Expert Blog
DC 馬達發電機


有刷和無刷 DC 馬達可以作為發電機使用。然而,在設計驅動模組時需要注意幾個重點。
不時有人問我,maxon DC 馬達是否適合被用作為發電機。由於我們的馬達效率非常高,因此在作為發電機運行時也是如此。轉速和電壓之間與電流與轉矩之間的基本計算非常簡單。以下是幾個成功選擇的規則。
DC 還是 AC 電壓?
規則 #1:若要產生 DC 電壓,應選擇有刷 DC 馬達或配備電壓整流器的電壓無刷 EC (BLDC) 馬達。若要產生 AC 電壓,則應選擇無刷 EC 馬達,並只連接 2 相。無刷馬達不需要霍爾感應器。
速率常數 kn
許多發電機在轉速 1000 rpm 或以下運行。這對小型馬達來說是相當低的速率。要在轉速 1000 rpm 之下產生 10 V 或更高的電壓,僅需要 100 rpm/V 或更小的速率常數。這樣的線圈在 maxon 的產品組合中很難找到。只有少數幾款大型馬達上的高電阻線圈可以滿足這項要求。較小型馬達的速率常數較高。
規則 #2:在不考慮負載的情況下,線圈的速率常數應為 kn < n/u 或更低。可以採用減速機來提升馬達轉速(見下文)作為替代方案。
電阻
規則 #2 需要高發電機常數的馬達。不幸的是,這些線圈的電阻也是最高的。高電阻會在負載時降低輸出電壓,而輸出電壓會變得對負載電流非常敏感。
規則 #3:若要在特定負載範圍內保持穩定的輸出電壓,應優先選擇較大的馬達,即使高發電機常數馬達上的電阻較低。
從這個角度來看,EC-i 40 高轉矩馬達是值得關注的產品。
功率限制
切勿單從功率角度來考慮馬達發電機的選擇。為了滿足轉矩方面的要求,您可能會需要較高功率定額的馬達,而不是依其所產生的功率;特別是在發電機速率比典型馬達轉速低時。
轉矩和轉速限制
發電機上的轉矩決定了馬達發電機的尺寸和類型。應選擇連續轉矩高於發電機轉矩的馬達類型。在計算轉矩或電流負載時,應考慮到作業的類型。發電機是否長時間連續運行,或是間歇循環工作,或僅在短時間間隔內運行?必須相應地選擇具有合適連續轉矩或電流的馬達尺寸。也必須遵守馬達類型的最大轉速。不過,由於轉速一般偏低,這從來不是什麼大問題。
電流和電壓限制
要找出最合適指定馬達類型的線圈,應視對於電流和感應電勢有什麼樣的要求。選擇即使在負載之下也能夠產生所需電壓 U 的線圈。假設發電機速率固定為 n,我們則需要一個大於 U 的線圈感應電勢 Ut
在不考慮負載的情況下,根據規則 #2 來選擇速率常數,也就是電阻夠高的線圈。由於電流容量會隨著電阻增高而降低,應確定連續電流仍然夠大。
Ut = n/kn – Rmot · IL > U
此處圖表清楚顯示了不同線圈的利害效果。
- 線圈電阻愈高,感應電勢(無負載)也愈高。
- 然而,線圈電阻愈高,感應電勢也對負載電流的變化愈敏感。
這些矛盾的效果可以在一定程度上透過選擇較大的馬達來消除,因為它們在相同發電機常數之下的電阻較低(根據規則 #3)。
減速機-馬達組合
規則 #4:採用減速機來提高非常低的轉速。然而,maxon 減速機在輸出功率驅動方面的表現並不是很好。應採用可以反向驅動的減速機,亦即兩段以上的行星式減速機或是正齒輪減速機。(或是特別設計的減速機)。
採用減速機-馬達組合,是因為發電機裡的驅動機構非常緩慢;例如以風力機或水輪機驅動或甚至手動驅動。以下是一些觀察結果和建議:
- 在這些情況中,發電機必須受到反向驅動。然而,maxon 減速機並非為反向操作所設計,並且效率低。
- 高減速比減速機(3 段或更高)無法反向驅動;亦即當它們受到最大許可的轉矩輸出功率驅動時不會轉動。您可以使用 1 或 2 段行星式減速機;它們能夠受到輸出功率驅動。
- 使用正齒輪減速機會比行星式減速機好。正齒輪減速機可以更容易地受到反向驅動,且反向驅動的效率通常也較高。
特殊案例:DC 馬達作為直流測速機
規則 #5:若要作為直流測速機,稀有金屬電刷 DC 馬達較適合用於小電流。根據您的應用所需的測速電壓和轉速範圍來選擇線圈。別擔心線圈電阻,只要確保有數千歐 (kΩ) 的負載電阻來維持小電流即可。