簡 介： 參加全國大學生智能車競賽的學生根據實際碰到的問題提出了一個問題，在小型直流電機旁增加磁鐵會使得電機輸出扭矩減少。甚至等磁鐵去除之后，電機的性能依然降低。這個問題之前并沒有注意到，本文通過實驗測試了強磁鐵對于小型電機轉速的影響。

關鍵詞： 直流電機，強磁場

01 問題提出一、問題提出??卓大大，能不能出一篇有關強磁鐵對電機的影響，比如強磁鐵的大小，形狀，相對于電機的位置等等，因為當時我們的比賽時僅僅就在電機附近加了兩塊磁鐵，然后電機就突然速度變慢，但是程序上一點都沒有發生變化，摘掉磁鐵后依然是這種情況。本來以為是電機使用時間長了有一點點熱，但是電機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之外使用小型的磁鐵，雖然會對電機具有一定的影響，但限于電機鐵磁外殼的屏蔽對于其中的轉子影響應該不大。所以根據前面同學描述，電機力矩減弱，估計該同學在電機兩旁增加了大型強磁鐵。

為什么他們在電極附近增加強磁鐵呢，猜測他們是參加今年的節能信標組。為了能夠更好地觸發信標發光盤上的霍爾器件，所以他們使用了大型磁鐵。因此會對于電機產生較大的影響。

02 實驗測試一、問題復現??問題復現，也就是驗證一下外部的磁鐵究竟是否能夠影響電機的運行。下面對于電機空載轉速進行測量，觀察外部磁鐵對于轉速的影響。

1、實驗條件

（1） 測試電機

使用在智能車競賽車模中所使用到的小型直流電機。銘牌電機型號：R41-35050SLD-65。

（2） 轉速測量

為了測量電機轉速的變化，使用了 反射式紅外光電管 ITR8307［1］ 對準電機的輸出轉軸。由于在電機的轉軸有扁平面，利用它不對稱的反射特性，可以測量反射光線的周期變化。該周期變化的頻率等于電機轉速。

反射光電管外部測量電路如下圖所示：

當點擊轉動時，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 數字萬用表的測量頻率功能，可以直接讀出該波形的頻率。

2、測量結果

（1） 普通空載

在電機外部沒有增加磁鐵，只是固定在鐵質的老虎鉗之內。

● 測量結果：

電機電壓：5V

工作電流：0.338A

平均值：300.92Hz

方差：1.354

（2） 電機外部增加強磁鐵

在電機外部增加小型磁鐵。電機的轉速僅僅發生少量的變化。

▲ 圖4.5.2.0.0 電機外部增加小型磁鐵

為了增加磁鐵對于電機轉速的影響，外部增加大型磁鐵。

分別測量磁鐵在兩個不同的位置對應的轉速。

● 測量結果：

平均轉速：297.3Hz

方差：8.406

● 測量結果：

平均轉速：276.43Hz

方差：2.184

改變外加磁場的極性，也就是將外部磁鐵反向之后重新疊加在電機上。此時電機的轉速明顯出現了抖動。抖動的周期大約為0.1s。

● 測量結果：

平均轉速：298.32Hz

方差：2.642

3、電機工作電流

（1） 無外加磁場

（2） 增加外加磁場

二、小型電機??在前面測試中，雖然電機收到外加強磁鐵的影響轉速與穩定性都受到了影響，但是當磁鐵撤除之后點擊恢復了正常。下面使用更小的直流電機測試。

1、電機外觀

這款電機是從一個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，便于光電管測速。

2、測量結果

（1） 外部沒有強磁場

● 測量結果：

平均轉速：183.62Hz

方差：0.417

電流：0.12A

工作電壓：+5V

（2） 外部增加強磁鐵

● 測量結果：

工作電壓：5V

工作電流：0.40A

平均轉速：160.9Hz

方差：0.9826

將外部磁鐵去掉，小型電機的轉速以及工作電流就恢復到原來的數值。

3、小型單車貼在磁鐵表面

為了避免鐵質的固定鉗對于電機的影響，小型電機直接貼在磁鐵表面。此時施加+5V的工作電壓。此時工作電流上升到0.8A左右。比起原來工作電流增加了很多。

對比中型的直流電機直接貼在永磁鐵的外邊，對應的工作電流也會增加，工作電流增加到0.36A。

將小型電機固定在磁鐵與臺鉗之間， 此時空載電流在1.11A，使用手觸碰電機輸出軸，電機很容里停止。說明電機的輸出平均轉矩急劇下降。

在電機運行兩分鐘左右，電極表面的溫度已經明顯升高了。

將磁鐵去除之后，小型電機的空載電流為：0.23A左右。這個數值比起實驗之前大了一倍。

※ 實驗分析 ※一、實驗結果??根據初步測試結果可以看到，大型強磁鐵對于小型直流電機的轉速是有影響。特別是對于微型電機影響更大。

對于普通直流電機的空在轉速影響不太明顯，而且在磁鐵去除之后電機性能回復。

對于微型直流電機，強磁鐵甚至會使得電機無法直接啟動。電機啟動之后，空載電流會增加 5 ~ 10 倍。在磁鐵去除之后，電機的工作空載電流還是會提升一倍左右。

二、問題分析??根據上面實驗結果，可以初步對前面同學所提出的現象進行重復。那么為什么強磁場使得直流電機輸出力矩減少了呢？

初步猜測，可能的 原因主要為：

1、轉子磁路飽和

小型直流電機輸出力矩主要是由轉子磁場與定子永磁鐵磁場之間的作用力產生的。轉子磁場是由轉子線圈電流在轉子中激勵出的磁場。當外部永磁鐵產生的磁場透過電機外殼作用在轉子上，會使得轉子磁場強度增加，再疊加上線圈所激勵出的磁場，有可能達到了轉子磁鐵飽和強度。因此由線圈所激勵出的附加磁場就會減少，從而降低了轉子輸出力矩。

2、轉子齒槽效應

由于轉子本身不是一個圓柱，為了固定轉子線圈，轉子上具有齒槽。在外部磁場的作用下，轉子被磁化，這些齒槽會產生一定的齒槽力矩效應。當外部施加的電壓較小的時候，有可能轉子被吸住并不能夠轉動。只有當轉子電流增加到一定閾值，轉子電磁力矩才會大于齒槽效應使得轉子旋轉起來。

責任編輯：haq