串激電機設計

1、第一章 概述1-1單相串激電機設計進展1 單相串激電機的設計研究概述：為適應電動工具以及小型家用電器之應用需要，串激電機設計得到了長足進步。2 電磁設計上的進展：據(jù)估計每隔十年，單位重量出力提高20%30%，可歸納如下：(1) 提高電機轉速;(2) 增大轉子直徑，提高定子/轉子外徑比。由0.520.56提高到0.540.59，使定轉子溫升趨于平衡；(3) 采用深槽定子，得益于采用了自動繞線機，可以采用較大的轉子外經(jīng)并縮短定子匝長?？商岣唠姍C效率10%20%；(4) 提高電磁密度，適當提高激磁安匝?？梢钥s小結構尺寸，有利換向，提高電機硬度；(5) 減少沖片規(guī)格，提高通用性。降低成本，適應自動化批

2、量生產(chǎn)； 1-2單向串激電機的設計要求1 電機設計的基本要求（1） 功率要求，適當選取功率，綜合平衡效率、溫升、及體積之要求；（2） 效率和攻率因數(shù)的要求；（3） 其它額定指標，包括啟動轉矩，最小轉矩，最大轉矩等；2 單相串激電機的設計特點及要求（1） 額定工作點，額定輸出轉矩時電機應不低于額定轉速；（2） 控制換向火花，因換向無法計算，故要求嚴格控制火花相關的各設計參數(shù)；（3） 其它設計要求；第二章 主要尺寸及電磁參數(shù)選取2-1 主要要尺寸及電磁負荷1主要尺寸D1,D2及L確定電機主要尺寸，一般從計算入手：（cm3）電磁內(nèi)功率（即通常所說的電磁功率），可有后式估算極弧系數(shù)，取0.60.7氣隙

3、磁密（T），可按（圖12）選取線負荷（A/cm），可按（圖12）選取轉速(r/min)從上式看出，取值越大，電機尺寸越小，但取值受其他因素制約，詳見后述。轉速越大，電機尺寸也越小，電機轉速同樣受到機械，換向等因素的制約。在此處，可用額定轉速代入式中作計算。電磁功率為通過氣隙磁場，從定子側傳遞到轉子的功率可用下面經(jīng)驗公式計算：當0.5當0.5上式中為輸出功率，可按額定輸出功率帶入計算。為電機效率，可按額定效率代入計算，當需要計算者確定時，可按（圖11）選取，此為當前生產(chǎn)連續(xù)定額E,B級絕緣的平均效率曲線。對于短時運行定額的電機或采用耐熱等級更高絕緣的電機，效率值應下降。確定后，接著可確定電樞沖片

4、的值，應綜合考慮電機使用條件，通用性及派生的要求，同時考慮合適的長徑比，通常為0.51.5之間。較大的值使電機細長，銅利用率較高，但是制造工藝性較差，繞組撓度大，冷卻差，漏抗大換向不利。確定后可以方便的確定鐵心疊長。的比值可在0.540.59之間選取，較大值適合于深槽轉子，從而確定定子外徑。2線負荷及氣隙磁密電樞線負荷表示電樞外徑圓周單位長度上的安匝，越大則尺寸越小，銅耗增大，線匝增多而導致?lián)Q向惡化。因此增大是有限制的。從8-1式來看,一定時，也是定值，取得大則可取小，反之亦然。但二者取值都是受其他因素制約的，初步設計時可參照（圖12）選取，該曲線是用于連續(xù)負載E,B級絕緣單相串激電機，對于短

5、時定額可適當提高(A/cm)(T)2-2磁路參數(shù)選取1.定轉子安匝比和鐵心各部分磁密定轉子匝比是一個重要的磁路控制參數(shù)，為一個極的定子線圈匝數(shù)，為電樞總導體數(shù)，匝比大小表示定、轉子磁場的相對強弱情況，其值對電機性能、換向情況、機械特性硬度以及損耗效率都有影響，簡單分析如下：匝比大，定子主磁場強，電樞相對弱，則磁場畸變小，有利換向。匝比大，定子主磁場強，磁路飽和度高，利于穩(wěn)定轉速，提高機械硬度。匝比大，銅耗增大，溫升增高，效率下降，定子電抗增大而功率因數(shù)降低。實際上，匝比應維持合理范圍，過大沒有意義。當磁場足夠飽和時，在增加定子激磁安匝，定子磁場不會明顯增強，因而失去了積極方面的意義，反倒使銅耗

6、增加了。定轉子安匝比推薦范圍為0.851.3。功率小取大值，功率大（400W以上）取較小的值。磁路的飽和程度是由鐵心各部分磁密大小來決定的，由于結構的需要，各部分磁密不同。正常設計的電機，各部分磁密范圍一般如下：定子極身磁密 0.60.9（T） 1.01.4（T）深槽定子定子軛部磁密 1.61.75（T）電樞齒部磁密 1.651.8（T）電樞軛部磁密 1.351.65（T）2.極弧系數(shù)和氣隙長度極弧系數(shù)是極弧長度和極距的比值。極弧系數(shù)越大，電機尺寸越小。但極弧系數(shù)過大則影響到換向區(qū)域，對火花不利。當定子磁勢為矩形波時，從傅麗葉級數(shù)分析，可看出各分量諧波隨值的變化情況（圖1-3）。從圖可見，當為

7、0.667時，3次分量為0(見圖1-3)，所以一般取0.6670.7，若氣隙采用不均勻設計時，可放大。氣隙長度也是磁路重要參數(shù)，氣隙中所分擔的激磁磁勢占全部激磁磁勢的40%50%。越長，磁勢消耗越多，使定子繞組匝數(shù)增多，銅耗增加，并因定子電感增大，而使功率因數(shù)下降。增大也有好處，可減弱電樞反應，有利換向，并且也減弱齒槽效應，降低損耗，弱化定轉子偏心帶來不利的影響。單相串激電機通常取為0.3mm0.9mm,小電機取較小值。選用計算式如下：(cm)極距（cm）可按圖12選取為了改善換向，可采用非均勻氣隙。非均勻氣隙通過極弧偏心來實現(xiàn)（如圖14）。其偏心量由下式計算：（cm）不均勻氣隙的等效氣隙按下

8、式計算圖1-4不均勻氣隙示意圖12（cm）2-3繞組溫升控制電機繞組溫升都有限制的規(guī)定,它是按照所使用的絕緣材料的耐熱等級和使用壽命的需要而制定的。通過熱計算來控制溫升,則計算反復且正確性差,所以工程上通過控制和繞組溫升相關的參數(shù)來間接控制溫升,實踐證明是合理可行的。1.限制值來控制電樞繞組溫升電樞繞組銅耗直接影響電機發(fā)熱，所以線負荷和電流密度的乘積可以用來控制繞組溫升。為了控制溫升不超過某一數(shù)值，只需控制值不超過某一值即可。為了給電磁設計提供合理的值，應按照電機主要尺寸來計算的限制。下式是計算值的經(jīng)驗公式：（）單位（cm）單位（cm）值單位（r/min）其中系數(shù)可根據(jù)額定輸出功率從圖15中選

9、取，此曲線適用于連續(xù)運行定額溫升不超過70K扇冷結構電機。應該指出，在實際工程中，溫升控制參數(shù)宜低于限值并留有裕度，以適應批量生產(chǎn)中的離散性。2.限制的數(shù)值以控制定子繞組溫升直接影響定子溫升的因素是定子銅耗,是電機主電流,是定子電阻。因此只要控制定子銅耗就能控制定子溫升。定子繞組溫升往往低于轉子溫升，這是正常的，是由電機結構和散熱特點所決定的。但二者不可相差過大，否則說明材料利用不合理。同樣可用電機主要尺寸來計算定子銅耗的限值，計算式如下：（W）系數(shù)可根據(jù)定子外徑從圖16選取。此曲線適用于連續(xù)運行定額及溫升不超過60K扇冷結構電機。第三章 單相串激電動機的電磁設計程序3-1校算分析程序、設計綜

10、合程序和優(yōu)化設計程序目前，常用的各種電機設計程序，多數(shù)校算分析程序。電機設計計算變量繁多，且約束不夠，因而只能做出一系列假設，在一定的假設下計算出一套結果，再返回去和假設條件比較，看是否相符。如果相符，則結果可信，反之需要重新調(diào)整假設，再次計算。如此循環(huán)，逐漸逼近，最終得到正確答案。校算分析程序存在多解情況，因而，設計者經(jīng)驗對設計結果存在很大影響。3-2單相串激電動機電磁設計程序1.程序簡介本程序主要用于輸出功率為60-1200W、負載轉速為6000-18000r/min的單相串激電機的設計計算。經(jīng)實際使用驗證，具有較高的計算正確性，但超出適用范圍使用時，計算正確性會受到一定影響。本程序?qū)儆谛?/p>

11、算分析程序，設計者經(jīng)對設計方案的優(yōu)劣會有影響。本程序在步驟安排上，已考慮了盡可能減少計算上的反復，為此首先計算出轉子，從而推算磁通，然后進行磁路計算，損耗計算，端電壓校算，功率因數(shù)校算，功率校算。具體的設計計算方法及詳細說明在程序中介紹。2.電磁設計程序額定數(shù)據(jù)1額定輸出功率(W)2額定轉速（r/min）3額定輸出轉矩(N.m)()4額定電壓(V)5額定頻率(HZ)6額定效率7額定功率因數(shù)額定數(shù)據(jù)是對計算任務所提出的要求，電磁計算的最終結果，就是在保證達到額定數(shù)據(jù)要求的前提下，確定定轉子繞組及有關的結構參數(shù)。結構參數(shù)（參見圖2-1）圖2-11定子外徑（cm）2定子內(nèi)徑（cm）3轉子外徑（cm）

12、4轉子內(nèi)徑（cm）5鐵芯長度（cm）6氣隙長度（cm）7定子極寬（cm）8定子極高（cm）9定子軛高（cm）(如非平行軛，取靠近最狹處的處的軛高) 10定子槽寬（cm）11轉子槽口寬度（cm）12轉子槽上部寬（cm）13轉子槽口高度（cm）14轉子槽楔厚度（cm）15轉子槽上部深（cm）16轉子槽芯深度（cm）17轉子槽底半徑（cm）18轉子齒寬（cm）（對非平行齒，t取靠近最狹處的處的軛高）19轉子槽數(shù)20換向器外徑（cm）21換向器片數(shù)22電刷長度（cm）23電刷寬度（cm）結構參數(shù)是根據(jù)上章所述的設計原則以及運用幾何、三角的計算公式而提出的，通過電磁計算，結合繞組參數(shù)的設計，最后確定結構

13、參數(shù)。在電磁計算過程中，發(fā)現(xiàn)已提出的結構參數(shù)不能符合原先設想的設計原則，不能保證額定數(shù)據(jù)的要求時，則要修改原先提出的結構參數(shù)，如修改定、轉子槽形，放長鐵芯等等。結構參數(shù)也可能由于通用化的要求而提出的，如需要通用定轉子沖片，此時，在電磁計算中，不允許改變沖片的任何尺寸，只能改變鐵芯長度來滿足額定數(shù)據(jù)的要求。計算1負載電流(A)2轉子繞組線規(guī)(mm/mm)絕緣導線外徑銅線直徑（結合下步要計算的電流密度和槽滿率的設計要求，按計算程序附表一可初步選定繞組導線線規(guī)。）3轉子導線截面（mm2）4轉子繞組電密（A/mm2）5轉子線負荷（A/cm）（按對設計要求算得）6轉子總導體數(shù)7轉子每槽導體數(shù)8轉子槽滿率

14、為槽絕緣厚度間隙（cm）一層槽絕緣間隙為0.005（應不大于0.76，如用自動繞線機繞制則不宜大于0.65）9轉子繞組平均半匝長(cm)(當小于4cm)(當大于4cm)10轉子繞組電阻（）11損耗比例系數(shù)（此數(shù)值僅用于初算）12內(nèi)功率（電磁功率）(W)13旋轉電勢(V)14電機常數(shù)15極距(cm)16極弧系數(shù)17計算極距(cm)18實槽節(jié)距19短距系數(shù)20磁通(Wb)21虛槽節(jié)距22前節(jié)距23換向器線速度(m/s)24轉子線速度(cm)25換向器片距(cm)26換向區(qū)域?qū)挾?cm)核算27電刷電密（A/cm2）28轉子齒距29轉子外齒寬（cm）30轉子槽寬平行齒（cm）非平行齒（cm）31轉子

15、槽形系數(shù)32轉子單位漏磁導33轉子每元件匝數(shù)34換向元件中電抗電勢(V)35換向元件中變壓器電勢(V)36換向元件中電樞反應電勢(V)37轉子軛高(cm)(轉軸復有絕緣層)(轉軸不復絕緣層)38定子軛部磁密（T）39電樞軛部磁密（T）40定子極身磁密(T)41氣隙磁密(T)42電樞齒部磁密(T)43定子軛磁場強度(A/cm)（按查設計程序附表二）44定子極磁場強度(A/cm)（按查設計程序附表二）45轉子軛磁場強度(A/cm)（按查設計程序附表三）46轉子齒磁場強度(A/cm)（按查設計程序附表三。當時按31項槽形系數(shù)查設計程序附表四）47定子軛磁路長度（cm）48轉子軛磁路長度(cm)(轉軸

16、復有絕緣層)(轉軸不復絕緣層)49轉子齒磁路長度(cm)50氣隙系數(shù)51氣隙激磁磁勢(A)52定子軛激磁磁勢(A)53定子極激磁磁勢(A)54轉子軛激磁磁勢(A)55轉子齒激磁磁勢(A)56借偏去磁磁勢(A)(虛三槽電機)(虛兩槽電機)電刷偏離幾何中心線的角度，單位為弧度。當采用接線借偏方式時，按下式計算（弧度）為接線借偏片數(shù)57換向增磁磁勢（A）58電樞反應磁勢(A)數(shù)值從過渡特性曲線中求得。畫曲線時，可用標幺值來畫，以磁通為時的值，計算出此時的，以此作為計算標幺值時的基值（分母）。yx時的值利用畫過渡特性曲線的方法來求得電樞反應安匝，這是常用的方法。由于電樞反應，也即轉子磁場的作用，使得定

17、子極下一側增磁，一側去磁，同時由于磁路飽和的原因，增磁抵消不了去磁，從而使得總磁通量降低。所以要增加一部分定子磁勢，稱為電樞反應磁勢。利用曲線來求取電樞反應磁勢是有很多假設條件的，它假定轉子所產(chǎn)生的磁勢，只影響氣隙磁勢和轉子齒磁勢。實際上也影響定子軛與轉子軛，尤其是當軛部磁密較高時，所以只考慮，是不夠精確的。畫曲線時，發(fā)現(xiàn)比值比較大，甚至其標幺值（）大于1，也是這個原因。但經(jīng)過較多設計案例與實樣對比，這個偏差對整體設計結果影響不大，故在此不做修正。59總激磁安匝60定子每極匝數(shù)（取整數(shù)）61定子線圈線規(guī)（mm/mm）絕緣導線外徑銅線直徑（結合下步要計算的電流密度或定子銅耗的限值要求，核對定子線

18、圈寬度在定子槽內(nèi)安放的可能性，按設計計算程序附表一可初步選定導線線規(guī)。）62定子導線截面（mm2）63定子線圈電密（A/mm2）64定轉子安匝比65定子線圈線模寬 (mm)取整數(shù)（當小于3cm）（當大于3cm）66定子線圈線模長（mm）HrLmBmL1銅線標稱直徑（mm）（mm）小于0.450.450.5大于0.534567定子線圈線模高（mm）68定子線模每層匝數(shù)(取0.5的整數(shù))取0.05，當取0.03，當69定子線圈寬度 （mm）(檢驗定子窗口能否安放)70定子線圈平均每匝長度（mm）71定子繞組電阻（）72定子繞組電阻壓降（V）73轉子繞組電阻壓降（V）74定子漏抗壓降（V）75轉子漏抗壓