什么是微型电机以及微型电机选型方法浅谈

哈希游戏智能
Thu, 03 Aug 2023 15:47:09 +0000
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电机作为执行机构的动力源，在工业控制及医疗器械领域中有广泛的应用。微型电机一般指的是体积容量小、输出功率一般在数百瓦以下的电机。我们在选型电机时，经常被各种繁杂的指标参数所困扰，比如速度、力矩、减速比、定位精度、低速噪音等等。对于如何选择一款电机，需要遵循哪些步骤，往往难以把握，容易会出现选型不当，导致后续开发难以为继。

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前言

在如今高度自动化的世界中，微型电机扮演着至关重要的角色。无论是在家电、电子设备，还是在工业领域中，微型电机都被广泛应用于各种机械系统中，为我们的生活和工作带来了便利。然而，对于初次涉足微型电机领域的人来说，面对琳琅满目的微型电机种类与技术参数，选择合适的微型电机成为一项挑战。因此，了解什么是微型电机以及如何进行微型电机的选型变得尤为重要。

本文将为您介绍微型电机的概念与原理，并探讨微型电机选型的一些基本方法。通过阅读本文，您将对微型电机有更全面的了解，能够更好地根据实际需求选择适合的微型电机。无论您是专业工程师，还是对微型电机感兴趣的小白，本文都将为您提供有价值的信息和指导。让我们一起深入探讨微型电机的奥秘，为您的项目选择一个理想的微型电机吧！

什么是微型电机？

微型电机一般指的是体积容量小、输出功率一般在数百瓦以下的电机，通常尺寸上小于160mm或功率小于750mW的电机，电压1-24V，常见的只有十几毫米，上百毫米的微电机比较少见。

微型电机的构成

微型电机虽然体积。悄诓拷峁狗浅Ｆ肴缥⑿椭绷鞯缁钩扇缦：

电枢铁芯：微型直流电机主磁路的主要部分，用于放置电枢绕组，大多用硅钢片堆叠而成降低微电机运行时电枢铁心中产生的涡流损耗与磁滞损耗。

电枢绕组：微电机的电枢绕组的主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，在微型直流电机中电枢绕组是由多个线圈绕制作而成，一般采用漆包线，如有特殊要求的采用铜线或银线。

换向器：在微型直流电机中，换向器和电刷是微电机不停转动的关键因素，它们的主要作用是改变电流方向，使微电机持续转动（无刷直流电机是通过霍尔电子换向，没有换向器与电刷）。

转轴：在微型直流电机中，换向器和电刷是微电机不停转动的关键因素，它们的主要作用是改变电流方向，使微电机持续转动（无刷直流电机是通过霍尔电子换向，没有换向器与电刷）。

微型电机的分类

1、按照使用方式共分为三大类

a、驱动微型电机：包括微型异步电机、微型同步电机、微型交流换向器电机、微型直流电机等。

b、控制微型电机：包括自整角机、旋转变压器、交直流测速发电机、交直流伺服电机、歩进电机、力矩电机等。

c、电源微型电机包括微型电动发电机组和单枢交流机等。

2、按照结构分为三大类

a、电磁式：基本组成与普通电机相似，包括定子、转子、电枢绕组、电刷等部件，但结构格外紧凑。

b、组合式：微电机与电子线路的组合等。例如直流电动机与传感器的组合，X方向与Y方向直线电动机的组合等。

c、非电磁式：外形结构与电磁式一样，如旋转类产品作成圆柱形，直线类产品作成方形，但内部结构因其工作原理不同而差别很大。

小型控制类电机（100W以内）分为三类：有刷电机、无刷电机、步进电机，下面给出特性对照表。

分类 | 直流有刷BDC | 直流无刷BLDC | 步进电机*
工作原理 | 定子由永磁体提供磁。邮抢畔呷Γ獠刻峁┲绷鞯纾ü缢⒑突祷幌蚱鞲永牛纬纱懦∠嗷プ饔茫痈咚傩 | 转子是N/S相间的永磁体，定子是三相励磁线圈；通过时序控制三相励磁节拍，实现永磁体的同步跟踪旋转； | 转子内嵌永磁体，转子表面是带有许多均匀齿型的凸极结构，受内嵌永磁体的磁化呈N/S相间的磁性；定子是两相励磁线圈和内齿型导磁材料构成，定子外部通过控制两相励磁节拍实现转子的步进式同步旋转；
优点 | 1.调速性能好，电压与空载速度成正比，电流与输出力矩成正比；2.具有过载能力；3.控制简单； | 1.调速性能好，与有刷电机特性接近；2.具有过载能力；3.无刷寿命长，可靠性高； | 1.定位精度高，成本低；2.开环控制简单；3.寿命长；
缺点 | 1.有刷寿命较短（部分品牌可以做到5000hrs级别）；2.速度高，低速应用需要加减速箱； | 1.控制较复杂，需要专用集成芯片；2.整体成本较高，常配合霍尔传感器、光电编码器使用 | 1.只能用于中低速场合；2.没有过载能力；3.低速存在振动噪音（可以通过驱动IC极大抑制）

* 步进电机根据转子磁力来源，常用的有永磁式和混合式；永磁式步进电机的极对数少，步距角大，成本低廉，常用于家电、汽车行业等定位精度要求不高的辅助机构中。

微型电机的特点

力矩大、噪音低、体积小、重量轻、使用方便、运行恒速，可以搭配各种齿轮箱以达到改变输出速度和转矩的目的。

微型电机的使用范围与应用领域

微型电机一般常用于控制系统中，实现机电信号或能量的检测、解算、放大、执行或转换等功能，或用于传动机械负载，也可作为设备的交、直流电源。可应用于食品机械、纺织机械、医疗器械、智能门窗、监控器云台、广告灯箱、家用电器、冷暖空调风页、执行器控制等所有小功率恒转速大力矩设备。

1、无特殊控制要求的驱动场合作为运动机械负载的动力源。

2、音像设备。例如，在盒式录像机中，微特电机既是磁鼓组件的关键元件，又是其主导轴驱动、收供带和磁带盒的自动装载以及磁带张力控制的重要元件。

3、办公自动化设备、计算机外部设备和工业自动化设备。如磁盘驱动器、复印机、数控机床、机器人等都应用了微型电机。

微型电机选型

微型电机选型原则

在展开正式的选型设计之前，首先需要结合应用需求确定电机类型。根据2.1小节的特性描述，我们可以得出下述粗略的判断方法。

1. 速度

1.1 机构速度超过1000rpm，选直流电机（有刷or无刷）；

1.2 低于1000rpm，且没有频繁高速启停要求，选步进电机；

1.3 频繁高速启停场合，选直流电机；

1.4 要求高速平稳，选直流电机；

1.5 要求宽速度调节范围，选直流电机；

2. 定位

2.1 要求停止后定位保持，选步进电机；

2.2 要求高定位精度，选步进电机；

3. 力矩/带载

3.1 要求带载能力强，输出效率高，选直流电机；

3.2 要求负载调节线性好，选直流电机；

3.3 要求停止有负载位置保持（力矩保持），选步进电机；

4. 振动/噪音

4.1 要求宽速度范围的振动噪音。≈绷鞯缁

4.2 步进电机的低速振动噪音问题，可以通过电流细分及更换驱动IC等方式予以改善，控制到可接受水平则可以选步进电机；

5. 驱动控制

5.1 要求控制简单、成本低，选步进电机；

5.2 要求闭环控制实现速度调节，选直流电机；

综上，电机选型需要在选型约束的弹性空间里面择优，避免造成过设计，这也是本文倡导的重要原则。

微型电机选型步骤

电机选型，也需要参照物料选型及产品设计的基本步骤：

1. 需求分析及转化

1.1 确定转速、力矩、定位精度等关键指标；

1.2 其他设计约束：空间尺寸、寿命、成本等；

2. 初定电机类型

2.1确定电机类型，电机机座号(尺寸大小)，初定电机可选型号；

3. ：思扑

3.1 速度：、力矩安全系数：、定位精度校核；

4. 选型审查

4.1 如果校核不满足要求，需要回到第2步重新选型；

4.2 满足：艘螅剐枰蟛槠渌枪丶蛩兀赫穸胍、寿命、生产（安装尺寸、出轴/出线等）、价格等；如果存在重大缺陷项，依然需要回到第2步重新选型。

5. 选型验证

5.1 如果是公司在库物料，可以快速搭建简易机构验证；

5.2 重要指标可以设计实验进一步验证，比如机构寿命、运行平稳性；

5.3 通过上述逐项确认验证环节，便可以达到选型目的，为模块开发奠定基础。

以上选型步骤中，最重要的是需求分解和：思扑悖旅孀稣箍

?

电机选型：参数分解及：思扑

微型电机选型-需求分解与计算

电机选型设计有两种思路：

①正向设计：对于已确定电机型号，需要围绕电机做上游驱动设计、下游机械传动设计，确保上下游的适配性，满足系统要求（速度、平稳性、定位精度等）；

②逆向设计：已知工况（转速/时间、负载、定位精度、空间约束），需要确定传动方式、电机型号、位置检测方案等；

负载端到电机端，除了简单的直驱应用外，通常中间存在一个传动装置。传动装置的确定，对于电机选型尤为重要，不管是转速：、力矩校核、还是定位精度：。本文先从一个案例展开，然后逐步扩展不同的场景。

? Case1. 直线运动

要求实现拖动负载做直线往复运动，单向行程100mm、往复频率1Hz、负载质量1kg，如何选择电机及传动装置？

直线往复运动示意图

旋转运动转换为直线往复运动，有两种类型：一种是单向旋转实现直线往复运动，比如凸轮及连杆机构；一种是电机掉头换向运行实现直线往复运动，比如同步带、丝杆、齿轮齿条。为了讨论方便，取常见的第二种情况讨论。

电机选型步骤

①. 先根据工况估算电机端速度，确定电机类型；

负载往复运动1次代表2倍行程，那么平均速度=2*单向行程*往复频率=200mm/s。线速度200mm/s，丝杆难以满足，通常采用同步带或齿轮齿条，此处取同步带来讨论。假设周长(电机转动1圈对应的直线行程)为40mm，那么电机平均转速=线速度/周长*60(rpm)=200/40*60=300rpm，速度较低，可以选用步进电机。

②. 计算负载力矩；

负载力矩由两部分构成，加速力矩和阻力矩。其中加速力矩依赖惯量及加速度值，阻力矩主要是摩擦力矩。

加速力矩=加速力*力臂=质量*加速度*力臂。本场景中，假定加速时间取总时间的10%，即为0.05sec，目标速度要高于平均速度，公式推导可知：加速度=单向行程/（加速时间*（单向时间-加速时间）），那么加速度=0.2m/(0.05*(0.5-0.05))s2=4.44m/s2，力臂即为半径=周长/2π=6.37mm。进而加速力矩=1kg*4.44m/s2*6.37mm=28.3mNm。

假定导轨摩擦系数取0.2，那么摩擦力矩=摩擦力*力臂=正压力*摩擦系数*力臂=9.8N*0.2*6.37mm=12.5mNm。

综上可得，负载力矩=加速力矩+摩擦阻力矩=28.3+12.5=40.8mNm。

考虑到本应用场景涉及频繁启停，需要把安全系数适当取大，留足余量，这里安全系数取2，那么所需电机力矩=负载力矩*安全系数=40.8mNm*2=81.6mNm。

③. 确定电机型号；

根据上文分析，电机平均速度为300rpm，所需力矩为81.6mNm。可以选用常见的1.8°步进电机，转换为脉冲速度=300rpm/60*200pps=1000pps，即电机选型需求为大于81.6mNm@1000pps。通常42基座号的步进电机即可满足要求，下面是一款电机的实测矩频曲线，在1000pps处的输出力矩为158mNm，大于81.6mNm，满足要求。

某型号步进电机实测矩频特性曲线

重新：税踩凳舜Φ缁涑隽158mNm，所需负载力矩87.9mNm，那么安全系数=电机输出力矩/负载力矩=158mNm/87.9mNm=1.8，说明留有足够余量，运行可靠。

④. 复盘计算过程–表格化；

整理一下上述的选型计算过程，在如下表格中体现，方便工程师使用。

输入参数 | 参数名 | 取值 | 单位 | 参数名 | 取值 | 单位
? | 单向行程s | 100 | mm | ? | ? | ?
? | 往复频率 | 1 | Hz | ? | ? | ?
? | 单向行程时间T | 0.5 | sec | 加速时间ta | 0.05 | sec
? | 质量m | 1 | Kg | 重力mg | 9.8 | N
估计值 | 摩擦系数μ | 0.2 | ? | ? | ? | ?
? | 周长C | 40 | mm | 半径L | 6.37 | mm
? | 减速比 | 1 | ? | 传动效率 | 100% | ?
? | 安全系数k | 2 | ? | ? | ? | ?
输出参数 | 平均速度 | 200 | mm/s | 平均转速 | 300 | rpm
? | 加速度a | 4.44 | m/s2 | a=s/(ta*(T-ta)) | ? | ?
? | 目标速度 | 222.2 | mm/s | 目标转速 | 333.3 | rpm
? | 加速力矩Ta | 28.3 | mNm | Ta=Fa*L=m*a*L | ? | ?
? | 摩擦力矩Tf | 12.5 | mNm | Tf=μmg*L | ? | ?
? | 负载力矩TL | 40.8 | mNm | TL=Ta+Tf | ? | ?
? | 电机所需力矩 | 81.6 | mNm | 电机实际力矩 | 158 | mNm
? | 安全系数修正值 | 3.9 | ? | 选型结论 | pass

? Case2. 高速旋转

旋转应用场合，分为两类，一类是提供运动形式，在上面搭载应用，比如微导管旋转成像、光路调制；另一类是提供功率，比如搅拌、泵、风扇、电磨；前者的负载轻、主要是启动环节的加速力矩，后者的负载较大、提供功率输出、要求过载能力。具体列表对比如下。

类型 | 描述 | 典型场景 | 特点/要求
类型I | 提供运动形式 | 高速旋转成像 | 负载轻，来源启动环节的加速力矩，关注运行平稳性；
类型II | 提供功率输出 | 搅拌、风扇、电磨 | 负载较大，要求一定过载能力，需要校核力矩；

电机选型的步骤遵循逆向设计原则，先从工况分析入手，确定传动方案，筛选备选电机，对比寻优并最终确定电机型号。下面以搅拌应用为例，说明电机选型过程。

①. 工况分析及需求分解；

要求在5sec内实现3000rpm的离心运动，启停稳定、运行平稳。组件的大致示意图如下，已知离心转盘的结构尺寸要求，采用电机直驱方式。

高速旋转应用案例示意图

从应用场景进行分析，并结合实际样本盘尺寸，可以形成如下设计需求。

需求点 | 取值 | 备注说明
转速 | 3000rpm | 产品要求
转速平稳性 | ±2% | 预估，确保运行过程平稳不会导致样本晃动
离心时间 | 5sec | 样本处理要求
加速时间 | ≤0.5sec | 加减速太快容易引起冲击，对电机出力要求也高；为了确保足够的匀速时间，加速时间做适当限制；
减速时间 | ≤0.5sec | 减速时间和加速时间对称
匀速时间 | ≥4sec | 预估
停顿时间 | 30sec | 样本处理要求
转盘（含样本）惯量 | 160gcm2 | 初步计算，按照合金铝材质计算
转盘（含样本）重量 | 1N | 初步计算
转盘尺寸 | φ68 | 受样本盒的尺寸约束
寿命 | TBD | 需要结合实际使用频次、机器使用年限确定

从上述需求分解可以计算出对电机力矩的要求。

加速时间 | 惯量（组件） | 最高速度 | 加速度 | 加速力矩
0.5sec | 180gcm2 | 3000rpm | 628rad/s2 | 11.3mNm
0.4sec | 180gcm2 | 3000rpm | 785rad/s2 | 14.1mNm
0.3sec | 180gcm2 | 3000rpm | 1047rad/s2 | 18.8mNm

根据以上分析可以提出电机选型的核心需求点和隐性需求点。

A 核心需求

1. 转速：3000rpm

2. 力矩：≥20mNm (安全系数适当取大，对应电机力矩取大些)

3. 电机惯量：≥5gcm2 （负载惯量比控制在20:1以内，可适当突破）

B 隐性需求

1. 轴向力：≥1N

2. 外形尺寸：≥25mm （尺寸太。吡亢土芈悴涣艘螅

3. 输出轴径：≥3mm （采用电机直驱，输出轴不能太细）

4. 定位精度：±1°

5. 运行平稳性：±2%，无振动噪音 （起步及停止要稳）

6. 寿命： 1000Hrs （按照5年寿命、100个样本/天、10sec/样本计算）

7. 成本： 600RMB

8. 控制方案：适配的控制方案简单，技术成熟度高

②. 电机选型方案；

从前期的调研和需求梳理，最贴合应用要求的电机是扁平直流电机，如下表所示。这类电机的转动惯量大，转速能满足3000rpm，与扁平型的转盘相当，直驱匹配。但是扁平直流电机在市面上属于非典型规格电机，难以在常规标准电机产品系列里面选到。结合上述的需求分解，做了如下的选型分析。（电机规格书不额外呈现）

方案→ | 扁平直流电机 | 直流有刷电机 | 直流无刷电机 | 步进电机
供应商 | A | B | C | D
电机类型 | 内转子、无刷 | 石墨刷 | 无刷，带霍尔 | 步进，大步距角5°
主要参数 | 额定转速5000rpm额定转矩45mNm惯量 30+gcm2外径68.4*长32 | 额定转速3450rpm额定转矩28.8mNm惯量15.2gcm2外径26*长44.7 | 额定转速2500rpm额定转矩20mNm惯量20+gcm2外径30*长56 | 最高转速3000rpm+保持转矩22mNm转动惯量2.7gcm2外径20*长30
成本 | 300元 | 800元 | 500元 | 150元
优点 | 刚好满足速度、力矩、惯量要求 | 刚好满足速度、力矩、惯量要求 | 满足力矩、惯量要求，速度略低 | 基本满足速度、力矩、要求，控制简单
缺点 | 无刷电机（不带霍尔）驱动较复杂、所选电机采购较困难 | 电机成本贵电刷寿命待确认需要单独设计速度反馈装置 | 成本较高可以去掉编码器 | 惯量。铀俾ㄎ痪炔、可能存在运行噪音及不平稳（通过驱动IC优化）
推荐与否 | 不推荐 | 可用，成本贵 | 主推 | 备选

③. ：烁磁蹋

综上所示，第三个方案的直流无刷电机满足要求，重新校核如下，各项指标满足需求。

需求点 | 需求规格 | 电机参数 | 需求项满足性
转速 | 3000rpm | 2500rpm | 满足，速度相差不大可让步接收
转速平稳性 | ±2% | 待测 | TBD，需实测确定
力矩 | ≥20mNm | 20mNm | 满足
电机惯量 | ≥5gcm2 | 20+gcm2 | 满足，加速时间更短
轴向力 | 1N | 2N+ | 满足
定位精度 | ±1° | 1000线，±0.18° | 满足
寿命 | 1000Hrs | 5000hrs+ | 满足
成本 | ≤600RMB | 550RMB | 满足，电机+驱动IC+线束

3.2?其他选型因素阐述

通过上述案例，区分了几种常见场景，指导工程师选型。实际选型过程中，工程师仍会存在诸多困惑，比如振动噪音、EMC、驱动控制方案、效率、结构约束等。实际上，选用什么类型的电机，并没有严格的分水岭，除了基于工况分析计算：酥猓剐枰浞至私獾缁匦裕ü舷掠纹ヅ洌ㄇ刂+机械传动）的方式达到方案最优。

①步进电机因易丢步、低速噪音大，广受诟。导噬峡梢酝ü侠硌⌒颓疘C、优化控制参数，极大改善它的性能；

② 直流有刷电机，因有电刷磨损寿命及EMI干扰，容易被优先排除；实际上，直流有刷电机具有优秀的线性调速性能，运行平顺，随着其厂商电机工艺改良，已经可达到2000~10000Hrs的运行寿命，EMI也有CLL抗电弧的应对策略，性能显著改善，在精密转速控制场合不失为优秀方案。

③ 直流无刷电机，无霍尔的控制方案复杂、启动特性差，随着软件算法硬件化的技术发展，目前市面已有成熟的驱动IC已经能很好适配无霍尔的无刷电机，启动流程及换向时序集成到IC里面，控制简单。

下面通过思维导图方式，讲述电机选型过程的其他因素，方便工程师理解。

电机应用特性及选型因素展开

影响微型电机的使用寿命的因素有哪些？

影响微型电机使用寿命因素如下:

1、负载电流波动的影响。如果频繁接通和切换电动机路，则负载电流也会频繁波动而引起电流短时间急剧改变，从而在载流导线和电动机绕组中产生明显的附加力，这些力与电流平方有关，并通过载流导体的绝缘物质作用于固定件，久而久之，便破坏绝缘而引起短路或断路等故障，使绕组损坏从而缩短电动机的使用寿命。

2、转向变化和波动以及反转过程的影响。这些过程会在绝缘导线中产生附加的机械力作用于运动部件上，同时机械连接件如叠片组，轩轴等，也会产生附加负荷，从而这些运动部件和机械接件将发生疲劳化而失去工作能力。

3、热过负荷的影响。热过负荷会破坏绝缘材料，因为绝缘材料有一个最高耐受温度，当电动机的工作温度超过绝缘材料允许极限温度，绝缘材料会被损坏从而导致电机使用寿命缩短。

4、温度波动的影响。温度波动是指电动机处于冷状态和热状态之间的温差。会使导线、绝缘层和包扎件等有不同程度的膨胀变化，从而也容易造成脱漆和松动，减小电动机的使用寿命。当电动机受到交变负荷作用时，温度波动会特别明显。

5、减速机使用环境条件影响，如机车电动机、矿山用电动机、化学工业用电动机等，都工作在不同的恶劣环境条件下，易受环境影响而缩短使用寿命。例如，周围介质不纯或腐蚀气体以及较高的温度，都会损害电动机的电气性能和机械性能。所以，选择电动机时，必须根据环境条件选用相应防护结构的电动机。齿轮减速机适用环境温度下10度到正40度，湿度90％以下。

6、除上述因素外，冲击载荷、连续长时间运转、强制旋转输出轴、使用超过悬架允许载荷和超过允许推力载荷、制动脉冲驱动、反向电流驱动、PWM制动、使用标准额定规格以外的电压、超出相对湿度范围，或用于特殊环境等因素也会对微型电机的使用寿命产生影响，严重时甚至直接把电机报废。