小型永磁直流电机设计.docx

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小型永磁直流电机设计

小型永磁直流電機設計

1.電機主要尺寸與功率,轉速的關系:

與異步電機相似,直流電機的功率,轉速之間的關系是:

D22*Lg=6.1*108*p’/（αP*A*Bg*Ky*n）

（1）

D2電樞直徑（cm）電机初設計時的主要尺寸

Lg電樞計算長度（cm）根據電机功率和實際需要確定

p’計算功率（w）p’=E*Ia=（1+2η）*PN/3η

E=Ce*Φ*n*Ky=（P*N/60*a）*Φ2*n*Ky*10-8

Ce電勢系數

a支路數在小功率電機中取a=2

p极數在小功率電機中取p=2

N電樞總導体數

n電机額定轉速

Ky電樞繞組短矩系數小功率永磁電机p=2時,采用單疊繞組Ky=Sin[（y1/τ）*π/2]y1繞組第一節矩

αP極弧系數一般取αP=0.6~0.75正弦分布時αP=0.637

Φ每極磁通Φ=αP*τ*Lg*Bg

τ極矩（cm）τ=π*D2/P

Bg氣隙磁密（Gs）又稱磁負荷對鋁鎳Bg=（0.5~0.7）Br對鐵氧体Bg=（0.7~0.85）Br,Br為剩磁密度

A電樞線負荷A=Ia*N/（a*π*D2）Ia電樞額定電流對連續運行的永磁電動机,一般取A=（30~80）A/cm另外電機負荷Δ=Ia/（a*Sd）,其中Sd=π*d2/4d為導線直徑.為了保証發熱因子A*Δ≦1400（A/cm*A/mm2）通常以電樞直徑D2和電樞外徑La作為電机主要尺寸,而把電動機的輸出功率和轉睦為電机的主要性能,在主要尺寸和主要性能的基礎上,我們就可以設計電機了.

在

（1）式的基礎上經過變換可為:

D22*Lg*n/P’=（6.1*108/π2）*1/（αP*Bg*A）=CA

由上式可以看,CA的值並不取決於電機的容量和轉速,也不直接與電樞直徑和長度有關,它僅取決於氣隙的平均磁密及電樞線負荷,而Bg和A的變化很小,它近似為常數,通常稱為電機常數,它的導數KA=1/CA=（p’/n）/（D22*Lg）∞αP*Bg*A稱為電機利用系數,它是正比於單位電樞有效体積產生的電磁轉矩的一個比例常數.

2.直流電機定子的確定

2.1磁鋼內徑

根據電機電樞外徑D2確定磁鋼內徑

Dmi=D2+2g+2Hp

其中g為氣隙長度,小功率直流電機g=0.02-0.06cm,鐵氧體時g可取得大些,鋁鎳鈷磁鋼電機可取得較小,因鐵氧體HC較大.氣隙對電機的性能有很大的影響,較小的g可以使電樞反應引起的氣隙磁場畸變加劇,使電機的換向不良加劇,及電機運行不穩定,主極表面損耗和噪音加劇,以及電樞撓度加大,較大的氣隙,使電機效率下降,溫升提高.

有時電機磁鋼采用極靴,這樣可以起聚磁作用,提高氣隙磁密,還可稠節極靴形狀以改善空載氣隙磁場波形,負載時交軸電樞反應磁通經極靴閉,合對永磁磁極的影響較小.但這樣會使磁鋼結構复雜,制造成本增加,漏磁系數較大,外形尺寸增加,負載時氣隙磁場的畸變較大.而無極靴時永磁體直接面向氣隙,漏磁系數小,能產生較多的磁通,材料利用率高,氣隙磁場畸變,而且結構簡單,便於生產.其缺點是容易引起不可逆退磁現象.

Hp極靴高（cm）無極靴結構時Hp=0

2.2磁鋼外徑

Dm0=Dmi+2Hm（瓦片形結構）

Hm永磁體磁路長度,它的尺寸應從滿足

（1）有足夠的氣隙磁密（產生不可逆退磁）,

（2）在要求的任何情運行狀態下會形成永久性退磁等方面來確定,一般Hm=（5~15）gHm越大,則氣隙磁密也越大,否則,則氣隙磁密也越小.

2.3磁鋼截面積Sm

對于鐵氧體由于Br小,則Sm取較大值,而對于鋁鎳鈷來說,Br較大,則Sm取小值.

環形鐵氧體磁鋼截面積:

Sm=αP*π*（Dmi+Hm）Lg/P（cm）

瓦片形鐵氧體磁鋼面積:

Sm=αP*π*（Dmi+Hm）Lm/P（cm）

瓦片形鐵氧體弧度角:

β=180︒*αP*2/P

2.4磁鋼軸向長度Lm

對鐵氧体由于Br小,為了增加磁鋼截面Sm,則Lm=（1.1~1.2）La

2.5磁鋼的選擇:

2.5.1磁鋼的材質

在永磁直流電機中,磁鋼相當于串激電中的定子線圈中,它在定子鐵殼中產生磁場,它和其它電機一樣,是利用電磁感應原理在磁場媒質中進行能量轉換的,磁場在能量轉換過程中起媒介作用,在永磁直流電機中產生磁場的磁源是充過磁的永磁體,也叫磁鋼）充過磁的磁石性能對電機的性能有很大的影響.

在現代電機制造中,磁鋼的材料有下列幾種:

鐵氧體.鋁鎳鈷合金,稀士合金,釹鐵硼等.由于各種材料自身特點和本廠的實際,一般選用鐵氧體作為永磁材料.

2.5.2永磁材料的磁性能

磁鋼的退磁曲線如下:

永磁材料的磁性能可以用磁滯回線來反映和描述.即用B=f（H）曲線來反映永磁體的磁感應強度隨磁場強度來降改變的特性,該回線包含的面積隨最大充磁磁場強度HMAX增大而增大,當HMAX達到HS時回線面積漸近地達到一個最大值,而且這時磁性能也較穩定,面積最大的回線被稱為磁滯回線.磁滯回線在第二象限的部分稱為退磁曲線,它是永磁材料的基本特性曲線,退磁曲線中磁感應強度Bm為正值而磁場強度Hm為負值,在退磁曲線過程中,永磁體相當于一個磁源.退磁曲線的兩個極限們位置是表征永磁材料磁性能的兩個重要參數（Br,Hc）退磁曲線上任一點磁通密度與磁場強度的乘積被稱為磁能積,在退磁曲線中有一個最大值,這一最大值稱為最大磁能積（BH）MAX單位為J/m3,它是永磁材料磁性能的一個重要參數.Br對電機性能的影響很大,使用較大Br值的磁鋼可以增加扭矩,但會使電機空載轉速降低

2.6永磁材料的選擇.

2.6.1應保證電機氣隙中有中足夠的氣隙磁密和規定的電機性能指標

2.6.2在規定的環境條件.溫度條件和使用條件下電機性能穩定

2.6.3磁石要有良好的機械性能以便加工和裝配

2.6.4另外要經濟性

2.6.5盡量選擇最大磁能積大的磁鋼

2.6.6根據對電機性能的影響,選擇磁石的Br值

2.7永磁直流電動機的充磁

三種充磁方式:

1）電磁式充磁電源

2）電容式充磁電源

3）半周期式充磁電源

2.7.1電磁式充磁特點:

1）能產生很長的脈沖進行鋁鎳鈷充磁

2）由于充磁電流小,為了使充磁磁場達到要求,需增加充磁線圈匝數

3）不能有效地使充磁質量達到要求

2.7.2半周期式充磁特點:

1）它能在很快的循環速度下產生脈沖磁場

　2）它能給充磁夾具提供大電流,且受交流電流承載能力的限制.

　3）通常電源是一個固定裝置,因此該電器必須與較接近的變電場所

和較大的變壓器用大功率電線連接.

4）交流電壓110V~600V單相50Hz或60Hz

2.7.3電容式充磁特點:

1）電容箱中的能量可以在一個很短的時間內釋放出一個很大幅值的電流脈沖（5000A）這些電流能夠產生很大的磁場

2）對于充磁材料的几何尺寸或形狀限制了充磁夾具中的線圈數量,利用電容式充磁電源可以滿足.

3）費用較高.

要使電機有較小的充磁電壓,一般使用電容式充磁,但費用較高,故根据實際情況而定.同樣磁鋼采用雙半圓內充磁時,可以使氣隙磁密的波形為正弦波,雙半圓內充磁磁頭的尺寸如下:

β=90°~115°

A=Dmi-（0.1~0.2）mm

R=（0.5~0.7）A環形

R=（0.7~0.78）A瓦形

β=180°*2p/（p/2）=135°

L=LM+（2~4）mm

LM為磁鋼軸向長度（cm）

Dmi磁鋼內徑（cm）

充磁夾具中的條形極,,硅鋼片或碳鋼的絕緣用合成的玻璃纖維纏繞或環繞氧樹脂通過流化進行環氧樹脂處理而成.充磁夾具按要求的循環速率和運行條件進行常規的四個小時的常規測試,它是通過安裝銅散熱片或鋼制條形極上開通風口并在其中通入水或空氣來進行冷卻的.充磁夾具的絕緣耐壓試驗:

2倍工作電壓+1000V

2.8永磁電機定子鐵殼的選擇

2.8.1機殼厚度hj選取時要考慮不應使定子軛部磁密BK太高一般應使BK=1.5~1.8T則機殼厚度hj

hj=σ*Φ/（lk*Bk）

lk機殼長度根据主要尺寸和實際需要確定,一般為0.1~0.3cm

Bk機殼磁密如若BK太高,則增大hj以減小BK值,有些電機使用增磁環,就是這一道理.

Φ每極磁通即氣隙磁通

σ磁鋼漏磁系數σ=1.1~1.3

2.8.2機殼外徑

Dj=Dm0+2hj

3.電機電樞的選擇

3.1電樞尺寸的確定

電樞外徑和長度根据同型號電機或根椐電機功率確定

3.2槽數選擇

根据D2選擇槽數Q.Q通常為奇數,因為奇數槽能減小由電樞齒產生的主磁通脈動,有利於減少定位力矩.但在大批量生產中,一般采用偶數槽.偶數槽有利於轉子繞線,減小生產成本.

槽數選擇一般從以下几個方面考慮:

1.元件總數一定時,選擇較多的槽數,可以減小每槽元件數.從而降低槽中各換向元件的電抗電動勢,有利於換向,同時槽數增多后,繞組接触鐵心的面積增加,有利于散熱.但Q增加,槽絕緣相應增加,使槽面積利用率低,改善電機的換向,減小由脈動磁通引起的損耗和噪音.

2.Q增加,電樞齒矩t2減小齒根容易損坏,齒矩一般控制在當D2<30cm,t2>1.5cm,當Da>30cm,t2>2.0cm

3.電樞槽數應符合繞組的繞制規則和對稱條件.

4.根據同號選擇

3.3電機線負荷和電磁負荷對電機的影響

電機線負荷

A=Ia*N/（a*π*D2）（A/cm）

Ia電樞額定電流

電機電磁負荷是指氣隙磁密最大值，其值為

　　　　　Ｂg＝Φ／αp＊τ＊Ｌg　（Ｔ）

3.3.1選用較高的電磁負荷，可以節約材料，縮小電机体積,Ａ過高,會產生不利影響，電抗電動勢增加，使電機換向性能惡化,電樞反應增強，使電機工作特性變差；若電密不孌，將使電機用銅量增加,銅耗和溫升增高等,Ｂg增大，使空氣隙及電樞磁場所需的勵磁安匝增加，從而增加了銅耗，也使電樞電損耗增加，效率降低，並使電機的溫升升高．

　　所以在選擇Ａ和Ｂg值時，都不宜選得過高，需要綜合考慮．選擇電磁負荷值，除應考虙Ａ和Ｂg外，還應考虙Ａ，Ｂg的乘積以及Ａ，Ｂg的比例關系，由于電機的電抗電動勢正比於電負荷,所以常用較小的A值和較大Ｂg值,以改善電機的換向性能,同時A值的減小也使電樞的用銅量降低,對於低轉速直流電機鐵損耗較小,Ｂg可選用較大值,而對於高轉速電機,鐵損耗較大會,Ｂg應選用較小值.

3.3.2電磁負荷對電機性能和對經濟性的影響

3.3.2.1線負荷A較高,氣隙磁密Ｂg不變

（1）電機的尺寸和体積將變小,可節省鋼鐵材料.

（2）Ｂg一定時,由於鐵心重量減小,鐵耗隨之減小.（3）繞組用鋼（鋁）量將增加,這是由于電機的尺寸小了,在Ｂg不變的條件下,每极磁通將變小,為了產生一定的感應電勢,繞組匝數必須增多.（4）增大了電樞單位表面上的鋼（鋁）耗,使繞組溫升增高.（5）影響電機參數與電機特性.

3.3.2.2氣隙磁密Ｂg較高,線負荷A不變

（1）電機的尺寸和體積將較小,可以節省鋼鐵材料.

（2）使電樞鐵耗增大.這是因為Ｂg提高後在其它條件不變時,雖會使D2Lg與電樞鐵心重量減小,但因電樞鐵心中的磁密與Ｂg間有一定的比例關系,鐵內磁密將相應增加,鐵的比損耗（即單位重量鐵心中的損耗）是與鐵內的磁密的平方成正比的.因此隨著Ｂg的提高,比損耗增加的速度比電影樞鐵重量減小的速度為快.而電樞的基本鐵耗卻等于其鐵心重量和損耗的乘積,因此Ｂg提高後,將導致電樞鐵耗加,效率降低,在泠卻條件不變時,溫升也將升高.（3）氣隙磁位降和磁路的飽和程度將增加.Ｂg提高後,一方面直接增大了氣隙磁位降的數值;另一方面.由于鐵內磁密增大而使磁路飽和程度增加.這樣,對于直流電機和同步電機,會因勵磁磁勢增大而引起勵磁繞組用銅量與勵磁損耗增加,效率降低;在冷卻條件不變時使勵磁繞組溫升增高.還會因為勵磁繞組體積過大而使布置發生困難（內極式電機）或導致磁極與電機外形尺寸加大（外極式電機）.對于感應電機,會因勵磁電流增加而使功率因數變壞.（4）影響電氣參數與電機特性,隨著Ｂg的增大,繞組電抗的標麼值將減小,從而影響電機的起動特性和運行特性.

3.3.2.3電機所用的材料與絕緣結構的等級也直接影響電磁負荷的選擇

所用絕緣結構的耐熱等級越高,電機允許的溫升也越高.電磁負荷可選高些;導磁材料（包括兼起磁路作用的某些結構部件的材料）性能越好,允許選用的磁密也越高,電樞繞組采用鋁線時,由于其電阻率較大,為保證足夠的安全放空間以免電損耗過大,往往采用比銅線時較低的電磁負荷.

3.3.2.4A,Ｂg的選擇和電機的功率及轉速有關

確切地說是與電樞直徑（或極距）及轉子的園周速度有關.園周速度較高的電機其轉子與氣隙中泠卻介質的相對速度較大,因而泠卻條件有所改善,A,Ｂg可選取得大些.電樞直徑（或極距）越小,所選取的A和Ｂg也應越小.

3.3.2.5A,Ｂg的選擇和電樞槽的關系

在內電樞的電機（如直流電機）中,電樞直徑越小,則在平行槽壁時,為保證一定的槽空間.齒根將越窄;在平行齒壁時,為保證一定的齒截面積,槽尺寸將受限制.因此,當電機功率較小時（通常直徑也越小）,若為平行槽壁,則Ｂg的數值將因受齒根磁密限制而不能取得過高,因為通常齒部磁密最大值有一定限制,超過此值後,勵磁電流和鐵耗將迅速增加;同時,還因齒根磁密的限制而使槽不能太深,從而限制了槽空間的大小和線負荷A的數值.若為平行齒槽.則在齒距齒寬和槽深一定的情況下,直徑小的電機中,槽的空間比直徑大的電機要小,A也就選得較小.

3.3.2.6電樞的外徑和線負荷,電磁負荷間的關如圖:

對絕緣等級較高的電機,在不影響電機的換向的情況下,可高於圖異曲線值約10%~20%

電機線負荷與電樞直徑的關系:

400

300

200

100

0

10203040506060

氣隙磁密與電樞直徑的關系:

Da（cm）

10203040506060

3.4直流電機換向器的計算

3.4.1換向器直徑的計算

Dc=（0.5~0.9）D2

D2電樞直徑

Dc的選取應考慮換向器表面圓周速度不大于50m/s.即

Vc=π*Dc*Nn*10-2/60<（50~55）m/s

3.4.2換向片數K

K=（1-3）Q

微型電機取K=Q

3.4.3換向片寬bc

bc=tc-δc（cm）

tc=π*Dc/k

δc=0.4~0.5（mm）

3.4.4.換向器長度

一般電机Lc=Lb+（1~2.5）cm

Lb電刷長度（cm）

4.直流電機用電刷

4.1電刷截面積

Sb=2*IN/P*△b（cm2）

式中△b----電流密度,當采用金屬石墨電刷時△b可取為15~20A/cm2

4.2電刷寬度

bb=（1~2.5）tc（cm）在少槽電機中為了限制換向區寬度bb

電刷長度Lb=Sb/bb

4.3電刷材料

電刷材料一般有三種:

石墨電刷,電化石墨電刷,金屬石墨電刷

4.3.1石墨電刷

這種電刷適用于換向條件正常,負載均勻的電機.

4.3.2電化石墨電刷

這種電刷耐磨性良好易于加工,適用于廣泛場合.

4.3.3金屬石墨電刷

這種電刷具有良好的導電性,電刷與換向器的接觸壓降小,適用于低電壓電機,常用于UN<12V電機中.

由于電刷材質與電機性能和電機換向有很大的關系,所以在選用電刷時一定要小心.

5.永磁直流微型電機噪音分類及產生部位

5.1機械噪音

5.1.1轉子不平衡振動

5.1.2轉子軸向竄動

5.1.3電刷與換向器或滑環之間摩擦噪聲

5.1.4軸承噪聲或軸承不良

5.1.5定子與轉子加工精度差,不同軸度超差

5.1.6裝配不良

5.2電磁噪音產生原因

5.2.1.低頻主波噪音

5.2.2齒諧波及高次諧波噪音

5.2.3定子磁極位置不對稱或兩塊磁瓦性能不一致

5.2.4直槽轉子徑向磁力過大

5.2.5轉子兩端調整墊圈分布不當,軸向磁場分力過大.

5.2.6機殼表面輻射或共振

5.3空氣動力噪音

5.3.1齒槽啞鈴聲

5.3.2氣流道哨聲

5.3.4.自冷風扇渦流聲（小電機不存在）

6.永磁電動機的轉矩脈動和低速平穩性

在某些場合,常要求電動機在低速時輸出較大的轉矩,且運行平穩,影響它的因素是轉矩脈動.1.換向引起的轉矩脈動2.齒槽效應引起的脈動.

6.1為了減小換向引起的轉矩脈動,主要在結构上采取措施:

6.1.1采用多槽

6.1.2增加元作數和換向片數

6.1.3使電刷的寬度減小

6.1.4電樞繞組采用單波繞組（多极電机）

6.2對於由電樞齒槽引起的轉矩脈動,可采取下列措施加以改善:

6.2.1盡可增加電樞槽數,適當加大電動機氣隙,以降低氣隙磁陰不均勻度,減小由此產生轉矩脈動

6.2.2減小槽口寬度,采用磁性槽楔,以減磁阻的變化,削弱磁阻轉矩.

6.2.3用奇數槽,削弱電轉動時引起的電動機磁場場的波,動減小的轉動.

6.2.4采用斜槽.以削弱消或削除齒諧波磁場所引起的轉矩脈動

7.直流電機的換向

7.1改善直流電機換向的方法

7.1.1移刷:

發電機應順轉向移刷.電動機應逆轉向移刷.采用移刷換向相時,換向區內的氣隙磁場將隨電樞電流的增加而減弱.某一刷位只能在某一特定負載的情況下,才能獲得較好的換向.

7.1.2采用適合性能之換向極的光潔度

7.1.3選用接觸電降較大,特別是伏安性陡的電刷,可以有效地改善換向對額定電壓較向的電機使用.

7.1.4采用偏心氣隙空氣隙由主極中心線兩側逐漸大,使電樞磁動勢較大處相應具有較大的氣隙,可降低由電樞反應所引起的磁場畸變程度,使片間電壓最大值減小.

7.1.5采用極尖削角的方法

8.直流電機的工作特性

8.1起動力矩

Tst=Km*Im（牛.米）式中:

Km=（0.16*P*N*Φ）/a（牛.米/安）

Im=（Un-△Ukb）/R2（20°C）（安）

Φ气隙磁通N電樞總導体數

△Ukb電刷電壓降一般取0.5~2.0V

R2（20°C）根椐電樞線徑選擇電樞轉子電阻

電樞轉子電阻和電樞線徑間的關系:

銅鋁線標稱直徑（毫米）

漆包線直流電阻（歐/米）20°C

銅鋁線標稱直徑（毫米）

漆包線直流電阻（歐/米）20°C

銅

鋁

銅

鋁

0.100

0.110

0.120

0.130

0.140

2.466

2.019

1.638

1.424

1.221

3.993

3.268

2.724

2.036

1.997

0.530

0.560

0.600

0.630

0.670

0.08231

0.07357

0.06394

0.05790

0.05109

0.1331

0.1191

0.1035

0.09374

0.08272

0.150

0.160

0.170

0.180

0.190

1.059

0.9264

0.8175

0.7267

0.6503

1.714

1.500

1.332

1.117

1.053

0.690

0.710

0.750

0.770

0.80

0.04813

0.04608

0.04120

0.03904

0.03612

0.07793

0.07460

0.06670

0.06321

0.05847

0.200

0.210

0.230

0.250

0.270

0.5853

0.5296

0.4396

0.3708

0.3282

0.9476

0.8038

0.7117

0.6003

0.5330

0.830

0.850

0.900

0.930

0.950

0.03351

0.03192

0.02842

0.02658

0.02546

0.05425

0.05168

0.04601

0.04304

0.04122

0.280

0.290

0.310

0.330

0.350

0.3052

0.2839

0.2473

0.2173

0.1925

0.4903

0.4596

0.4004

0.3519

0.3119

1.000

1.060

1.120