直流電機設(shè)計詳細版

1、直流電機設(shè)計1.電機主要尺寸與功率，轉(zhuǎn)速的關(guān)系：與異步電機相似，肓流電機的功率,轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系是：d22*lg=6. l*10s*p" /(ap*a*bg*ky*n) (1)d2電樞直徑(cm)電機初設(shè)計時的主要尺寸lg電樞計算長度(cm)根據(jù)電機功率和實際需要確定p，計算功率(、¥) p" =e*ia=(l+2 n )*pn/3 ne 二 ce* *n*ky 二(p*n/60*a) * 2*n*ky* 10 sce電勢系數(shù)a 支路數(shù)在小功率電機中取a=2p 極數(shù)在小功率電機中取p=2n 電機總導(dǎo)體數(shù)n 電機額定轉(zhuǎn)速ky電樞繞組短矩系數(shù) 小功率永磁電機p二2吋，采

2、用單疊繞組 ky=sin (y】/ t ) * n /2刃繞組第一節(jié)距ap極弧系數(shù)一般取/二0. 60. 75正弦分布時ap=0. 637 每極磁通 二8p*t*lg*bgt 極距(cm) t = ji *d2/pbg 氣隙磁密(gs)又稱磁負荷 對鋁鐮bg二(0.50.7) br 對鐵氧體 bg二(0. 7085) br, br為剩磁密度a電樞線負荷a二ia*n/(a*兀*d2)ia電樞額定電流 對連續(xù)運行的永磁電動機, 一般取a= (3080) a/cm另外電機負荷二ia/(a*sd),其中sd二n *ct/4 d為導(dǎo)線直徑為了保證發(fā)熱因子a*a w1400 (a/cm*a/mm2 )通常

3、以電樞直徑d2和電樞 外徑la作為電機主要尺寸,而把電動機的輸出功率和轉(zhuǎn)矩為電機的主耍性能，在 主要尺寸和主要性能的基礎(chǔ)上，我們就可以設(shè)計電機了.在(1)式的基礎(chǔ)上 經(jīng)過變換可為：d22*lg*n/p =(6. 1*108/ n2)*l/(ap*bg*a) =ca由上式可以看，g的值并不取決于電機的容量和轉(zhuǎn)速，也不直接與電樞直徑和長 度有關(guān)，它僅取決于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(shù)，通常稱為電機常數(shù)，它的道數(shù)kfl/g二(p /n)/(d22*lg)sa*bg*a稱為 電機利用系數(shù)，它是正比于單位電樞有效體積產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的一個比例常數(shù).2.直流電機定子的確定

4、2.1磁鋼內(nèi)徑根據(jù)電機電樞外徑d2確定磁鋼內(nèi)徑dmi=d2+2g+2hp其中g(shù)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,鋁鎳鉆磁缸電機可取得較小，因鐵氧體隹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(yīng)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(wěn)定,主極表面損耗和噪?yún)鸺觿?，以及電樞繞組加人，較人的氣隙，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,還可調(diào)節(jié)極靴 形狀以改善空載氣隙磁場波形，負載時交軸電樞反應(yīng)磁通經(jīng)極靴閉，和對永磁磁 極的影響較小.但這樣會使磁鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本增加，漏

5、磁系數(shù)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(shù) 小，能產(chǎn)牛較多的磁通，材料利用率高，氣隙磁場畸變,而且結(jié)構(gòu)簡單，便於生產(chǎn). 其缺點是容易引起不可逆退磁現(xiàn)象.hp極靴高(cm)無極靴結(jié)構(gòu)時hp二02. 2磁鋼外徑dmo=dmi+2hm （瓦片形結(jié)構(gòu)）hni永磁體磁路長度，它的尺寸應(yīng)從滿足(1)有足夠的氣隙磁密(產(chǎn)生不可 逆退磁)，(2)在要求的任何情運行狀態(tài)下會形成永久性退磁等方面來確定，一般 llm=(515)g ihn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,而對于鋁銀鉆來說，br較大

6、，則sm取小 值.環(huán)形鐵氧體磁鋼截面積sm=ap*p* (dm i +hm) lg/p (cm)瓦片形鐵氧體磁鋼面積：sm=ap*p* (dmi+hm) lm/p (cm)瓦片形鐵氧體弧度角：b=180° *2/p2.4磁鋼軸向長度lm對鐵氧體由于br小，為了增加磁鋼截面sm,則lm=(l. t1. 2)la2. 5磁鋼的選擇：2.5. 1磁鋼的材質(zhì)在永磁直流電機中，磁鋼相當(dāng)于串激電中的定子線圈中，它在定子鐵殼中產(chǎn) 生磁場，它和其它電機一樣，是利用電磁感應(yīng)原理在磁場媒質(zhì)中進行能量轉(zhuǎn) 換的,磁場在能量轉(zhuǎn)換過程中起媒介作用，在永磁直流電機中產(chǎn)牛磁場的磁 源是充過磁的永磁體，也叫磁鋼)充過

7、磁的磁石性能對電機的性能有很大的 影響.在現(xiàn)代電機制造屮，磁鋼的材料有下列幾種:鐵氧體鋁銀鉆合金，稀士合 金，錢鐵硼等.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:£b<t>磁滯回曲線與磁化曲線|b<t>磁滯回曲線與磁化曲線永磁材料的磁性能可以用磁滯冋線來反映和描述.即用b=f (h)曲線來反映永磁 體的磁感應(yīng)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(dāng)hmx達到hs i寸冋線面積漸近地達到一個最犬值，而且 這時磁性能也較穩(wěn)定，面積最大的回線被稱為磁滯

8、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，退磁曲線屮磁感應(yīng)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(dāng)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(shù)(br, he)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(shù).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(zhuǎn)速降低2. 6永磁材料的選擇.2. 6永磁材料的選擇.2.6. 1應(yīng)保證電機氣隙中有中足夠的氣隙磁密和規(guī)

9、定的電機性能指標(biāo)2. 6. 2在規(guī)定的環(huán)境條件.溫度條件和使用條件下電機性能穩(wěn)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(jīng)濟性2. 6. 5盡量選擇最大磁能積大的磁鋼2. 6. 6根據(jù)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(chǎn)生很長的脈沖進行鋁襟鉆充磁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(shù)3）不能有效地使充磁質(zhì)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(huán)速度下產(chǎn)生脈沖磁場2）它能給充磁夾具提供大電流，

10、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犬功率電線連接.4) 交流電壓110v600v單相50hz或60hz2.7.3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(nèi)釋放出一 個很大幅值的電流脈沖(5000a)這些電流能夠產(chǎn)生很大的磁場2) 對于充磁材料的幾何尺寸或形狀限制了充磁夾具中 的線圈數(shù)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，故根據(jù)實際情況而定.同樣磁鋼采用取半圓內(nèi)充磁時，可以使氣 隙磁密的波形為正弦波，雙半圓內(nèi)充磁磁頭的尺寸如下：b 二90。

11、 115。a=dmi-(0. 1、0 2) mmr二(0. 50. 7)a 環(huán)形r二(0. 70. 78)a 瓦形0=180° *2p/(p/2)二 135°l二lm+(24)mmlm為磁鋼軸向長度(cm)dm i磁鋼內(nèi)徑(cm)充磁夾具屮的條形極,，硅鋼片或碳鋼的絕緣用合成的玻璃纖維纏繞 或環(huán)繞氧樹脂通過流化進行環(huán)氧樹脂處理而成.充磁夾具按要求的循環(huán)速率和運 行條件進行常規(guī)的四個小時的常規(guī)測試，它是通過安裝銅散熱片或鋼制條形極上 開通風(fēng)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+1000v2. 8永磁電機定子鐵殼的選擇2.8.1機殼厚度h,

12、選取時要考慮不應(yīng)使定子軌部磁密bk太高一般應(yīng)使 bk二1518t則機殼厚度hjhj 二 o * / (h*bk)h機殼長度 根據(jù)主要尺寸和實際需要確定,一般為0. co. 3cmbk機殼磁密如若弘太高,則增大hj以減小bk值,有些屯機使用增磁環(huán)，就是這一道理每極磁通即氣隙磁通o 磁鋼漏磁系數(shù)。二1 廣132. & 2機殼外徑 dj=dmo+2hj3. 電機電樞的選擇3. 1電樞尺寸的確定電樞外徑和長度根據(jù)同型號電機或根據(jù)電機功率確定3. 2槽數(shù)選擇根據(jù)d2選擇槽數(shù)q.q通常為奇數(shù)，因為奇數(shù)槽能減小由電樞齒產(chǎn)生的主磁通脈動，有利於減少定位力 矩但在大批量生產(chǎn)中，一般采用偶數(shù)槽偶數(shù)槽有利於

13、轉(zhuǎn)子繞線，減小生產(chǎn)成本.槽數(shù)選擇一般從以下幾個方面考慮：1. 元件總數(shù)一定時，選擇較多的槽數(shù),可以減小每槽元件數(shù)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(shù)增多后，繞組接觸鐵 心的面積增加，有利于散熱.但q增加，槽絕緣和應(yīng)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，電樞齒矩嚴(yán)減小齒根容易損壞，齒矩一般控制在當(dāng)d2<30cm, 12>1. 5cm,當(dāng) da>30cm, t2>2. ocm3. 電樞槽數(shù)應(yīng)符合繞組的繞制規(guī)則和對稱條件.4. 根據(jù)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二la*n/ （

14、a* n *d2）（a/cm）la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= e/ dp*t*lg （ t）3. 3.1選用較高的電磁負荷，可以節(jié)約材料，縮小電機體積，a過高，會產(chǎn)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(yīng)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，并使電機的溫升升高.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(yīng)考慮a和bg夕卜，還應(yīng)考慮a, bg的乘積以及a, bg的比例關(guān)系， 由于電

15、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，同吋a值的減小也使電樞的用銅量降低,對於低轉(zhuǎn)速直流電機 鐵損耗較小，bg可選用較大值，而對於高轉(zhuǎn)速電機，鐵損耗較大會，bg應(yīng)選用較 小值.3. 3. 2電磁負荷對電機性能和對經(jīng)濟性的影響3. 3. 2. 1線負荷a較高，氣隙磁密b g不變（1）電機的尺寸和體積將變小，可節(jié)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b g不變的條件下，每極磁通將變小，為了產(chǎn)生一定的感應(yīng)電勢，繞組匝數(shù)必須 增多.（4）增大了電樞單位表面上的鋼（鋁）耗

16、，使繞組溫升增高.（5）影響電機參數(shù)與電機特性.3. 3. 2. 2氣隙磁密b g較高,線負荷a不變（1）電機的尺寸和體積將較小,可以節(jié)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吋,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(guān)系，鐵內(nèi)磁密將相應(yīng)增加，鐵的比損耗 （即單位重量鐵心屮的損耗）是與鐵內(nèi)的磁密的平方成正比的因此隨著eg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(dǎo)致電樞鐵耗加，效率降低，在 泠卻條件不變時，溫升也將升高.氣隙磁位降和磁路的飽和程度將增加

17、.b g提高後，一方面直接增大了氣隙磁位降的數(shù)值;另一方面.由于鐵內(nèi)磁密增大而 使磁路飽和程度增加.這樣，對于育流電機和同步電機，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;在冷卻條件不變吋使勵磁繞組溫升 增高還會因為勵磁繞組體積過大而使布置發(fā)生困難（內(nèi)極式電機）或?qū)е麓艠O與 電機外形尺寸加大（外極式電機）對于感應(yīng)電機，會因勵磁電流增加而使功率因 數(shù)變壞. 影響電氣參數(shù)與電機特性，隨著bg的增大，繞組電抗的標(biāo)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(jié)構(gòu)的等級也直接影響電磁負荷的選擇所用絕緣結(jié)構(gòu)的耐熱等級越高，電機允許的溫升也越

18、高.電磁負荷可選高些; 導(dǎo)磁材料（包括兼起磁路作用的某些結(jié)構(gòu)部件的材料）性能越好，允許選用的磁密 也越高，電樞繞組釆用鋁線時，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. 3.2.4 a, bg的選擇和電機的功率及轉(zhuǎn)速有關(guān)確切地說是與電樞直徑（或極距）及轉(zhuǎn)子的園周速度有關(guān)園周速度較高的 電機其轉(zhuǎn)子與氣隙中泠卻介質(zhì)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b g也應(yīng)越小.3. 3. 2. 5 a, bg的選擇和電樞槽的關(guān)系在內(nèi)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

19、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(dāng)電機功率較小時（通常直徑也越?。魹槠叫胁郾?，則b g的數(shù) 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人值有一定限制， 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(shù)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(guān)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

20、荷與電樞直徑的關(guān)系:ooo1002003004氣隙磁密與電樞直徑的關(guān)系:da (cm)102030405060 603. 4直流電機換向器的計算3.4.1換向器直徑的計算dc= (0. 50 9)02d2電樞直徑de的選取應(yīng)考慮換向器表面圓周速度不大于50m/s.即vc 二 p*dc*nn*102/6(k (5055)m/s3.4. 2換向片數(shù)kk 二(1-3)q微型電機取k二q3.4. 3換向片寬bebc=tc-s c (cm)tc=兀 *dc/k5 c=0. 40 5 (mm)3.4. 4換向器長度一般電機 lc=lb+ 仃、2. 5) cmlb電刷長度(cm)4. 直流電機用電刷4. 1

21、屯刷截面積sb 二 2*in/p*zb (cm2)式屮ab-一電流密度，當(dāng)采用金屬石墨電刷時ab可取為1520a/cn?4.2電刷寬度bb二(廣2.5)tc (cm)在少槽電機中為了限制換向區(qū)寬度bb<tc控制 bbo. 20. 25 t c t c 為換向器極距 t c二 n *dc/p電刷長度lb=sb/bb4. 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(dǎo)屯性，電刷與換向器的接觸壓

22、降小，適用于低 電壓電機，常用于un<12v電機屮.由于電刷材質(zhì)與電機性能和電機換向有很大的關(guān)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(chǎn)生部位5. 1機械噪音5.1.1轉(zhuǎn)子不平衡振動5. 1.2轉(zhuǎn)子軸向竄動5. 1. 3電刷與換向器或滑環(huán)之間摩擦噪聲5. 14軸承噪聲或軸承不良5. 1. 5定子與轉(zhuǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)子徑向磁力過大5. 2. 5轉(zhuǎn)子兩端調(diào)整墊圈分布不當(dāng)，軸向磁場分力

23、過大.5. 2. 6機殼表而輻射或共振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(fēng)扇渦流聲（小電機不存在）6. 永磁屯動機的轉(zhuǎn)矩脈動和低速平穩(wěn)性在某些場合，常要求電動機在低速時輸出較大的轉(zhuǎn)矩，且運行平穩(wěn)，影響 它的因素是轉(zhuǎn)矩脈動1換向引起的轉(zhuǎn)矩脈動2.齒槽效應(yīng)引起的脈動.6. 1為了減小換向引起的轉(zhuǎn)矩脈動，主要在結(jié)構(gòu)上采取措施：6. 1. 1采用多槽6. 1. 2增加元作數(shù)和換向片數(shù)6. 1.3使電刷的寬度減小6.1.4電樞繞組采用單波繞組（多極電機）6. 2對於由電樞齒槽引起的轉(zhuǎn)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(shù)，適當(dāng)加

24、大電動機氣隙，以降低氣隙磁陰不 均勻度，減小由此產(chǎn)生轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩.6. 2. 3用奇數(shù)槽，削弱電轉(zhuǎn)動時引起的電動機磁場場的波，動減小的轉(zhuǎn)動.6. 2. 4釆用斜槽.以削弱消或削除齒諧波磁場所引起的轉(zhuǎn)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(fā)電機應(yīng)順轉(zhuǎn)向移刷.電動機應(yīng)逆轉(zhuǎn)向移刷.采用移 刷換向相時,換向區(qū)內(nèi)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z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

25、地改善 換向?qū)︻~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(cè)逐漸大，使電樞 磁動勢較大處相應(yīng)具有較大的氣隙，可降低由電樞反應(yīng)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&直流電機的工作特性8. 1起動力矩tst 二 km*ini(牛米)式中：km=(0. 16*p*n* )/a（牛.米/安）lm=(un-aukb)/r2 c)（安）e氣隙磁通 n電樞總導(dǎo)體數(shù)aukb電刷電壓降一般取0. 52.0v&加o 根據(jù)電樞線徑選擇電樞轉(zhuǎn)子電阻電樞轉(zhuǎn)子電阻和電樞線徑間的關(guān)系:銅鋁線標(biāo)稱 直徑（毫米）漆包線肓流電阻（歐/米）20。c銅鋁線標(biāo)

26、稱肓 徑（毫米）漆包線直流電阻（歐/ 米）20。c銅鋁銅鋁0. 1002. 4663. 9930.5300. 082310. 13310. 1102.0193. 2680.5600. 073570. 11910. 1201.6382. 7240. 6000. 063940. 10350. 1301.4242.0360.6300. 057900. 093740. 1401. 2211.9970. 6700. 051090. 082720. 1501.0591. 7140. 6900. 048130.077930. 1600. 92641.5000.7100. 046080.074600. 1700.81751.3320. 7500. 041200. 066700. 1800. 72671. 1170. 7700.039040.063210. 1900. 65031.0530. 800. 036120. 058470. 2000. 58530.94760. 8300.033510. 054250.2100. 52960.80380. 8500. 031920.051680. 2300.