Константа двигателя помогает в выборе двигателей постоянного тока в приложениях управления движением. Щеточные и бесщеточные двигатели постоянного тока являются хорошим выбором в приложениях с чувствительным энергопотреблением или требованиями к эффективности.

Зачастую в технических характеристиках двигателя постоянного тока или генератора указывается постоянная двигателя Km, которая представляет собой чувствительность к крутящему моменту, деленную на квадратный корень сопротивления обмотки. Большинство проектировщиков рассматривают это внутреннее свойство двигателя как эзотерическую характеристику, полезную только для проектировщика двигателя, не имеющую практической ценности при выборе двигателей постоянного тока.

Но Km может помочь сократить итеративный процесс выбора двигателя постоянного тока, поскольку он, как правило, не зависит от обмотки в данном корпусе или размере рамы двигателя. Даже в двигателях постоянного тока без железа, где Km зависит от обмотки (из-за изменений в коэффициенте заполнения медью), он остается надежным инструментом в процессе выбора.

Поскольку Km не учитывает потери в электромеханическом устройстве во всех обстоятельствах, минимальный Km должен быть больше, чем рассчитанный, чтобы учесть эти потери. Этот метод также является хорошей проверкой реальности, поскольку он заставляет пользователя вычислять как входную, так и выходную мощность.

Константа двигателя учитывает фундаментальную электромеханическую природу двигателя или генератора. Выбор подходящей обмотки прост после определения достаточно мощного корпуса или размера рамы.

Постоянная двигателя Km определяется как:

Км = КТ/R0,5

В случае применения двигателя постоянного тока с ограниченной доступной мощностью и известным требуемым крутящим моментом на валу двигателя будет установлено минимальное значение Км.

Для данного применения двигателя минимальный пробег в км составит:

Км = Т / (PIN – POUT)0,5

Мощность в двигателе будет положительной. PIN — это просто произведение тока и напряжения, при условии отсутствия фазового сдвига между ними.

ПИН = VXI

Выходная мощность двигателя будет положительной, поскольку он вырабатывает механическую мощность и является просто произведением скорости вращения и крутящего момента.

PВЫХ = ωXT

Пример управления движением включает в себя механизм привода портального типа. Он использует двигатель постоянного тока без сердечника диаметром 38 мм. Принято решение удвоить скорость поворота без изменения усилителя. Существующая рабочая точка составляет 33,9 мН·м (4,8 унций·дюйм) и 2000 об/мин (209,44 рад/сек), а входная мощность составляет 24 В при 1 А. Более того, увеличение размера двигателя недопустимо.

Новая рабочая точка будет иметь удвоенную скорость и тот же крутящий момент. Время ускорения составляет незначительный процент от времени перемещения, а скорость поворота является критическим параметром.

Расчет минимального Км

Км = Т / (PIN – POUT)0,5

Км = 33,9 X 10-3 Нм / (24 В X 1А -

418,88 рад/сек X 33,9 X 10-3 Нм) 0,5

Км = 33,9 X 10-3 Нм / (24 Вт – 14,2 Вт) 0,5

Км = 10,83 X 10-3 Нм/√Вт

Учитывайте допуски постоянной крутящего момента и сопротивления обмотки. Например, если постоянная крутящего момента и сопротивление обмотки имеют допуски ±12%, то худший случай Km будет:

KMWC = 0,88 KT/√(RX 1,12) = 0,832 км

или почти на 17% ниже номинальных значений при холодной обмотке.

Нагрев обмотки еще больше снизит Km, поскольку удельное сопротивление меди возрастает почти на 0,4%/°C. И чтобы усугубить проблему, магнитное поле будет ослабевать с ростом температуры. В зависимости от материала постоянного магнита, это может достигать 20% при повышении температуры на 100°C. 20% ослабление при повышении температуры магнита на 100°C характерно для ферритовых магнитов. У неодима-бора-железа этот показатель составляет 11%, а у самария-кобальта — около 4%.

Интересно, что для той же механической входной мощности, если цель — эффективность 88%, то минимальный Км увеличится с 1,863 Нм/√Вт до 2,406 Нм/√Вт. Это эквивалентно тому, что сопротивление обмотки будет таким же, но постоянная крутящего момента будет на 29% больше. Чем выше желаемая эффективность, тем выше требуемый Км.

Если в случае применения двигателя известен максимальный доступный ток и наихудшая нагрузка крутящего момента, вычислите наименьшую допустимую постоянную крутящего момента, используя

КТ = Т/И

После нахождения семейства двигателей с достаточным Km выберите обмотку, которая имеет константу крутящего момента, немного превышающую минимум. Затем начните определять, будет ли обмотка, во всех случаях допусков и ограничений применения, работать удовлетворительно.

Очевидно, что выбор двигателя или генератора путем предварительного определения минимального значения Km в чувствительных к мощности двигателях и генераторах с высокими требованиями к эффективности может ускорить процесс выбора. Следующим шагом будет выбор подходящей обмотки и обеспечение приемлемости всех параметров применения и ограничений двигателя/генератора, включая соображения по допускам обмотки.

Из-за производственных допусков, термических эффектов и внутренних потерь всегда следует выбирать Km несколько больше, чем требуется для конкретного применения. Необходим определенный запас свободы, поскольку с практической точки зрения не существует бесконечного числа вариантов обмотки. Чем больше Km, тем более снисходительно он удовлетворяет требованиям конкретного применения.

В целом, практические КПД выше 90% могут быть практически недостижимы. Более крупные двигатели и генераторы имеют большие механические потери. Это связано с потерями в подшипниках, ветровыми потерями и электромеханическими потерями, такими как гистерезис и вихревые токи. Двигатели щеточного типа также имеют потери от механической коммутационной системы. В случае коммутации драгоценными металлами, популярной в двигателях без сердечника, потери могут быть чрезвычайно малыми, меньше потерь в подшипниках.

Двигатели и генераторы постоянного тока без сердечника практически не имеют потерь на гистерезис и вихревые токи в щеточном варианте этой конструкции. В бесщеточных версиях эти потери, хотя и низкие, существуют. Это происходит потому, что магнит обычно вращается относительно заднего сердечника магнитной цепи. Это вызывает потери на вихревые токи и гистерезис. Однако существуют бесщеточные версии постоянного тока, в которых магнит и задний сердечник движутся в унисон. В этих случаях потери обычно низкие.