Константа двигуна допомагає у виборі двигунів постійного струму в системах керування рухом. Щіткові та безщіткові двигуни постійного струму є гарним вибором для застосувань, чутливих до потужності або потребують ефективності.

Часто в технічних характеристиках двигуна або генератора постійного струму міститься константа двигуна Km, яка дорівнює чутливості до моменту, поділеній на квадратний корінь з опору обмотки. Більшість конструкторів розглядають цю суттєву властивість двигуна як езотеричний показник, корисний лише для конструктора двигунів, який не має практичної цінності при виборі двигунів постійного струму.

Але Km може допомогти скоротити ітераційний процес вибору двигуна постійного струму, оскільки він, як правило, не залежить від обмотки в даному корпусі або типорозмірі двигуна. Навіть у двигунах постійного струму без сталі, де Km залежить від обмотки (через зміни коефіцієнта заповнення міддю), він залишається надійним інструментом у процесі вибору.

Оскільки Km не враховує втрати в електромеханічному пристрої за всіх обставин, мінімальне значення Km має бути більшим за розраховане, щоб врахувати ці втрати. Цей метод також є гарною перевіркою реальності, оскільки він змушує користувача обчислювати як вхідну, так і вихідну потужність.

Постійна двигуна визначає фундаментальну електромеханічну природу двигуна або генератора. Вибір відповідної обмотки є простим після визначення достатньо потужного корпусу або розміру рами.

Постійна величина двигуна Km визначається як:

Км = КТ/R0.5

У випадку застосування двигуна постійного струму з обмеженою потужністю та відомим необхідним крутним моментом на валу двигуна буде встановлено мінімальне значення Km.

Для даного застосування двигуна мінімальний пробіг становитиме:

Км = Т / (ПІН – ВИХІД)0,5

Живлення, що подається на двигун, буде позитивним. PIN – це просто добуток струму та напруги, за умови відсутності фазового зсуву між ними.

ПІН-код = VXI

Потужність, що видається двигуном, буде позитивною, оскільки він постачає механічну енергію і є просто добутком швидкості обертання та крутного моменту.

POUT = ω XT

Приклад керування рухом включає приводний механізм портального типу. У ньому використовується безсердечниковий двигун постійного струму діаметром 38 мм. Прийнято рішення подвоїти швидкість наростання без змін у підсилювачі. Поточна робоча точка становить 33,9 мН·м (4,8 унцій-дюйма) та 2000 об/хв (209,44 рад/с), а вхідна потужність — 24 В при 1 А. Крім того, збільшення розміру двигуна є неприйнятним.

Нова робоча точка буде на вдвічі більшій швидкості та тому ж крутному моменті. Час розгону становить незначний відсоток від часу руху, а швидкість наростання є критичним параметром.

Розрахунок мінімального км

Км = Т / (ПІН – ВИХІД)0,5

Км = 33,9 X 10⁻³ Нм / (24 В X 1А -

418,88 рад/с × 33,9 × 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

Враховуйте допуски постійної крутного моменту та опору обмотки. Наприклад, якщо постійна крутного моменту та опір обмотки мають допуски ±12%, найгірший випадок Km буде:

КМВК = 0,88 КТ/√(RX 1,12) = 0,832 км

або майже на 17% нижче номінальних значень з холодною обмоткою.

Нагрівання обмотки ще більше зменшить Km, оскільки питомий опір міді зростає майже на 0,4%/°C. І що ще більше погіршує проблему, магнітне поле слабшатиме зі зростанням температури. Залежно від матеріалу постійного магніту, це може сягати 20% при підвищенні температури на 100°C. 20% ослаблення при підвищенні температури магніту на 100°C стосується феритових магнітів. Неодим-бор-залізо мають 11%, а самарій-кобальт - близько 4%.

Цікаво, що для тієї ж механічної вхідної потужності, якщо цільовим є ККД 88%, то мінімальний Km зміниться з 1,863 Нм/√Вт до 2,406 Нм/√Вт. Це еквівалентно тому ж опору обмотки, але на 29% більшій константі крутного моменту. Чим вищий бажаний ККД, тим вищий потрібен Km.

Якщо у випадку застосування двигуна відомі максимальний доступний струм та найгірший випадок навантаження з моментом, обчисліть найнижчу прийнятну константу моменту, використовуючи

КТ = Т/І

Після знаходження сімейства двигунів з достатнім пробігом (км), виберіть обмотку, яка має константу крутного моменту, що трохи перевищує мінімальне значення. Потім почніть визначати, чи обмотка буде задовільно працювати за всіх допусків та обмежень застосування.

Зрозуміло, що вибір двигуна або генератора шляхом попереднього визначення мінімального пробігу (Km) у випадках, коли чутливі до потужності двигуни та генератори вимагають високої ефективності, може пришвидшити процес вибору. Наступним кроком буде вибір відповідної обмотки та забезпечення прийнятності всіх параметрів застосування та обмежень двигуна/генератора, включаючи міркування щодо допуску обмотки.

Через виробничі допуски, теплові ефекти та внутрішні втрати, завжди слід вибирати Km дещо більшим, ніж вимагає застосування. Потрібна певна свобода дій, оскільки з практичної точки зору не існує нескінченної кількості варіацій обмоток. Чим більший Km, тим краще він задовольняє вимоги даного застосування.

Загалом, практичний ККД вище 90% може бути практично недосяжним. Більші двигуни та генератори мають більші механічні втрати. Це пов'язано з втратами на підшипники, вітрову деформацію та електромеханічними втратами, такими як гістерезис та вихрові струми. Щіткові двигуни також мають втрати через систему механічної комутації. У випадку комутації з дорогоцінних металів, популярної в безсердечних двигунах, втрати можуть бути надзвичайно малими, меншими, ніж втрати на підшипники.

У безщіткових двигунах та генераторах постійного струму практично відсутні втрати на гістерезис та вихрові струми у щітковому варіанті цієї конструкції. У безщіткових версіях ці втрати, хоча й низькі, все ж існують. Це пояснюється тим, що магніт зазвичай обертається відносно заднього заліза магнітного кола. Це викликає втрати на вихрові струми та гістерезис. Однак існують безщіткові версії постійного струму, в яких магніт і заднє залізо рухаються синхронно. У цих випадках втрати зазвичай низькі.