电机设计实例.docx

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电机设计实例

 第四章、永磁直流电动机的参数设计计算

4.1额定数据

 1．额定功率                                            

 2．额定电压                                            

 3．额定转速                                       

 4．额定电流                                             

 5．动转矩倍数                                        

 永磁直流电动机的要紧尺寸是指电枢直径和电枢计算长度，除可依照用户实际利用中安装尺寸要求或参考类似规格电机的尺寸确信外，它可依照给定的额定数据来选择。

 6．额定效率              

 7．计算功率              

 8．感应电动势初算值                    

 9．极对数                                                   P=1

 10．永磁材料类型                                  铁氧体Y30BH

 11．估量工作温度                                         t=600℃

 12

 13．计算矫顽力                                   20=240KA/m

 工作温度式矫顽力  =220.8KA/m

 14．永磁体相对恢复磁导率                         

15.最高工作温度下退磁曲线的拐点                         16．电枢铁心材料                                       DR510-50

 17．电荷预估值                                               

 18．气隙磁密预估值                                     

 19．计算极弧系数                                         

 电机长径比λ的选择对电机的性能、重量、本钱有专门大阻碍。

在永磁直流电动机设计中，一样取λ＝0.6~1.5。

 21．电枢直径                           取

22.电枢长度                      取     23.极距　　　　　　　                          τ=

 24．气隙长度                                            δ=

 25.永磁体磁极结构                                      瓦片形

 电机气隙径向磁场沿圆周方向的散布是不均匀的。

极弧系数能够概念为其隙平均磁通密度与最大磁通密度的比值。

 26.极弧系数                                                     

 27.磁瓦圆心角                                

 28．磁体厚度                                                  

 29．永磁体轴向长度                                             

 30．电枢计算长度                

 31．永磁体内径                           

 32．永磁体外径                                  

33．电枢圆周速度　                        

34．机座材料　　                                      　　钢板

 一样依照电枢直径的大小选取槽枢，关于小功率永磁直流电动机，其槽数一样为三至十几槽，但亦有二十多槽的。

槽数的选取一样从以下几方面考虑：

 件总数一按时，选择较多槽数，能够减少每槽元件数，从而降低槽中各换向元件的电抗电动势，有利于换向；同时槽数增多后，绕组接触铁心的面积增加，有利于散热，但槽数增多后，槽绝缘也相应增加，使槽面积的利用率降低，而且电机的制造本钱也会增加。

数过量，那么电枢齿距过小，齿根容易损坏。

 电枢槽数应符合绕组的绕制规那么和对称条件。

 35.绕组形式     在小功率直流电动机中，两极的采纳单叠

 单叠绕组多级的采纳单波绕组                                                    

 36.槽数                                                     Q=12

 37．槽形选择                                                 梨形

 38．槽距                                       

 39．槽口宽度   在保证下线和机械加工方便的条件下，应选小的                                      

 40．槽口高度要紧从机械强度和冲模寿命两方面考虑，不能取得过小                                        

 41．槽高                                                                            

 42．齿宽                                                                                    

 43．转子冲片内径应与轴伸端的转轴外径匹配，相等或取略大值。

               轴伸端的外径应符合标准尺寸。

 44．电枢轭高                         

 45．电枢轭有效高                        

4.4 磁路计算

 47．气隙系数                                            

 48．气隙磁密                                 

 49．每对极气隙磁位差                     

 50．电枢齿磁密                              

               其中  

 51．电枢齿磁场强度                                   

 52．电枢齿磁位差                            

 53．电枢轭磁密                              

 54．电枢轭磁场强度                                   

 55．电枢轭磁位差                             

 其中电枢轭部磁路平均计算长度   

 56．外磁路总磁位差                  

 57．气隙主磁导                           

 58．磁导基值                        

 其中                 

 59．磁导标么值                                   

 60．外磁路总磁导                                 

 61．直轴电枢去磁磁动势                        

                其中        

 62．磁体负载工作点                         

                   其中

 63．实际气隙磁通                

 表3-1．空载特性计算表

 0.00035 0.0004 0.0004 0.0005 0.00055 

（T） 

0.1706 

0.1990 

0.2275 

0.2559 

0.2843 

0.3128 

 148.6 173.4 198.2 222.9 247.7 272.5 

（T） 

1.092 

1.274 

1.456 

1.638 

1.820 

2.028 

 （） 6.7 9.3 21.9 39.2 90 175 

 10.72 14.88 35.04 62.72 144 280 

（T） 

0.886 

1.034 

1.182 

1.330 

1.478 

1.628 

  4.7 6.1 8.1 11.75 19.9 4 

 11.073 14.371 19.083 27.683 46.884 110.732 

170.393 

202.651 

252.323 

313.303 

438.584 

663.232 

 0.00036 0.00042 0.00048 0.00054 0.0006 0.00066 

                            第五章、关键零部件的设计

机壳设计

 因考虑电动机安装于车门内外板间，可利用空间狭小，而且必需保留玻璃运动空间及其它车门零部件的安装空间，故电动机外壳设计成半圆矩形、扁平、细长状，一端封锁并设计出凸台，安装含油轴承，如图5-1所示。

该外壳要保证含油轴承室内圆面对磁瓦的内圆面，有较高的同轴度要求（Φ0.05），同时，必需保证壳体前端法兰盘面垂自度0.08。

磁瓦设计

 采纳铁氧体材料，形状与机壳圆弧相吻合，为保证靠得住、牢固，不致受振动、冲击而脱落，采纳U型弹簧卡及胶粘相结合的方式固定磁瓦。

 转子轴是电枢制造中的关键，其结构如图5-2所示。

该轴采纳45#钢，调质处置HRC28～32,蜗杆部份高频淬火HRC50～55，粗糙度0.4以上（蜗杆模数为1，头数为1,螺旋角7.5°）。

 转子片、换向器压装。

转子轴上压有4根长筋，两头设计成可压入耐磨塑料支承头的孔。

两轴承间的同轴度、对整轴的平面度都有较高的要求。

 1.蜗杆传动机构的要紧优势是结构紧凑、工作平稳、无噪声、冲击振动小和能取得专门大的单级传动比。

与多级齿轮传动相较，蜗杆传动零件数量少，结构尺寸小，重量轻。

因此设计的减速器采纳蜗轮蜗杆机构。

而且蜗轮蜗杆的单级传动机构具有自锁性，能够使玻璃起落到顶端而落不下来。

 2.蜗轮蜗杆传动效率低，假设制造不良，容易发烧。

因此应良好润滑，方式是在蜗轮蜗杆箱体内充满粘度较高的锂基润滑油。

 3.由于此机构传动比较大，而且要求自锁，因此采纳单头蜗杆。

 ⑴玻璃行程                                                450mm

 ⑵

 ⑶减速比                                                   63：

1

 ⑷额定转速                                       

 ⑸蜗轮额定转速                       

 ⑹蜗轮额定圆周速度                 

 ⑺蜗杆头数                                                 

 ⑻蜗轮齿数                                               

 ⑼蜗轮模数                                                  m=1

 ⑽蜗轮螺旋角                                             β=7.5°

换向器的设计

 如图5-3所示

 在换向器的设计进程中，咱们要求做到以下工作：

 1 铜片之间、铜片与轴套及压环之间均用云母绝缘。

铜片与电枢绕组的连接方式采纳加固加焊方式。

避免短路。

 2 换向器禁止表面轻微烧伤，不然应将换向器车光、车圆。

 3 经多次修整后，换向器的径向厚度不得小于2mm，不然应改换电枢。

 4 换向器换向片接线突缘上的电枢绕组应夹焊牢固，不然应重焊。

 5 换向器采纳银铜（TAg0.1）材料，硬度HV>100，换向片数12，换向节距1～2,槽宽0.5，与轴间耐压:

50Hz、1800V，无击穿。

5.2.3转子嵌线图：

如图5-4所示：

 技术要求：

 1 φ器包铜线单线输出。

 2 每一个绕组13匝，12个绕组串联引出，总匝数156匝。

电枢组件

 转子片通过工装压接到位，进行粉末静电涂敷，以保证绝缘强度。

漆包线绕线12组后与换向器的钩形片连接，压焊。

换向器外圆精车粗糙度≤0.4,椭圆度及径向跳动度≤0.05。

5.3端盖、接线座设计

 端盖采纳PA66（含30%玻璃纤维）-聚己二酰己二胺，以提高其耐热性能，增加其强度。

因引进电感、电容滤波器及酷爱惜器，在有限的狭小空间，特设计一PCB板连接这些元器件，并与端盖组成一体，有效地利用了空间。

在该端盖上还设计了电刷固定槽，采纳压簧及刷握盖扣接法将电刷装配到位。

 采纳镶嵌法将电动机接线片直接注塑在接线座塑料件中，用两对称钩与端盖连接。

 图5-5为减速器外壳。

减速器外壳采纳PBT-聚对苯二甲酸丁二醇酯（含30%玻璃纤维），以保证外壳的强度、刚度。

在结构设计中多处采纳了增强筋，以保证壁厚均匀。

在与机壳相接的法兰面装配面上保证平面度、垂自度0.08。

在对自攻螺钉底孔设计时，确保3N·m转矩不滑丝。

蜗轮设计

 蜗轮的齿形设计直接阻碍与蜗杆的配合，阻碍电动机的运行效率及噪声的操纵。

为此蜗轮的材料及加工精度尤其重要。

其材料必需是强度高、摩擦系数小，又易于成型的材料，因此选用聚甲醛POM。

该件是为了缓冲正反向起动产生的冲击力及保证寿命而设计的。

要求耐油、耐磨、高强度、高低温下弹性良好，设计时采纳丁腈橡胶，结构上与蜗轮及传动盘配合。

由于钢丝绳与电机、滑轮、玻璃都是刚性连接，因此电机开始转动时冲击专门大，这容易损坏部件并产生噪声，因此在蜗轮与钢丝绕圈滑轮间加一橡胶缓冲器，起减少冲击、降低噪声的作用。

如图5-6所示：

传动盘设计

 该件是电动机总成转矩输出件，要求输出轴齿强度高，故采纳PBT（含30%玻璃纤维），结构上设有对称散布的3个柱头，与橡胶传动盘上的3个孔连接，作为动力传输，如图5-7所示。

                          第六章、其它配件的设计

防夹玻璃起落器的特殊结构

防夹玻璃起落器总成份两部份，起落机部份，电机部份。

起落机部份与一样电动起落机相似。

一样电动玻璃起落器结构的关键是电机（内置减速器），其中电机采纳可逆性永磁直流电机，电动机内有两组绕向不同的磁场线圈，通过开关的操纵可做正转和反转来实现起落。

而防夹电机是在一样电机的基础上，电机中增加传感器，开关操纵部份中添加处置元件来实现防夹功能。

一般是在电动机中埋植磁环，感应电机转速，在电子模块中埋植霍尔元件，感应电流，并通过电子模块操纵对电动机的过流、过压及过酷爱惜，而且当玻璃上升途中碰到人力障碍时会自动识别而反向运行，避免乘员夹伤。

防夹电机部份要紧包括直流电机（内置减速器）和感应器两部份。

感应器部份：

为了保证玻璃起落机具有防夹功能，要求电动玻璃起落器中的ECU必需包括两种功能。

1.判定玻璃是在防夹区仍是非防夹区；

2.判定玻璃是不是碰到障碍物。

若是ECU判定玻璃处在非防夹区，而且玻璃碰到障碍物，那么ECU将发出指令，给电机两头输出反向的电源，促使电机反转，并在反转一段时刻内停止。

为了能实现ECU的这两种功能，那么电机的感应器必需具有以下功能，

（1）搜集并输出玻璃所处区域的信号；

（2）搜集并输出电机转速的脉冲信号。

因此一样感应器包括两部份，位置感应器和转速感应器。

6.1.2玻璃所处区域的信号搜集

 关闭玻璃的进程中，可能碰到障碍物，同时玻璃关闭时最终必然会接触到上侧门框上的玻璃导轨胶条。

为了既能实现防夹功能，又能够最终关闭玻璃。

 一样的在玻璃上升的区间内即从玻璃的上死点到下死点范围内划分为两个区间：

 一、非防夹区：

从玻璃上死点到以下某一范围（一样玻璃起落机的非防夹区为玻璃上死点到以下10mm左右）。

该区域内即便玻璃上升时碰到障碍物，电机也可不能反转，以保证玻璃碰到上侧门框上的玻璃导轨胶条时会停止而不是反转。

 二、防夹区：

非防夹区之外的区域。

该区域内，玻璃上升时碰到障碍物，电机遇反转一段距离后（如120-150mm）停止。

以确保可不能夹伤人体的某部位如手、手臂等。

同时也起到自爱惜作用，可不能因过载而损伤电机。

 三、防夹区和非防夹区的识别及玻璃所处区域信号搜集：

 如图6-1电机旋转，带动1-拨叉齿轮，又通过3-从动齿轮带动2-内齿圈；其传动比位为36：

19，起到减速的作用。

5-调整钢圈为开口的钢丝环，两头伸出3mm左右的一段钢丝。

调整钢骗局在2-内齿圈外侧，内齿圈旋转时靠与调整钢圈间的摩擦力带动调整钢圈同步转动，调整钢圈两头伸出钢丝又带动定位环套同步旋转；定位环套上部有止动块，下部有突出结构，其作用在于当至动块在接触6-基板限位块前的一段距离内（11.5±）触发常闭状态的限位开关断开；如此就能够够搜集并输出了玻璃已经上升到非防夹区内的信号。

7-限位开关

障碍物的信号搜集

障碍物及信号搜集及输出是通过固化到电机内部的传感器来实现的。

电机顺时针旋转，玻璃上升，现在会在感应器的输出端产生脉冲信号，当玻璃上升进程中碰到障碍物时，电机的转速会变慢，从而改变了感应器输出的脉冲信号，ECU对脉冲信号判定，若是脉冲信号的频率f知足以下条件：

                       f≥f阀值

那么ECU判定玻璃碰到障碍物。

上死点的自修正

当起落机与电机装配成玻璃起落器时会预先设定一个上死点称为假上死点，假上死点通常设定在与车门装配的事实上死点的下方某一名置，如图6-3所示。

若是假上死点在事实上死点的下方，那么在玻璃起落器与车门装配后，通过玻璃起落器作动，假上死点会自动调整到事实上死点的位置。

其原理如下：

如图6-2所表示第一电机顺时针作动，玻璃上升，同时4-定位环套转动，当玻璃进入非防夹区（距离假上死点下方10mm左右）定位环套下部的突出结构会触发常闭状态的限位开关，使之断开；电机继续作动较短的时刻后，定位环套上部的止动块会接触到基座，现在，玻璃上升到假上死点，由于初始设定的假上死点位于事实上死点下方。

故，尽管玻璃上升到假上死点，但距离上方的玻璃导轨胶条还存在必然距离，因此玻璃会继续上升，由于定位环套的止动块已经接触到基座，无法继续转动，而内齿圈在电机的带动下与调整钢圈发生相对滑动，直至玻璃上升到上方的玻璃导轨胶条而停止。

如此装配后的玻璃上死点与电机的定位环套的止动块的位置实现了一致。

因该电动机总成安装于车门内，易受潮气、水等的侵入而造成电动机性能下降乃至丧失，因此必需保证电动机的密封。

透气片密封

 电动机发烧时会产生热量，产动气压。

为了达到电动机内外压力平稳，特在减速器外壳上设置了透气孔。

为了避免潮气、水等由该透气孔入侵，必需在该孔处压入透气不透水的四氟复合织物制成的透气片。

6.2.2密封圈的设计

 在蜗轮中心孔和传动盘输出轴上，密封圈及密封垫是一个动密封，应选用X型结构密封件，在装配压入后，能保证轴向和径向双重密封成效。

 在接线座与机壳、减速器外壳及绳轮壳间，设计了1.5mm厚的橡胶密封垫，装配时夹紧密封。

 为了避免因负载过人或操纵开关失灵而烧毁电动机，该总成采纳在端盖内PCB板上串联一个双金属片酷爱惜器。

为了抑制电动机换向器火花的干扰，本总成中，在端盖PCB上装用电感电容滤波器。

15A，一样为比较器1的低电位端（“-”端）；而比较器2的参考电压Ref.2通常设定为小于比较器1的输出，且为高电位端（“+”端）。

因此，比较器2的输出为高电位，故使三极管正偏而导通，电磁线圈通过较大的电流，其途径为：

蓄池的电“+”→总开关→UP→触点A→二极管VD1→电磁线圈→三极管→二极管VD4→触点B→电阻R→搭铁（蓄电池“-”）。

此电流产生较大的电磁力，吸引驱动器开关的柱塞，于是把止板向上顶压，越过止板凸缘的滑锁于原先位置被锁定，如此即便把手离开自动旋钮，开关仍会维持原先的状态。

当门窗玻璃上升至终点位置，在电机上有锁止电流流动，电阻R上的压降增大，当此电压超过参考电压Ref.1时，比较器1的输出电压由低电位变成高电位，现在，电容器C开始充电，当电容器C两头的电压上升至超过比较器2的参考电压Ref.2时，比较器2那么输出低电位，三极管当即截止，电磁线圈中的电流被切断，止板在滑锁内由弹簧的反力被压下，自动旋钮自动答复到中立位置，触点A搭铁，电机停转。

 门窗玻璃自动下降的工作情形与上述情形相反，操作时只需将自动旋钮向车辆后方即可。

 如图6-6所示，电容器1的作用是排除碳刷滑环接触不稳固所引发的脉冲；电容器二、3的作用是起对称作用；电感的作用是蓄流，当电流减少时，它能维持电路继续工作；爱惜器即热敏开关的作用是当车窗全数关闭、完全打开或由于结冰、卡滞等致使车窗玻璃显现运动障碍时，即便操纵开关没有断开，热敏开关也会自动断开。

从而避免烧坏电动机。

第七章、结论

 ⒈依照国内外电动玻璃起落器的进展现状，比较各国制定的技术标准，分析各类电动玻璃起落器的优缺点，采纳绳轮式结构，平稳性、运动阻力来讲大大优于臂式玻璃起落器,结构更紧凑,且安装和布置都较为方便。

 ⒉电动机采纳铁氧体永磁材料，提高了剩磁感应强度，减少了硅钢片和漆包线的用量，降低了本钱。

采纳蜗轮蜗杆减速机构，提高了电动机的输出转矩，从而使电动机体积减少，重量减轻，改善电动机性能。

 ⒊采纳铜、石墨配方的电刷，有导电能力强，电压降小，寿命长的优势。

 ⒋电动机转子与传动蜗杆连成一体的设计，减少了玻璃起落器的体积，方便了电动玻璃起落器在车门内的布置。

 可是，由于时刻的仓促和设计中需要大量的知识积存，设计中还有不足的地方，有待于进一步的补充、完善和验证。

专门是电动玻璃起落器的利用靠得住性和利用寿命的问题，还需要在尔后更多的实验中验证和改良。

                          参考文献

 1．唐任远编著.现代永磁发电机理论与设计[M].北京：

机械工业出版社.1997.

 2．马九荣.中小型电机设计手