錄像機加載攝像機加載DVD 播放機加載光頭循跡主軸汽車用馬達后視鏡門鎖前燈調節器家用電器、 個人護理風筒風梳剔須刀剪發器電動牙刷按摩器血壓計吸塵器辦公自動化 儀器打印機復印機電動工具電鑽、樹枝修剪器玩具 / 遙控 模型電動火車、遙控飛機、游戲 機手摯、電動貓、機器人三、成品編號系統四、DC 馬達性能曲線圖之理解方

2、法4.1 從 DC 馬達之性能曲線圖 ,可確定在不同工作點上之馬達性能 ,現簡述其專用符號No: 空載轉速 (rpm)Ts:堵轉力矩 (g.cm)Page 2 of 12Io: 空載電流 (A) P:輸出功率 (W) :效率 (%)4.2 DC 馬達性能曲線圖Is: 堵轉電流 (A)Pmax:最大輸出功率 max:最大效率4.2.1轉速曲線與電流曲線作為 DC馬達性能特性 ,力矩(T)與轉速 (N)/電流(I)為直線關係 .轉速 線從空載轉速 (No)下降至堵轉力矩 (Ts)零點,電流(I1)則從 Io 開始增大達堵轉最大電流 (Is).4.2.2 輸出功率曲線Page 3 of 12輸出功率

3、曲線理論上是 2 為功率最大 ,並中心對稱任意一點輸出功率方程為:P(W)N(rpm) T(g.cm)975004.2.3效率曲線 :100%(%)P(輸出功率 /W)(%) V I( 輸入功率 /W)4.3 性能曲線圖判定其工作點性能方法a） 當力矩已知時 ,在橫軸力矩點上劃作垂直線 ,在與 N,I, 相交點取各數值 .b） 當力矩為未知值時 ,先用電流表量出馬達動作時之工作電流 ,並將該值點上電流線上 以該點劃出垂直線和力矩刻度為其工作點力矩 ,其餘數值同 a）方法找出 .五、直流馬達的性能調節V端子電壓 ;R 馬達電阻 ;5.1 改變馬達端子電壓調節性能5.2 改變馬達電阻調節性能5.3

4、 改變馬達磁力強度調節性能下面就此三種方式對馬達性能的影響進行簡要的分析 :5.1 改變馬達端子電壓調節性能5.1.1 如果供電電源是恆壓電源 ,那麼改變馬達端子電壓 ,則馬達機械特性曲線 （即速度曲線 ）將平行移動 .改變電壓前後的馬達空載轉速比 ,堵轉扭力比 ,堵轉電流比均與電壓比成正比 ,而空載電流可近視認為相等。No No VVI o IoI s Is VVT s Ts VV最高效率 max max注以上電壓的改變量須在馬達性能的承受的範圍內5.1.2 如果供電電源為非恆電源 （如電池 ）,由於其存在一定的內阻 ,當有電流通過時 ,電源內部將存在一定的壓降V （Io r） N o No

5、VI IoVPage 4 of 12IsTsIsN o, No 空載轉速 r電源內阻R馬達電阻V電源電壓Ts,Ts 堵轉扭力I s,Is 堵轉電流5.2 改變馬達電阻調節性能 改變馬達電阻調節性能為以下三種情況A. 改變線圈匝數調節性能B. 改變漆包線線徑調節性能C. 改變線圈匝數及漆包線線徑調節性能5.2.1 改變線圈匝數調節性能 空載轉速比與線圈匝數比成反比 N o No T T,T 線圈匝數 空載電流比T 與線圈數比成反比I o IoT 馬達電阻比與線圈匝數比成正比TR o RoT 堵轉電流比與線圈匝數比成反比I s Is堵轉扭力T相等Ts Ts5.2.2 改變漆包線線徑調節性能 馬達空

6、載轉速 若no no若no no, 漆包線線徑馬達空載電流可近視認為相等Io I o馬達堵轉電流比與線徑比平方成正比I s Is ( )2馬達堵轉扭力比與線徑比平方成正比T s Ts ( )25.2.3 改變線圈匝數及漆包線線徑調節性能T s Ts馬達空載轉速比與線圈匝數比成反比 ,馬達空載電流比與線圈匝數比成反比N o No TTI o Io TTT,T 線圈匝數 馬達堵轉電流比與線圈匝數比成反比與漆包線線徑比成正比I s Is T ( )2, 漆包線線徑TPage 5 of 12馬達堵轉扭務比與線徑平方比成正比Ts Ts （ ） 2 注:調節線歸前後須考慮槽滿率及線高須接近5.3 改變磁力

7、調節馬達性能 改變磁力調節馬達性能可分為以下三種情況A. 改變磁石類型調節馬達性能B. 增加導磁環對馬達性能影響C. 換向器扭角或端子扭角對馬達性能影響5.3.1 改變磁石類型調節馬達性能 馬達空載轉速比與磁石磁力成反比 No No EcEcEc,Ec 鐵殼Ec值（磁力越強鐵殼 Ec值越大） 馬達空載電流比與磁石磁力越大成反比EcI o Io Ec馬達堵轉Ec電流相等I s Is 馬達堵轉扭力比與磁石磁力成正比Ts Ts Ec5.3.2 導E磁c 環對馬達性能的影響為了防止磁力外漏 ,充分利用磁石的磁力,在馬達上加有導磁環 .漏磁系數 a 與導磁環的厚度有關.一般說有無導磁環的馬達性能的大約有

8、812%的變化 .下面以無導磁環的馬達性能推算有導磁環的馬達性能 .馬達空載轉速N o No/a a 鐵殼漏磁系數馬達空載電流1I o Ioa馬達堵轉電流I s Is馬達堵轉扭力Ts Ts a5.3.3 換向器扭角或端子扭角對馬達性能的影響由於電柩反應使馬達氣隙磁場發生畸變 .使氣隙磁場物理中性線 （ 在馬達氣隙磁場中表示磁 密為零的線稱為物理中性線 ）相對幾何中性能偏移 a 角 .因此對電動機來說適當扭角可減小 火花、電氣噪音又可增加電動機壽命 ,不同的扭角對馬達的性能影響不同。例如端子逆轉向 扭角或換向器順轉向或扭角 10,則馬達空霬轉速會提高約 5%,扭角 12會提高約 6%,扭角 15

9、會提高約 8%,但扭角有可能是馬達的堵轉扭力減小Page 6 of 12六、馬達的基本構造1.直流馬達的基本構造 ,由以下三要素構成 :A. 產生磁場部分 ; B.電流流過部分 ; C.機械轉動輸出部分 大型直流馬達產生磁場部分的 A 其形狀是鐵心上繞線圈的電磁石 ,而小型直流馬達則使用永久磁石 電流流過部分 B 的構成 端子 電刷 換向器 電刷端子.換向器與線圈隨轉動角度不同 ,而轉動電流的流動方向來得到連續轉動 .在此情況下 ,磁場中 ,為更加有效地取得電流作用產C 的轉動的機械輸出 .生的力矩 ,通過使用軸與軸承亦即上述 具體的馬達構成如下 :成品馬達組 裝 鐵殼1.鐵殼2.磁石3.磁石

10、彈弓4.含油軸承1.換向器2.軸枝轉子組件3.芯片4.漆皮線5.絕緣蓋 /涂敷膠粉蓋6.絕緣介子7.銅環8.止油介子9.調整介子10.壓敏電阻 （D/V）4.阻尼器5.端子2.電刷座3.電刷 （碳精）1.鐵蓋組 裝 膠 蓋 住1.膠蓋2.電刷（碳精 ）3.端子4.阻尼器5.含油軸6.含油軸承七、馬達零件結構特性及使用情況序號零件名稱性能及特點使用注意事項1-1鐵殼（鍍鋅鐵板）a. 保持杯士和磁石產生磁路b. 馬達內部保護 ,馬達安裝時 之基準c. 組裝膠 （鐵）蓋之固定作用1 殼體必須滿足規格值（Ec 之偏差 =磁石之偏差 ） 2 外觀無刮花 ,臟污及變形 3 杯士面的平面度以及頂磁位的 深度

11、和高度要滿足要求 .Page 7 of 121-2磁石可分為 :a. 等方性鋇系鐵氧體b. 異方性 （幹式）鐵氧體 c. 異方性 （濕式）鐵氧體 d. 橡膠磁石e. 釹鐵硼磁石a. 保持磁力 ,轉子繞線圈內電 流流過時 ,產生使轉子旋轉 所需的磁場 .b. 燒結磁石易破損 ,缺口 .c. 外觀無凸起和披鋒 .d. Ec 值要滿足馬達的性能要求. 關於 Ec 值:將未磁石組裝後再 充磁,Ec 是指馬達受外部驅動1 要檢查磁石外觀不要充磁後有 裂紋和缺口 .2 不要有雜物混入磁石內 .3 尺寸要滿足設計要求 ,否則對馬 達性能有影響 .1-3 磁石彈弓 （硬鋼線）1-4含油軸承1. 燒結含油軸承

12、銅系合金 鐵系合金 銅鐵合金2.滾珠軸承2-1 換向器整體式換向器組裝換向器1.銅片2.換向器膠芯EC 值高EC 值低繞線圈數多少磁石磁力強弱芯片積厚多少鐵殼厚薄相位中性偏角而產生的逆感應電壓 ,充磁後 組裝鐵殼中再將標準轉子裝入 後測量逆感應電壓 （參考 ）a. 將磁石固定於鐵殼上 . b. 有的馬達要兩個彈弓定位（F137, 138 馬達等）a. 潤滑油之含量和保持 .b. 支承軸芯 ,使軸枝獲得良好 潤滑 ,減少機械損耗 .c. 降低機械噪音 .d. 對大功率高轉速馬達 ,須使 用滾珠軸承 ,否則易燒壞軸 枝.a. 將電刷提供之電流按一定 方向提供給繞線之機構 （整 流機構 ）b. 換向

13、器種類1.組裝換向器 :由換向器銅 片,換向器膠芯和換向器介 子組裝而成 .2.整體式換向器 （換向器銅 片與樹脂成型為一體的換 向器）:接線方式有鉤型和槽 型 ,接線部位鍍錫 .換向器銅片材質 : a.銅合金:單純板電刷用在換向 器上使用潤滑油 ,用 碳精時不可加潤滑 油.b.貴金屬合金 :主要按爪式電刷 設計.在保持換向器銅片位置的同 時,與軸芯 ,芯片和漆包線絕緣 作用.1 必需具有彈性 ,且彈力要滿足要 求.2 切斷位不能有披鋒 .3 R”處形狀要滿足設計要求 .1 要檢查軸承的含油率是否滿足 要求.2 軸承的孔徑與軸枝配合 .3 有的馬達對軸承油有特別要求 , 在選用時特別留意 .4

14、 鐵殼端軸承外 ,可加軸承油 ,但 如果是碳精 馬達 ,後蓋的軸承外 不能在後蓋處加軸承油 .1 車削後的圓度 ,光潔度及段差要 滿足要求.2 組裝換向器用於低輸出 ,要求不 高之電機 .3 整體式換向器用於輸出功率較 大的小電機 .4 整體式換向器的銅片材料 :無氧 銅,DC 和 DG 銅合金和低銀無 氧銅 CuAgC3%等.1 控制圓度和段差 .2 在此銅片不能有指紋和汗水 .3 不得使用指定油以外之油 .4 包裝狀態下 ,因塗有保護油 ,不 得輕易清洗 .1 維持銅片之真圓度對尺寸精度 有較高要求 .2 為防止相位角度變化 ,用凸台定 位在壓入軸芯和芯片時要壓到 底.3 膠芯不得有披鋒

15、.3.換向器介子2-2軸枝 高碳鋼加鍍層軸枝 不銹鋼軸枝（無方向性電磁鋼板 ）2-3芯片2-7 轉子銅環將銅片固定在換向器膠芯上 .a.機械能量傳送到外部b.軸枝是電機電樞的回轉中心 , 是電樞零件的主聯接件 c.軸枝是定子 ,轉子的聯接件同 殼,蓋的軸承存在高精度滑動 配合d.可裝在軸枝上之部品 :1 齒輪2 滑輪3 偏心輪 a.保持繞線 ,並通過繞線中場電 流產生磁力 ,產生具有旋轉力 之磁場通道 . b.芯片通過積厚形成鐵芯 . c.電磁鋼板是在外部磁化方向 作用下易於改變之材料 ,一般 稱之為矽鋼片 .d.有的為了馬達的特性 ,芯片厚 度要改薄 .密度結晶Hysteresis損=低磁束

16、 e.鐵損漩渦電流損 =芯片積 厚 Si 含有量 a.有電流通過時 ,產生磁力 ,使 磁力轉換為轉動力 . b.線徑與圈數之關係是 : 單位面積之電流越大 ,轉動力 就越大.1 電流與線徑成正比2 感應電動勢與圈數成正比 c.繞線之絕緣等級 （耐熱 ）1 UEW 銅線 120（E 級絕 緣）2 PEW銅線 155 （F級絕緣） 3 PIW 銅線 180（H 級絕緣 ） 4 其他如 AIW 等一般情況 下 ,耐熱壽命為 20000hrs. d.絕緣皮膜越薄 ,氣孔及其它缺 陷越易發生 .a. 為防止芯片 ,軸與線圈接觸 時碰傷漆皮線引起短路 , 要 保護電線的絕緣皮膜的同 時 ,還需固定銅頭 .

17、b. 鐵芯絕緣另外一種方法 : 使 用塗敷膠粉 .為防止轉子銅環與漆皮線發生 短路 ,需進行絕緣保護 .a. 固定轉子位置 ,保證軸向間Page 8 of 121 .必須壓到銅片之根部 ,不得與電刷接觸 . 在拋光時 ,磨光帶不 能接觸介子 .2 介子無披鋒 .1 根據馬達性能不一樣 ,對軸枝的圓 度和硬度 .2 同軸承的滑動配合 ,決定了軸枝 的高光潔度及高直線度要求 .3 針對不同客戶的使用環境 ,軸枝 還要有相應的抗磨能力 ,即環境 實驗.4 對鍍層的軸需控制鍍層的厚度 .1 有的鐵芯要清洗 ,注意保存地 點,不要生銹 .2 芯片不要移位 .3 減少漩渦電流 ,降低鐵損 .在選 料時,注

18、意成本 ,加工性及強度 等問題.1 繞線圈數表示 :例:08550 表示線 徑 0.08,繞線圈數為 550 圈（相 對一極而言 ）2 線徑越粗 ,電流越大 線圈數越多 ,感應電動勢 Ec 就 越大3 絕緣皮膜厚度有 0級,1 級,2級 例:UEW-2表示UEW 銅線第2種 皮膜厚度 0級1 級2 級4 在繞線時 ,一定要控制繞線張力 及繞線夾具是否使漆皮線脫皮 繞線注意:（a）.繞線位置 ,狀態（b）.挂線接觸狀態 （c）.銅鉤與漆皮線的碰焊電流和 時間要控制 .1 在加絕緣蓋時 ,要注意位置不能 偏角.2 絕緣蓋不能變形 ,破裂 ,否則易 卡線及斷線 .3 塗敷時鐵芯要清洗 .4 塗敷層強

19、度及厚度 .5 檢查塗敷層的邊緣覆蓋率 .1 不要將此介子搞進轉子芯片槽 內.2 介子破損不能使用1 表面要平滑 ,無傷痕 ,披鋒.Page 9 of 12（ 銅系合金 ）a. 軸方向 （軸向力）之軸向間 隙調整.b. 接受軸方向的負荷 .c. 保持潤滑性 ,減少軸向力產 生的阻力的機械損失 .隙 （軸向虛位 ）b. 為防止轉子因外力作用下 間隙發生變化 ,對銅環的推 出力有要求 .一般情況: 轉子銅環之軸向力耐壓強度 軸徑耐壓強度（min） 1.5 5kg 2.015kg 2.317kg 3.1735kg 5.035kg防止軸承流出的潤滑油進入換 向器內,造成槽間短路.2 對壓入銅環的夾具及

20、氣壓要求 穩定,否則易造成深淺不一及傾 斜 . 造成馬達芯跳不良 .3 需檢查銅環的垂直度1 壓入銅頭端的最底部2 止油介子與軸芯的密接性3 使用一次後 ,不能再用第 2 次1 保護潤滑油 ,降低機械噪音2 注意加介子的厚度及個數 ,不要 相混.2-10 壓敏電阻 D/Va. 吸收因碳刷與銅頭整流作 用引起的火花 .b. 降低電氣雜音c. 延長馬達壽命d. 壓敏電壓 E10溫度系數小 .e. 耐焊接性好 ,焊接後 E10 變 化率小 ,伏安特性無方向性a. 2 種類型 合成樹脂成形後之膠蓋 鋼板衝壓成形後之鐵蓋再 與電刷座鉚接 保持軸承和介子a. 固定端子和電刷b. 保護馬達內部c. 決定外觀

21、尺寸 ,製造外觀美1 馬達使用電壓不能超過 D/V 的 E10值.2 應避免過度熱衝擊 ,建議焊接 時:a. 採用低溫焊接 ,使用鴨嘴烙鐵 , 功率小於 25W,溫度不高於 300 .b. 最好使用自動恒溫烙鐵 ,若烙 鐵溫度高於 300時 ,產品要先 預熱 50以上 .c. 用自動焊接機 ,注意衝擊力一 般應小於 1kgf.1 合成樹脂成形品 ,特別是軸承部 因成形條件的變化易出現白化 等現象,此項要注意 .2 衝壓加工的鐵蓋容易變色 ,不可 用手直接接觸 .3 在裝入大殼內時 ,不得因自重脫 落.4 無披鋒 ,翹起,變形等5 無變色及生銹6 在乾燥不潮濕處保管Page 10 of 123-

22、2電刷座a.在鐵蓋上進行充分鉚接 ,固 定端子 ,電刷,電刷臂,使其 保持安定 .b.維持與鐵蓋的鉚接強度1 電刷壓入部 ,在固定電刷的同時 也要維持電刷間的間隙 ,對稱 度.2 鐵蓋鉚接時 ,注意鐵蓋與電刷座 間不可有間隙 .3 作業中要注意不可受到灰塵 ,垃 圾等污染.3-3電刷a.銅頭滑動部的接觸 ,向線圈內 提供電流 電刷大致可分為以下幾種 : 1 貴金屬電刷 （叉形電刷 ）:1）.為增強導電性 ,而使用貴 金屬電刷.2）.不可有油污 ,臟污 .1 電刷部與端子部的組裝強度2 碳精與電刷臂的組裝強度3 組裝小殼時 :1）.電刷間間隙管理 2）.相對於杯士中心的振動間隙 尺寸3）.優良的

23、導電性能4）.耐熱,耐腐蝕 ,耐電弧性能5）.彈性優良 （對電刷之壓力 的安定性）6）.貴金屬電刷 （叉形電刷 ）接 觸穩定性好 ,電機噪聲低 , 起動性能好 （起動電壓低 ）.2 金屬板電刷1）.板式電刷與換向器接觸部 位一般做成 23 片,以保持 接觸穩定和較低的接觸電 阻.2）.為防止因火花引起的磨 損 ,要求使用潤滑油 .3 碳精 （金屬碳精 ） 選擇碳精 ,要根據電機的工 作電壓,電機轉速和工作壽 命來選擇不同化學成分的碳 精.不同的刷體的電機始動 電壓,噪聲,壽命和轉矩大小 都有影響 .按碳精成分可為 :1）.銅石墨碳精2）.銀石墨碳精 碳精耐磨性好 ,使得電機壽 命長 ,允許電流

24、密度較大 .b.關於電刷整流 電刷通過銅頭與各極的線圈 相接觸,在旋轉時 ,由電刷的 短路開放（ON-OFF 反復進 行）,易產生火花 ,影響壽命 （金屬電刷如果與銅頭為同 一材質時 ,金屬電刷磨損將3）.軸方向的高度尺寸 =與銅頭 的接觸位置4）.電刷受壓力的平均及偏差的 穩定4 金屬電刷不可清洗 （銅頭接觸部無 變色 ,刮傷 ,披鋒 ）1 叉形電刷與換向器幾乎是線接 觸,因此不能經受大電流 .*一般應限制在 1A 以下,輸出功率 應限定在 1.5W 以下 .* 叉形電刷不完全是貴金屬電刷 , 金屬板電刷中也多為叉形 .2 在搬運過程中 ,導致電刷變形 , 變形後影響馬達的所有性能 .3 碳精不可受潮 ,有油污 =易使碳 精內含有的金屬產生氧化等不 良影響4 使用時 ,不可以用手 （未戴手套 的手 ）觸摸*低電壓高轉速電機要求碳精含 銅量高 ;*高電壓高轉速電機要求碳刷含 銅量低 ;* 低電壓低轉速 ,低噪聲電機碳精 含銅量應適中 .5 生產測量時電刷張力是很困難Page 11 of 12更快）.c.電刷張力 電刷張力是接觸在銅頭之 壓力,此壓力可高效率的提 供