外转子式直流发电机设计毕业设计.docx

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外转子式直流发电机设计毕业设计

毕业设计

中文题目

外转子式直流发电机设计

英文题目

OuterrotortypeDCgeneratordesign

毕业设计（论文）诚信声明书

本人郑重声明：

在毕业设计（论文）工作中严格遵守学校有关规定，恪守学术规范；我所提交的毕业设计（论文）是本人在指导教师的指导下独立研究、撰写的成果，设计（论文）中所引用他人的文字、研究成果，均已在设计（论文）中加以说明；在本人的毕业设计（论文）中未剽窃、抄袭他人的学术观点、思想和成果，未篡改实验数据。

本设计（论文）和资料若有不实之处，本人愿承担一切相关责任。

学生签名：

年月日

外转子式直流发电机设计

【摘要】时代进步和科技发展的同时，直流发电机在生产、制造、运输及日常的生活中所占的比重是越来越重。

所以，对直流发电机的研究是非常有必要也是非常有意义的。

直流发电机在结构上可以分为两类：

一是内转子直流发电机；二是外转子直流发电机。

外转子直流发电机可以直接驱动电机，从而省去了机械变速装置，这样提高了驱动效率。

因此外转子直流发电机在我国有相当广泛的应用前景。

本次设计的题目是外转子式直流发电机设计，本文是查阅国内外关于直流发电机以及外转子式直流发电机技术资料的基础上展开的设计。

在设计的开始阶段对外转子式直流发电机装置的进行确定，内部的主要零部件进行了详细的设计。

例如，转动轴的设计、校核及分析；定子、转子、机壳的设计以及对轴承的选用等。

最后，根据上面的设计和分析，绘制出外转子式直流发电机装配图及主要零件图，编写了本设计计算说明书。

通过本次设计培养综合分析和解决本专业一般工程技术问题的独立工作能力，拓宽和深化专业知识，为立足社会夯实基础。

【关键词】直流电机，外转子式，设计，校核

DesignofOuterrotortypeDCgenerator

【Abstract】Eraofprogressandtechnologicaldevelopment,theshareoftheDCmotorintheproduction,manufacturing,transportationanddailylifegravityisheavier.Therefore,thestudyoftheDCmotorisnecessaryisverymeaningful.DCmotorinthestructurecanbedividedintotwocategories:

oneisaninnerrotorDCmotor;thesecondisexternalrotorDCmotor.AnouterrotorDCmotorcandirectlydrivethemotor,thuseliminatingtheneedformechanicaltransmissionmeans,whichincreasesthedrivingefficiency.Therefore,inourexternalrotorDCmotorhasawiderangeofapplications.

ThistopicisdesignedouterrotortypeDCgeneratordesignedonthebasisofthispaperistoreviewdomesticandexternalrotorDCgeneratorsandDCgeneratorsoftechnicalinformationontheexpandeddesign.DC'sexternalrotorgeneratorunitisdeterminedatthebeginningofthedesignstage,themaincomponentsoftheinteriordetaildesign.Forexample,design,verificationandanalysisoftherotationshaft;astator,rotor,bearinghousingdesignandtheselectionofthelike.Finally,accordingtotheabovedesignandanalysis,drawtheouterrotorassemblydrawingDCgeneratorsandmajorpartsdiagram,designcalculationspreparedthismanual.

Throughthiscomprehensiveanalysisanddesigncultureingeneralengineeringandtechnologytosolvetheproblemoftheprofessionalabilitytoworkindependently,tobroadenanddeepentheexpertisetolayasolidfoundationbasedonthecommunity.【Keywords】Motor，Outerrotortype，Design，Verification

目录

第1章前言1

1.1外转子式直流发电机的发展历程1

1.2外转子式直流发电机的发展现状1

1.3外转子直流发电机的特点2

1.4本课题研究的内容及目的3

1.4.1本课题研究的内容3

1.4.2本课题研究的目的3

第2章总体结构的设计4

2.1外转子直流发电机的组成4

2.2设计参数的确定5

第3章主要零件的设计和计算6

3.1传动轴的设计和计算6

3.1.1选择轴的材料，确定许用应力6

3.1.2按扭转强度估算轴径6

3.1.3轴的结构设计6

3.1.4轴的受力分析8

3.1.5轴上键槽的设计10

3.2定子铁芯的设计10

3.3电机电枢的设计10

3.4定子的设计12

3.5转子的设计12

结论14

致谢15

参考文献16

第1章前言

1.1外转子式直流发电机的发展历程

通过相应的调查我们可以很清晰的知道，直流发电机在其构造上面可以把它分成2种：

一种是内转子直流发电机；还有一种就是转子在外面的直流发电机。

转子在外面的这个直流发电机能够不要任何辅助元件的带动电机，可以省去中间的传动装置。

在提高功效的同时还可以结束相应的时间。

所以，我们还能够清晰的看到这样的发电机他的发展前景还是比较的宽幅的。

通过他们的名称我们可以理解成转子装在外面的就叫做外转子式直流发电机。

这样的直流发电机是在有了有刷电机以后才出现的新型电机。

在上个世纪中叶就出现了这样的电机，他以拥有很好的转动扭矩的特点和功能，在很长一段时间里面处于领先的步伐。

电子、电力技术的发展在很大层面上决定着直流发电机的发展的快和慢。

在有刷电机刚刚发展起来的开始阶段，因为那个时候功能比较大的电器元器件还在起步的阶段，安全性和可行度得不到保障。

并且价格还是比较高的，还有就是控制水平的发展还不是特别理想，造成了无刷直流发电机从问世以来在很长很长的一段岁月里面得不到好的使用性能，人们对这样的技术和成品也是非常的不看好的，生产出来的成品也只能够在实验室里面做做实验。

从19世纪70年代开始，半导体技术的迅速崛起，很多好的元器件也相应的得到了人们的一致好评，还有就是永磁性材料也出现在人们的面前，这些都在为直流发电机的发展提供了比较有利的保证和保障。

从那个时刻起，我们有开始对外转子直流发电机的发展、研究和分析有了比较浓厚的兴趣，这个也成为了该产品走向成功的一个重要的里程碑。

1.2外转子式直流发电机的发展现状

1.没有机械传动转子的位置传感器进行控制

这样的传感器是整个动力系统里面比较重要的构件之一，不单单是加大了系统的构造费用和复杂性的加大，并且还能够减轻系统因为种种原因带来的不良影响。

同时还需要占据一定的空间位置，在很多应用场合，例如空调器以及计算机外设都要求无刷直流发电机以无转子位置传感器方式运行。

现在市面上行之有效的方法有下面3种：

第1种是利用反电动势的办法，第2种是采用定子三次谐波检测的办法，第3种是采用续流二极管电流通路检测的办法。

2.控制转矩通过脉动的方法

存在转矩是直流发电机的固有缺点，特别是随着转速升高，换相导致转矩脉动加剧，并使平均转矩显著下降。

减小转矩脉动是提高无刷直流发电机性能的重要方面。

3.采用智能进行相应的控制

当前信息和研究的理论数据的表明，在电气控制范畴，一个比较先进的发展趋势就是采用比较先进的方法进行控制，特别是在智能控制理论方面。

随着直流发电机应用范围的扩大，智能控制技术受到广泛的重视。

1.3外转子直流发电机的特点

我们这里讲到的一个以电子换向电路和转动的装置替代了有刷直流发电机的外转子直流发电机。

这样的发电机工作起来比较的可行，维修起来比较的方便，构造上也不是很复杂，还能够实现在调速上无级变速的好处。

直流发电机在其构造上面可以把它分成2种：

一种是内转子直流发电机；还有一种就是转子在外面的直流发电机。

转子在外面的这个直流发电机能够不要任何辅助元件的带动电机，可以省去中间的传动装置。

在提高功效的同时还可以结束相应的时间。

所以，我们还能够清晰的看到这样的发电机他的发展前景还是比较的宽幅的。

通过他们的名称我们可以理解成转子装在外面的就叫做外转子式直流发电机。

和传统的感应发电机相较，这样的发电机拥有很大的功率密度，拥有更好地效率和更加良好的性能。

一般有下面几点好处：

（1）由于采用高性能永磁性材料，直流发电机转子体积得以减小，可以具有较低的惯性，更快的响应速度，更高的转矩惯量比。

（2）因为没的转子上头的损失，这样就不需要所谓定子励磁电流分量，这样来说的话它就工作速度就很快了。

功率一样的机器跟它来比较的话，机器的驱动这点动力就不能满足了，它就需要更大的整流器还有逆变器了。

（3）因为没有来发热的转子，所以我们研究的此款机器也就不需要来考虑给转子降温这个问题了。

（4）永磁没有刷的直的电流的机将感应电动机非线性本质和复杂的控制系统简化为离散六状态的转子位置控制，无需坐标变换。

1.4本课题研究的内容及目的

1.4.1本课题研究的内容

本次毕业设计的主要任务是完成外转子式直流发电机设计。

其技术要求为：

a、额定功率：

500W；b、额定电压：

24V；c、工作温度：

-20-40℃。

确定外转子式直流发电机装置；绘制外转子式直流发电机的图纸；编写不少于5000字的设计计算说明书。

1.4.2本课题研究的目的

（1）培养综合分析和解决本专业的一般工程技术问题的独立工作能力，拓宽和深化学生的知识。

（2）让我们现在在校的学生有一个方向正确的思考，不停留在原来的层面上去考虑问题，同时也要熟悉和理解怎么去思考。

（3）训练我们的在校生能够用正确的方法去查阅相关资料，工具书等等，进行相关设计所需要的一些数据的计算，数据处理，编写技术文件等方面的工作能力。

（4）培养学生进行调查研究，面向实际，面向生产，向工人和技术人员学习的基本工作态度，工作作风和工作方法。

第2章总体结构的设计

2.1外转子直流发电机的组成

通过上面的分析我们可以知道，外转子直流发电机主要由三个部分组成：

1.电动机本体-包括有绕组的定子和永磁转子；2.位置传感器；3.电子换向线路。

1.发电机本体

发电机本体的主要部分是转子和定子。

它们首先必须满足电磁这个层面的需要，要确保工作的过程中所需要的磁通达到需要，这样才能够有一定量的电流流过，然后才能产生电磁转矩．然后，对于机械方面的安排，就是说一定要稳，还要结实，一定要承受的住一定的重量，还有外部环境对机器的侵蚀。

另外，还需考虑节约材料，结构简单．紧凑，运行可靠和温升不超过规定的范围。

具体结构详见下图2－1

图2－1外转子直流发电机结构图

2.位置传感器

位置传感器是无刷电机中实现无接触换向的一个极其重要的部件。

它起着测定转子磁极位置，为逻辑开关电路提供正确换相信息的作用。

也就是位置传感器将转子磁钢磁撅的位置信号转换成电信号。

然后去控制定子绕组电流换相。

位置传感器可分为接触式位置传感器和无接触式位置传感器两大类。

接触式位置传感器结构简单，紧凑，用于比较简易的场合，当它在强烈振动，高真空及腐蚀性介质中工作时，运行不可靠，甚至有危险，不便维修。

而无接触式位置传感器则能弥补上述不足。

3.电子换向线路

电子转变方向的路线和位置传感器相配合，起到与机械换向相类似的作用其任务是将位置传感器的输出信号进行解调．预放大，功率放大，此后发动最后一级功率器件，按照指定的程序来发电，保证驱动器可以动起来。

一般说来，对改变电的线路的基本要求是：

线路简单、运行稳定可靠、体积小、重量轻、功耗小；能按照它的信号进行正确换向．并能控制电动机的正反转；能满足不同环境条件的要求。

2.2设计参数的确定

本次毕业设计的主要任务是完成外转子式直流发电机设计。

根据任务书上面的要求我们可以知道：

发电机的额定功率：

500W；发电机的额定电压：

24V；发电机的工作温度：

-20-40℃。

另外，通过调查及参考同类产品我们还可以确定发电机的额定转速为3000r/min。

第3章主要零件的设计和计算

3.1传动轴的设计和计算

3.1.1选择轴的材料，确定许用应力

因传递的功率不大，对材料没有特殊的要求。

轴的材料主要是碳素钢和合金钢。

采用碳钢制造轴尤为广泛。

采用45钢，并且对其正火处理，根据机械手册查得强度极限

，许用的弯曲应力

。

3.1.2按扭转强度估算轴径

各轴段的直径所需要的轴径与轴上的载荷的大小有关。

在初步确定其直径的同时，还通常不知道支反力的作用点，不能确定其弯矩的大小及分布情况。

因此还不能按轴上的所受的具体载荷及其引起的应力来确定主轴的直径。

但是，在对其进行结构设计之前，通常能求出主轴的扭矩。

所以，先按轴的扭矩初步估计所要的轴的直径。

根据机械设计基础，取A=106，由式

式中p—轴传递的功率0.5kW；n—轴的转速3000r/min

因轴上需开键槽，故轴径应该相应的增大5%。

按照机械设计基础表13-4，取标准值得d=12mm。

3.1.3轴的结构设计

根据上面图2－1外转子直流电机的结构，我们可以初步确定传动轴的结构外形为图3－1，下面就各轴段的直径和长度进行详细的设计。

图3－1轴的结构

第1轴段：

需要安装联轴器或者连接装置，经过相应的计算后确定，该轴段的直径为12mm。

宽度为20mm。

我们在设计的时候应该保证轴段宽度比带轮的宽度要稍微短一些。

所以该轴段的直径取值12mm，长度取值18mm。

第2轴段：

为第1轴段与第3轴段的连接部分。

其主要的作用是对第1轴段安装的连接件起到轴向固定的作用，现设计该轴段的直径取值14mm，长度取值5mm。

第3轴段：

安装支承轴的轴承，经过相应的计算，我们决定选用61902深沟球轴承（轴承的内径为15mm，轴承的外径为28mm，轴承的宽度为7mm），为保证轴承的轴向定位。

所以该轴段的直径取值15mm，另外该轴段还需要安装左端盖，设计端盖的长度为12mm，所以该轴段的长度为18mm。

第4轴段：

为第3轴段与第5轴段的连接部分。

其主要的作用是对第3轴段安装的轴承起到轴向固定的作用，现设计该轴段的直径取值18mm，长度取值10mm。

第5轴段：

也就是轴的中间部分安装定子铁芯，查阅机械设计手册后，设计该轴段的直径为23mm，长度为40mm。

第6轴段：

和第4轴段的作用是一样的，为第7轴段与第5轴段的连接部分。

其主要的作用是对第3轴段安装的轴承起到轴向固定的作用，现设计该轴段的直径取值18mm，长度取值10mm。

第7轴段：

和第3轴段的作用是一样的，安装支承轴的轴承，经过相应的计算，我们决定选用61902深沟球轴承（轴承的内径为15mm，轴承的外径为28mm，轴承的宽度为7mm），为保证轴承的轴向定位。

所以该轴段的直径取值15mm，另外该轴段还需要安装右端盖，设计端盖的长度为12mm，所以该轴段的长度为18mm。

第8轴段：

和第2轴段的作用是一样的，为第7轴段与第9轴段的连接部分。

其主要的作用是对第9轴段安装的连接件起到轴向固定的作用，现设计该轴段的直径取值14mm，长度取值5mm。

第9轴段：

和第1轴段的作用是一样的，需要安装输出连接装置，经过相应的计算后确定，该轴段的直径为12mm。

宽度为20mm。

我们在设计的时候应该保证轴段宽度比带轮的宽度要稍微短一些。

所以该轴段的直径取值12mm，长度取值18mm。

为防止轴段之间的应力集中，我们采用R0.5圆弧过渡，轴的两端进行C1倒角处理。

具体结构详见下图。

图3－2轴的零件图

轴上技术要求：

本轴采用的材料是45钢，在加工前要对其进行热处理，安装键槽的部位其表面粗糙度为3.2um，安装轴承的部位其表面粗糙度为0.8um，安装定子铁芯的部位其表面粗糙度为3.2um。

其余部位的表面粗糙度公差为12.5um。

主要工序的加工工艺：

轴上轴段外圆及端面采用CA6140车床进行加工，键槽采的铣削加工，采用X5032铣床进行加工，磨削轴段采用磨床进行加工。

3.1.4轴的受力分析

1.轴传递的转矩

键槽轴段圆周力

键槽径向力

轴承轴段的轴向力

轴承轴段的圆周力

轴承轴段的径向力

轴承轴段的轴向力

2.支承反力的计算

水平面支承反力R=0

键槽轴段垂直面支承反力

轴承轴段垂直面支承反力

3.弯矩的计算

水平面弯矩

垂直面弯矩

合成弯矩

具体的受力图，弯矩图及扭矩图详见下图3－3：

图3－3受力图、弯矩图及扭矩图

4.按当量弯矩校核轴的强度

查得

，

根据公式计算齿轮处轴径

根据机械设计基础，表13-5查得强度极限

，许用的弯曲应力

，所以按照式13-3得

所以设计的轴满足强度要求。

3.1.5轴上键槽的设计

键的作用是连接轴和安装在轴上的传动件，以传递运动和动力，必要的时候还具有安全保护的作用。

依据上面对轴的设计，我们可以清晰的看到在直径为12mm，长度为18mm的第1轴段和第9轴段上需要加工键槽。

参阅机械设计手册，在公称直径为10-12mm的时候，键的宽度和深度取值为4X2.5，安装在轴上的键槽在以轴为基准时，其公差为0.03mm。

长度确定为14mm。

3.2定子铁芯的设计

即定子冲片是由冲槽的冷轧硅钢片D23迭压在铁芯支架上而成的。

冷轧硅铜片两端的端板由绝缘板冲制而成。

槽数视绕组的相数和概对数而定为60个。

铁芯支架是起支撑、固定铁芯的作用。

为减轻重量，可采用铝合金压铸而成。

为满足设计所求的转矩要求。

在结构设计时．支架和轴采用紧配合，而且应有足够的过盈量。

冷轧硅钢片D23磁化曲线如下表所示：

表3－1冷轧硅钢片D23磁化曲线表

B（T）

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

H（A/m）

138

158

181

210

250

306

383

493

652

890

1260

2010

3.3电机电枢的设计

外转子直流发电机的电枢绕组由铜线绕绕制而成，结构与一般电机的电枢绕组相类似。

它在实现能量转换过程中起着极重要的作用。

此外，应特别指出的是。

电枢绕组浸漆工艺一定要在粘接霍尔元件之前进行。

因为霍尔元件耐热性差．在烘培中易被破坏。

槽数选择：

有些无刷直流电机的槽数应为相数和极对数的整数倍，这是针对无刷直流电机往往采用政距集中绕组而言。

为了构成多相対称绕组，槽数必须是相数的整数倍，但不一定是级数的整数倍。

在无刷直流电机中，如采用整数槽，往往会产生定子的齿同转子磁极相吸而产生类似于步进电动机的定位力矩现象，这对电动机的运行性能产生不良的影响。

随着功率增大或外转子应用，为了改善电机性能，电枢绕组也可以采用分数绕组，采用分数槽绕组的优点主要在于：

（1）定子齿和转子磁极相互错开，从而改善了发电机的运行性能；

（2）电枢冲片的齿槽数减少，便于电枢冲片和铁心的制作；

（3）一般情况下，电枢绕组的第一节距y=1，即每个齿上绕制一个集中线圈，从而可采用自动绕线机绕制，可以显著地降低发电机的制造成本；

（4）能显著地缩短电枢线圈的端部长度，节省铜材；并可以减少电枢的漏抗，增加发电机的出力，提高了灵敏度和效率。

（5）减小齿槽效应引起的力矩脉动。

综上所述，本设计的电机电枢绕组采用分数槽型式绕组。

极槽配合：

在电机中，每极每相槽数q不是整数，而是分数的绕组称为分数槽绕组。

采用分数槽绕组时，每极每相槽数q可以写成：

（3.1）

式中：

m——电机的相数；

Z——齿数（槽数）；

b——整数；

——不可约的真分数。

当

为分数时，则每个极距内的槽数就不是整数。

而当q为真分数时同样满足绕组对称条件。

此时，q可表示为

（3.2）

一般情况下，分数槽电机的Z和p有一个最大的公约数，即

（3.3）

式中：

因此q可写成：

（3.4）

式（3.4）意味着：

在分数槽电机中，每20p个磁极下每相占有

个齿。

在电机中，为了获得对称的电动势和磁动势，首先要求其具有对称的电枢绕组。

在分数槽电机中，不是任何槽数Z和任何磁极对数p相配合就能获得对称的电枢绕组的。

为了获得对称的电枢绕组，参数Z、p和m必须满足下列关系：

（1）Z/m=整数

（2）

=整数（

，

）

上述关系式被称做分数槽绕组的对称条件。

综合上述条件，并参考相似电机和实际的需要，本次设计选择了Z=6槽、p=2对极的极槽形式，属于分数槽电机，符合分数槽绕组的对称条件。

Z和p有最大公约数t=2。

3.4定子的设计

外转子直流发电机的定子主要由定子铁芯，电枢绕组和轴等三个部分组成。

定了铁芯是采用冷轧硅钢片D23迭压在铁芯支架而成的长度为0.0625m，冷轧硅钢片厚度为0.5mm冲槽数为60个。

冷轧硅钢片两端的端板由绝缘板冲制而成，以防止电枢绕组对地短路。

绕组线径0.5，绕组圈数60。

3.5转子的设计

转子是电机中的旋转部件,主要由机壳,端盖,永磁体等组成。

电机外壳一般采用铸钢或铸铁,在本设计的电机采用的是10号钢作为材料。

因其具有良好的导磁能力和良好的钢度所以一般作为首选。

在机壳的内圆周面安放的是烧结钕铁硼永磁体，这二者是用粘结剂粘在一起作为电机的旋转部件即外转子。

粘结剂应选用耐温和粘接性能都比较强的种类，另外机壳的内圆周面不能太光滑，它应具有一定的粗糙度以便于永磁体与机壳的粘结。

本设计的外转子直流发电机的永磁体采用烧结钕铁硼30SH，其性能在电机结成部件中已详细说明在此就不重复了。

端盖是用螺钉固定在机壳上的。

它由铝合金压铸加工而成。

选用铝合金的目的是：

第一，铝的比重小，可减轻电机的总重量；第二，铝屑非导磁体．可减小主磁场的漏磁。

在端盖的设计中，既要注意铝合金压铸工艺的要求，又要保证端盖具备一定的机械强度。

结论

本次设计是对大学所学的一个综合考察。

作为一名大学生，在设计方面有了更大的进步。

在这几个月的时间里，通过网上查找资料，翻阅设