永磁直流電動機開發(fā)培訓資料一

1、培培 訓訓 目目 的的 一、一、培訓目的要明確，培訓目的要明確，目標明確目標明確，瞄準目標，瞄準目標，用對用對技能技能，才能一靶中的。，才能一靶中的。二、此次培訓目的是：二、此次培訓目的是：1.加強學員們關(guān)于永磁直流電動機的理論知識；加強學員們關(guān)于永磁直流電動機的理論知識；2.增強學員們用增強學員們用理論指導實踐理論指導實踐，用，用實踐豐富理論實踐豐富理論的的能力；能力；3.提高提高學員們永磁直流電動機學員們永磁直流電動機設(shè)計和開發(fā)能力設(shè)計和開發(fā)能力；4.提高提高學員們的學員們的工作效率；工作效率；5.減少或杜絕后期更改（少走彎路）減少或杜絕后期更改（少走彎路） 。2培培 訓訓 內(nèi)內(nèi) 容容1

2、電機開發(fā)應掌握的九大核心技術(shù)電機開發(fā)應掌握的九大核心技術(shù)2 永磁直流電動機的設(shè)計依據(jù)永磁直流電動機的設(shè)計依據(jù)3 基礎(chǔ)知識基礎(chǔ)知識 3.1 直流電動機的工作原理直流電動機的工作原理 3.2 永磁直流電動機的結(jié)構(gòu)永磁直流電動機的結(jié)構(gòu)4 永磁直流電動機的基本方程永磁直流電動機的基本方程5 永磁直流電動機的工作特性永磁直流電動機的工作特性6 永磁直流電動機的電樞繞組和電樞反應永磁直流電動機的電樞繞組和電樞反應7 永磁直流電動機的材料永磁直流電動機的材料 7.1 電磁材料電磁材料 7.2 絕緣材料絕緣材料 7.3 結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料8 永磁直流電動機的磁路設(shè)計與計算永磁直流電動機的磁路設(shè)計與計算9 永磁直

3、流電動機的磁場分析永磁直流電動機的磁場分析10 永磁直流電動機的齒槽轉(zhuǎn)矩永磁直流電動機的齒槽轉(zhuǎn)矩3培培 訓訓 內(nèi)內(nèi) 容容11 永磁直流電動機的電磁設(shè)計永磁直流電動機的電磁設(shè)計 11.1 永磁直流電動機的設(shè)計特點永磁直流電動機的設(shè)計特點 11.2 主要尺寸的確定主要尺寸的確定 11.3 永磁體尺寸的確定永磁體尺寸的確定 11.4 電樞沖片的設(shè)計電樞沖片的設(shè)計 11.5 換向器和電刷換向器和電刷 11.6 換向條件的校核換向條件的校核12 永磁直流電動機電磁計算程序和實例永磁直流電動機電磁計算程序和實例13 利用利用ANSOFT MAXWELL軟件進行永磁直流軟件進行永磁直流 電動機電磁計算和仿真

4、實例電動機電磁計算和仿真實例14 永磁直流電動機的電路和永磁直流電動機的電路和EMC設(shè)計設(shè)計15永磁直流電動機的永磁直流電動機的機械機械設(shè)計、零部件設(shè)計、設(shè)計、零部件設(shè)計、計算、計算、分析和仿真分析和仿真16 永磁直流電動機的制造工藝永磁直流電動機的制造工藝17 設(shè)計和工藝的薄弱點及采取的措施設(shè)計和工藝的薄弱點及采取的措施 17.1 電機振動和噪聲電機振動和噪聲18 永磁直流電動機開發(fā)技巧永磁直流電動機開發(fā)技巧 18.1 電磁計算技巧一電磁計算技巧一19 19 綜合實例：汽車玻璃升降器電機開發(fā)指導書綜合實例：汽車玻璃升降器電機開發(fā)指導書20 20 練習題練習題 ( (練習題一練習題一 練習題二

5、練習題二 .).)1 電機開發(fā)應掌握的九大核心技術(shù) 強調(diào)電機設(shè)計能力、工程能力強調(diào)電機設(shè)計能力、工程能力；怎樣設(shè)計電機；怎樣設(shè)計電機，而不是只做樣品而不是只做樣品，即使即使這個樣品能滿足標準要求；要能對電機設(shè)計做這個樣品能滿足標準要求；要能對電機設(shè)計做工程計算和模擬工程計算和模擬( (仿真仿真) )。一、機械計算，包括：尺寸鏈計算和一、機械計算，包括：尺寸鏈計算和CPKCPK、材料選擇（如怎樣達到強度和溫、材料選擇（如怎樣達到強度和溫度的要求）等度的要求）等二、二、電磁計算，主要包括：磁通計算、轉(zhuǎn)速和扭矩計算等電磁計算，主要包括：磁通計算、轉(zhuǎn)速和扭矩計算等三、三、電路和電路和EMCEMC設(shè)計設(shè)

6、計四、四、機械分析和仿真，包括：有限元（強度）分析、塑料件注塑流變分析等機械分析和仿真，包括：有限元（強度）分析、塑料件注塑流變分析等五、電磁分析和仿真，包括：有限元分析、齒槽扭矩和紋波電流分析等五、電磁分析和仿真，包括：有限元分析、齒槽扭矩和紋波電流分析等六、六、工藝流程，包括檢測和測試的所有系統(tǒng)工藝流程，包括檢測和測試的所有系統(tǒng)七、七、設(shè)計和工藝的薄弱點及采取的措施設(shè)計和工藝的薄弱點及采取的措施（如某些結(jié)構(gòu)的電機振動和噪聲問題怎樣解決）（如某些結(jié)構(gòu)的電機振動和噪聲問題怎樣解決）八、相關(guān)的經(jīng)驗和教訓八、相關(guān)的經(jīng)驗和教訓九、九、總結(jié)：將以上工程計算和模擬的結(jié)果以及所有總結(jié)：將以上工程計算和模擬

7、的結(jié)果以及所有適用標準或性能以適用標準或性能以benchmark形式把以上形式把以上電機概念電機概念設(shè)計同設(shè)計同樣品樣品電機或類似電機進行對比電機或類似電機進行對比 A DIVISION OF LEGGETT & PLATT INCORPORATEDL&P Proprietary information. Unauthorized reproduction or distribution prohibited.PMDC Motor TrainingXinfa Zhang-20095Purpose:1.Enhance Design Standardization2.Improve Reliabi

8、lity of Product3.Ensure Design to Cost4.Be beneficial to administrateDevelopment Process2 永磁直流電動機的設(shè)計依據(jù) 一、一、永磁直流電機的電磁設(shè)計是根據(jù)永磁直流電機的電磁設(shè)計是根據(jù)額定數(shù)據(jù)額定數(shù)據(jù)和和性性能指標能指標確定主要尺寸（電樞直徑、電樞長度等）、永磁確定主要尺寸（電樞直徑、電樞長度等）、永磁體尺寸、沖片尺寸、電樞繞組數(shù)據(jù)、換向器和電刷尺寸體尺寸、沖片尺寸、電樞繞組數(shù)據(jù)、換向器和電刷尺寸等，然后進行性能計算。若性能不滿足要求，則調(diào)整結(jié)等，然后進行性能計算。若性能不滿足要求，則調(diào)整結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，重新進行性

9、能計算，直至得到合格的設(shè)計方案。構(gòu)數(shù)據(jù)，重新進行性能計算，直至得到合格的設(shè)計方案。 額定數(shù)據(jù)：額定數(shù)據(jù)：額定功率、額定電壓、額定轉(zhuǎn)速額定功率、額定電壓、額定轉(zhuǎn)速等；等； 性能指標主要有：效率、溫升和火花等級等，有時性能指標主要有：效率、溫升和火花等級等，有時也可能給出也可能給出起動轉(zhuǎn)矩（堵轉(zhuǎn)扭矩）、轉(zhuǎn)速變化率起動轉(zhuǎn)矩（堵轉(zhuǎn)扭矩）、轉(zhuǎn)速變化率等指標。等指標。 二、二、永磁直流電機的機械設(shè)計、電路及永磁直流電機的機械設(shè)計、電路及EMC設(shè)計設(shè)計和工藝設(shè)計的依據(jù)：和工藝設(shè)計的依據(jù)：相關(guān)標準相關(guān)標準。 三、三、電機運行時，所有物理量與額定值相同電機運行時，所有物理量與額定值相同電機運行于電機運行于額定狀

10、態(tài)額定狀態(tài)。電機的運行電流小于額定電。電機的運行電流小于額定電流流欠載運行欠載運行；運行電流大于額定電流；運行電流大于額定電流過載運過載運行行。長期欠載運行將造成電機浪費，而長期過載運行。長期欠載運行將造成電機浪費，而長期過載運行會縮短電機的使用壽命。會縮短電機的使用壽命。電機最好運行于額定狀態(tài)或電機最好運行于額定狀態(tài)或額定狀態(tài)附近，此時電機的運行效率、工作性能等比額定狀態(tài)附近，此時電機的運行效率、工作性能等比較好較好?？蛻艚?jīng)常給出如下設(shè)計依據(jù)：客戶經(jīng)常給出如下設(shè)計依據(jù)：在某測試環(huán)境下在某測試環(huán)境下的的堵轉(zhuǎn)扭矩、最大電流和空載轉(zhuǎn)速要求堵轉(zhuǎn)扭矩、最大電流和空載轉(zhuǎn)速要求永磁直流電機典型特性曲線永磁

11、直流電機典型特性曲線3 基礎(chǔ)知識3.1 直流電動機的工作原理（直流電動機的工作原理（1） 在介紹工作原理之前，在介紹工作原理之前， 我們先熟我們先熟悉一下有關(guān)電磁現(xiàn)象的定律和法則：悉一下有關(guān)電磁現(xiàn)象的定律和法則：(A) 電動機為什么旋轉(zhuǎn)？電動機為什么旋轉(zhuǎn)？ 把通有電流的導體放置在磁場中，把通有電流的導體放置在磁場中，則作用在導體上的電磁力則作用在導體上的電磁力 F=BIL式中式中 F力（力（N）；）； B磁通密度（磁通密度（T； ）；）； I電流（電流（A）；）； L導體長度（導體長度（m）。）。該式表達了電動機的基本原理。該式表達了電動機的基本原理。2/mWb3.1 直流電動機的工作原理（直

12、流電動機的工作原理（2） 為了產(chǎn)生電磁力，必須同時存為了產(chǎn)生電磁力，必須同時存在電流和磁通。在電流和磁通。 在磁場中的帶電導體之所以產(chǎn)在磁場中的帶電導體之所以產(chǎn)生力，是由于磁通就像拉緊的橡皮生力，是由于磁通就像拉緊的橡皮筋一樣具有彈性，并力求通過最短筋一樣具有彈性，并力求通過最短距離，如下圖：距離，如下圖：下圖所示為用左手下圖所示為用左手定則確定力的方向，定則確定力的方向，電流、磁通和力三電流、磁通和力三者互相垂直。者互相垂直。3.1 直流電動機的工作原理（直流電動機的工作原理（3）(B) 佛萊明（英國）右手佛萊明（英國）右手 定則定則 向磁場內(nèi)放置的導體施向磁場內(nèi)放置的導體施加力，如果沿磁場

13、正交的方加力，如果沿磁場正交的方向移動導體，在導體內(nèi)向移動導體，在導體內(nèi)就會就會產(chǎn)生感應電勢產(chǎn)生感應電勢。如果將導體。如果將導體短路，短路，就會產(chǎn)生電流就會產(chǎn)生電流。伸開。伸開右手，使拇指與其余四指垂右手，使拇指與其余四指垂直，并在同一平面內(nèi)，讓磁直，并在同一平面內(nèi)，讓磁力線穿過掌心，讓拇指指向力線穿過掌心，讓拇指指向?qū)w運動的方向，則導體運動的方向，則四指所四指所指的方向就是感應電動勢的指的方向就是感應電動勢的方向方向。3.1 直流電動機的工作原理（直流電動機的工作原理（4）兩條電流線之所以存在兩條電流線之所以存在互作用力，是一條電流互作用力，是一條電流線產(chǎn)生的磁場，作用于線產(chǎn)生的磁場，作用

14、于另一條電流線的結(jié)果另一條電流線的結(jié)果。(C) 法拉第（英國）電磁感應法拉第（英國）電磁感應定律定律 如果線圈中流過電流，則在如果線圈中流過電流，則在與線圈交鏈的方向上產(chǎn)生磁通，與線圈交鏈的方向上產(chǎn)生磁通，并且磁通與交鏈的線圈產(chǎn)生電動并且磁通與交鏈的線圈產(chǎn)生電動勢。勢。(D) 畢奧畢奧-薩伐爾（法國）定律薩伐爾（法國）定律 電流周圍產(chǎn)生磁場和這個電電流周圍產(chǎn)生磁場和這個電流之間的關(guān)系是：當匝數(shù)為流之間的關(guān)系是：當匝數(shù)為N的的線圈中流過線圈中流過i(A)的電流時，則有的電流時，則有Ni=BL/=HL。式中的式中的B為磁感為磁感應強度應強度(T)， L為磁路長度為磁路長度(m)，為磁導率為磁導率(

15、H/m)， H為磁場強為磁場強度度(A/m)。3.1 直流電動機的工作原理（直流電動機的工作原理（5）(E) 安培（法國）右手螺旋法則安培（法國）右手螺旋法則 (1) 通電直導線中的安培定則（安培定則一）：用右通電直導線中的安培定則（安培定則一）：用右手握住通電直導線，讓大拇指指向電流的方向，那么四指的手握住通電直導線，讓大拇指指向電流的方向，那么四指的指向就是磁感線的環(huán)繞方向；指向就是磁感線的環(huán)繞方向； (2) 通電螺線管中的安培定則（安培定則二）：用右通電螺線管中的安培定則（安培定則二）：用右手握住通電螺線管，使四指彎曲與電流方向一致，那么大拇手握住通電螺線管，使四指彎曲與電流方向一致，那

16、么大拇指所指的那一端是通電螺線管的指所指的那一端是通電螺線管的N極。極。 直流電動機直流電動機是將直流是將直流電能轉(zhuǎn)變成電能轉(zhuǎn)變成機械能機械能的旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)機械。機械。 把電刷把電刷A A、B B接到直流接到直流電源上，電刷電源上，電刷A A接正極，接正極，電刷電刷B B接負極。接負極。此時電樞此時電樞線圈中將電流流過。線圈中將電流流過。3.1 直流電動機的工作原理（直流電動機的工作原理（6）ab 在磁場作用下，在磁場作用下，N N極性下導極性下導體體abab受力方向從右向左受力方向從右向左，S S 極下導極下導體體cdcd受力方向從左向右受力方向從左向右。該電磁力該電磁力形成逆時針方向的電磁轉(zhuǎn)

17、矩形成逆時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩。當電。當電磁轉(zhuǎn)矩大于阻轉(zhuǎn)矩時，磁轉(zhuǎn)矩大于阻轉(zhuǎn)矩時，電機轉(zhuǎn)子逆電機轉(zhuǎn)子逆時針方向旋轉(zhuǎn)時針方向旋轉(zhuǎn)。當電樞旋轉(zhuǎn)到右圖所示位置時 原原N N極性下導體極性下導體abab轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)到S S極下，極下，受力受力方向從左向右方向從左向右，原，原S S 極下導體極下導體cdcd轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)到N N極極下，下，受力方向從右受力方向從右向左向左。 該電磁力形成該電磁力形成逆時針方向的電磁逆時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩。線圈在該電。線圈在該電磁力形成的電磁轉(zhuǎn)磁力形成的電磁轉(zhuǎn)矩作用下矩作用下繼續(xù)逆時繼續(xù)逆時針方向旋轉(zhuǎn)針方向旋轉(zhuǎn)。3.1 直流電動機的工作原理（直流電動機的工作原理（7）從以上分析可見，在直

18、流電動機從以上分析可見，在直流電動機中，線圈中的中，線圈中的電流是交變的電流是交變的，但，但產(chǎn)生的產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向是恒定的電磁轉(zhuǎn)矩方向是恒定的。 ab 直流電動機的工作原理示意圖:線圈始終逆時針方向旋轉(zhuǎn)線圈始終逆時針方向旋轉(zhuǎn)3.1 直流電動機直流電動機的工作原理（的工作原理（8） 實際直流電動實際直流電動機的電樞是機的電樞是根據(jù)實根據(jù)實際需要際需要有多個線圈。有多個線圈。線圈分布在電樞鐵線圈分布在電樞鐵心表面的不同位置，心表面的不同位置，按照一定的規(guī)律按照一定的規(guī)律連連接起來，構(gòu)成電機接起來，構(gòu)成電機的的電樞繞組電樞繞組。磁極。磁極也是根據(jù)需要也是根據(jù)需要N N、S S極交替旋轉(zhuǎn)極交替旋轉(zhuǎn)多

19、對。多對。3.1 直流電動機的工作原理（直流電動機的工作原理（9）直流電機的可逆性：直流電機的可逆性： 一臺直流電機原則上既可以作為電動機運行，一臺直流電機原則上既可以作為電動機運行，也可以作為發(fā)電機運行，只是外界條件不同也可以作為發(fā)電機運行，只是外界條件不同而已。而已。如果用原動機拖動電樞恒速旋轉(zhuǎn)，就如果用原動機拖動電樞恒速旋轉(zhuǎn)，就可以從電刷端引出直流電動勢而作為直流電可以從電刷端引出直流電動勢而作為直流電源對負載供電；源對負載供電；如果在電刷端外加直流電壓，如果在電刷端外加直流電壓，則電動機就可以帶動軸上的機械負載旋轉(zhuǎn)，則電動機就可以帶動軸上的機械負載旋轉(zhuǎn)，從而把電能轉(zhuǎn)變成機械能。從而把電

20、能轉(zhuǎn)變成機械能。這種同一臺電機這種同一臺電機能作電動機或作發(fā)電機運行的原理，在電機能作電動機或作發(fā)電機運行的原理，在電機理論中稱為可逆原理。理論中稱為可逆原理。A DIVISION OF LEGGETT & PLATT INCORPORATEDL&P Proprietary information. Unauthorized reproduction or distribution prohibited.PMDC Motor TrainingXinfa Zhang-200919Head rest MotorRecliner MotorLift MotorSlide MotorLumbar Mo

21、torOil Pump MotorDEVELOPINGWindow Lift /SunroofSteering/Pedal AdjustorMotor ApplicationDEVELOPINGDEVELOPINGDEVELOPINGDEVELOPINGDEVELOPINGDEVELOPING（A） 圓筒形磁極圓筒形磁極,徑向磁路徑向磁路結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 圖中的永磁體為圓筒形圖中的永磁體為圓筒形結(jié)構(gòu)，磁通結(jié)構(gòu)，磁通從磁筒從磁筒N極極出出來來經(jīng)過經(jīng)過氣隙氣隙到到轉(zhuǎn)子齒轉(zhuǎn)子齒到到轉(zhuǎn)子軛部轉(zhuǎn)子軛部到到轉(zhuǎn)子齒轉(zhuǎn)子齒再到再到氣氣隙隙，經(jīng)過磁筒，經(jīng)過磁筒S極極，回到磁筒，回到磁筒N極極，形成一個閉合的磁，形成一個

22、閉合的磁 回回路，路，2極結(jié)構(gòu)。極結(jié)構(gòu)。3.2 永磁直流電機的結(jié)構(gòu)（永磁直流電機的結(jié)構(gòu)（1） （B） 瓦片形磁極瓦片形磁極,徑向徑向磁路結(jié)構(gòu)磁路結(jié)構(gòu) 圖中的永磁體為瓦圖中的永磁體為瓦片形結(jié)構(gòu)，磁通片形結(jié)構(gòu)，磁通從磁從磁瓦瓦N極極出來出來經(jīng)過經(jīng)過氣隙氣隙到到轉(zhuǎn)子齒轉(zhuǎn)子齒到到轉(zhuǎn)子軛部轉(zhuǎn)子軛部到到轉(zhuǎn)子齒轉(zhuǎn)子齒再到再到氣氣隙隙，經(jīng)過磁瓦，經(jīng)過磁瓦S極極，回，回到磁瓦到磁瓦N極極，形成一個，形成一個閉合的磁閉合的磁 回路，回路，4極結(jié)極結(jié)構(gòu)。構(gòu)。3.2 永磁直流電機的結(jié)構(gòu)（永磁直流電機的結(jié)構(gòu)（2）SIMULATED FIELD OVERLAY OF FLUX DENSITYSIMULATED FIELD

23、 OVERLAY OF FLUX DENSITY（Vector）（C） 矩形磁極矩形磁極, 徑向磁路徑向磁路結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 圖中所示的是帶極靴、圖中所示的是帶極靴、永磁體為矩形的結(jié)構(gòu)永磁體為矩形的結(jié)構(gòu),磁通磁通從磁軛的從磁軛的N極出來極出來經(jīng)經(jīng)過過氣隙氣隙到到轉(zhuǎn)子齒轉(zhuǎn)子齒再到再到轉(zhuǎn)子軛部轉(zhuǎn)子軛部再經(jīng)過再經(jīng)過轉(zhuǎn)子齒轉(zhuǎn)子齒再經(jīng)過再經(jīng)過氣隙氣隙，回到磁軛的回到磁軛的S極極,形成一個閉形成一個閉合的磁合的磁 回路回路,四極結(jié)構(gòu)四極結(jié)構(gòu)。3.2 永磁直流電機的結(jié)構(gòu)（永磁直流電機的結(jié)構(gòu)（3）（D） 扇形永磁體扇形永磁體, 軸向磁軸向磁路結(jié)構(gòu)路結(jié)構(gòu) 圖中所示的是軸向磁圖中所示的是軸向磁路路,永磁體為扇形的結(jié)構(gòu)永磁

24、體為扇形的結(jié)構(gòu),磁磁通通從磁軛從磁軛N極出來極出來經(jīng)過氣隙經(jīng)過氣隙到右端到右端蓋蓋再經(jīng)過氣隙再經(jīng)過氣隙回到回到S極極形成一個閉形成一個閉合的磁合的磁 回路回路,六極結(jié)構(gòu)。六極結(jié)構(gòu)。3.2 永磁直流電機的結(jié)構(gòu)（永磁直流電機的結(jié)構(gòu)（4）A DIVISION OF LEGGETT & PLATT INCORPORATEDL&P Proprietary information. Unauthorized reproduction or distribution prohibited.PMDC Motor TrainingXinfa Zhang-200926Motor Exploded ViewMagn

25、et 磁瓦Housing外殼Slide bushing方軸承Shaft sleeve軸套Shaft軸Iron Core鐵心Commutator 整流子Bushing Retainer clip梅花叉Terminal插片Ball bushing球軸承Circuit breaker保護器Spring Cover扭簧座Carbon brush碳刷Inductor電感Capacitor電容Compressed Spring壓縮簧Endcap端蓋Copper wire coil繞組Varistor壓敏電阻4 永磁直流電動機的基本方程 4.1 直流電動機的感應電動勢直流電動機的感應電動勢Ea（1） 電樞感

26、應電樞感應電動勢是指直電動勢是指直流電機正負電流電機正負電刷之間的感應刷之間的感應電動勢，電動勢，也就也就是電樞繞組里是電樞繞組里每條并聯(lián)支路每條并聯(lián)支路的感應電動勢。的感應電動勢。 的大小與的大小與電刷型號有關(guān)，電刷型號有關(guān)，一般一般0.52VbU Ia = 2IabIa 為電樞電流（為電樞電流（A） Iab 為電樞支路電流（為電樞支路電流（A） 4.1 直流電動機的感應電動勢直流電動機的感應電動勢Ea（2）電動機電動機旋轉(zhuǎn)產(chǎn)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的生的反反電勢電勢較較外加電外加電壓小壓小: Ea U 電動機電動機旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)時，電樞時，電樞繞繞組組就切割就切割磁通磁通，因而產(chǎn)生，因而產(chǎn)生感感應電動勢應電動勢

27、。此電動勢的方向。此電動勢的方向與加在電動機端子的電壓的與加在電動機端子的電壓的方向相反方向相反，故成為，故成為反電勢反電勢。令：令：U 為外加電壓（為外加電壓（V）；）；Ea 為感應電動勢（為感應電動勢（V）；）；Ra 為繞組電阻（為繞組電阻（）；）；Ri 為測試線電阻（為測試線電阻（）；）；IN 為額定為額定(負載負載)電流電流 （A）；）；I0 為空載電流（為空載電流（A） ；Ik 為堵轉(zhuǎn)電流（為堵轉(zhuǎn)電流（A） ；電壓平衡方程式電壓平衡方程式:負載時，負載時，U=Ea+IN(Ra+Ri)+ Ub空載時，空載時， U=Ea+I0(Ra+Ri)+ Ub堵轉(zhuǎn)時，堵轉(zhuǎn)時， U=Ik(Ra+Ri)

28、+ Ub4.1 直流電動機的感應電動勢直流電動機的感應電動勢Ea（3）)(電動勢常數(shù)電動勢常數(shù)為電機的結(jié)構(gòu)常數(shù)為電機的結(jié)構(gòu)常數(shù)其中其中可見可見,直流電機的感應電動勢與電機結(jié)構(gòu)、氣隙磁通及轉(zhuǎn)速有關(guān)。直流電機的感應電動勢與電機結(jié)構(gòu)、氣隙磁通及轉(zhuǎn)速有關(guān)。性質(zhì)性質(zhì): : 發(fā)電機發(fā)電機電源電勢電源電勢( (與電樞電流同方向與電樞電流同方向);); 電動機電動機反電勢反電勢( (與電樞電流反方向與電樞電流反方向) )。每個磁極下的氣隙磁通（每個磁極下的氣隙磁通（WbWb）；）；nn電機轉(zhuǎn)速（電機轉(zhuǎn)速（r/minr/min）；）；pp磁極對數(shù)；磁極對數(shù)；NN電樞繞組總導體數(shù)電樞繞組總導體數(shù)aa電樞繞組并聯(lián)支

29、路對數(shù)電樞繞組并聯(lián)支路對數(shù)apNCe6060aepNE nC naILfBBS 4.1 直流電動機的感應電動勢直流電動機的感應電動勢Ea（4） 我們來推導感應電動勢方程我們來推導感應電動勢方程 我們知道，一根導體中的感應電動勢我們知道，一根導體中的感應電動勢 式中：式中： v為導體運動線速度（為導體運動線速度（v= Dn / 60 ，單位，單位 m / s ，D為轉(zhuǎn)子直徑為轉(zhuǎn)子直徑 ，單位，單位m ），），B為平均磁通密度為平均磁通密度 (T) ，L為導體有效長度為導體有效長度 (m) 。一個磁極下的平均磁通密度一個磁極下的平均磁通密度 B = / (L t) t)，則，則 BL = / t

30、t ，則，則一根導體中的平均感應電勢一根導體中的平均感應電勢 式中，式中，t t 為磁極極距，為磁極極距，t = D / (2p) 。60aepNE nC na 因為一條支路里的串聯(lián)總導體數(shù)是因為一條支路里的串聯(lián)總導體數(shù)是所以每條并聯(lián)支路的感應電動勢為：所以每條并聯(lián)支路的感應電動勢為：v / t t = 2np / 60 所以：所以：aN2nCEea vLBE1 t t / v BLv E0 t t / v * (2a) /N Ea 4.2 直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩 Tem（1）產(chǎn)生產(chǎn)生:電樞繞組中有電樞電流流過時電樞繞組中有電樞電流流過時, ,在磁場內(nèi)受電磁力的作用在磁場內(nèi)受

31、電磁力的作用, , 該力與電樞鐵心半徑之積稱為電磁轉(zhuǎn)矩。該力與電樞鐵心半徑之積稱為電磁轉(zhuǎn)矩。大小大小: :為電機的轉(zhuǎn)矩常數(shù)，有為電機的轉(zhuǎn)矩常數(shù)，有其中其中可見，制造好的直流電機，其電磁轉(zhuǎn)矩與氣隙磁通及電樞電流可見，制造好的直流電機，其電磁轉(zhuǎn)矩與氣隙磁通及電樞電流成正比。成正比。性質(zhì)性質(zhì): : 發(fā)電機發(fā)電機制動制動( (與轉(zhuǎn)速方向相反與轉(zhuǎn)速方向相反) )； 電動機電動機驅(qū)動驅(qū)動( (與轉(zhuǎn)速方向相同與轉(zhuǎn)速方向相同) )。eTCC9.55aTaemICIa2pNT Ia 流經(jīng)電刷的電流流經(jīng)電刷的電流(電樞電流電樞電流)apNCT2 4.2 直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩 Tem（2） 從電

32、機的工作原理，我們知道：磁場中的從電機的工作原理，我們知道：磁場中的導體受力后，在導體中就能感應出電動勢來。導體受力后，在導體中就能感應出電動勢來。反過來講，在磁場中的帶電導體，又可以產(chǎn)生反過來講，在磁場中的帶電導體，又可以產(chǎn)生電磁力。電磁力。 導體所受的力，和所在磁場的磁感應強度導體所受的力，和所在磁場的磁感應強度B成正比，和導體的有效長度成正比，和電流的成正比，和導體的有效長度成正比，和電流的安培值成正比，用公式表述如下：安培值成正比，用公式表述如下： f1 = B L Iab式中：式中： B - 磁極下的平均磁通密度；磁極下的平均磁通密度； L - 導體的有效長度；導體的有效長度； Ia

33、b - 導體中所通的電流（導體中所通的電流（支路支路電流電流）；）； f1 - 一根導體所受的電磁力。一根導體所受的電磁力。 因為因為B為平均磁密，為平均磁密，所以：所以：BL = / t t f1 = B L Iab = Iab / t t 4.2 直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩 Tem（3） 因此，一根導體所受的轉(zhuǎn)矩為：因此，一根導體所受的轉(zhuǎn)矩為：T1 = f1*D / 2= Iab D / (2 t t) 因為總導體數(shù)為因為總導體數(shù)為N，所以全轉(zhuǎn)，所以全轉(zhuǎn)矩為：矩為： T = N Iab D / (2 t t) t t = D / (2p)， Iab = Ia / (2a)，

34、因此可以求得因此可以求得aTaemICIa2pNT aaaaemIEnIapNIapNnTnDnDTfvP 6023030605 . 0 aaaememIEnIapNnIapNTP 606022 emaaaaemTIapNIapNIEP 226060602 n 1.2.3.其中其中 是轉(zhuǎn)子機械角速度（是轉(zhuǎn)子機械角速度（rad / s）4.3 直流電動機的電磁功率直流電動機的電磁功率biaaaURRIEU )(1P將電壓平衡方程式將電壓平衡方程式 的兩邊同時乘以電樞電流的兩邊同時乘以電樞電流 I ，得：，得： 等式左邊是輸入功率，用等式左邊是輸入功率，用 表示；右邊第一表示；右邊第一項項 是電磁

35、功率；第二項是電樞繞是電磁功率；第二項是電樞繞組銅損和測試線銅損之和，用組銅損和測試線銅損之和，用表示；第三項是電刷接觸電阻損耗，用表示；第三項是電刷接觸電阻損耗，用表示。因此有：表示。因此有：abiaaaaaIURRIIEUI )(2CuiCuapp 4.4 直流電動機的功率平衡方程直流電動機的功率平衡方程emaaPIE bpbCuiCuaempppPP 1Fep從電磁功率中扣除鐵耗從電磁功率中扣除鐵耗 、機械摩擦、機械摩擦損耗損耗 后，得到電機的輸出功率后，得到電機的輸出功率 ，即即因此有：因此有：fwFeemppPP 22P4.5 直流電動機的輸出功率直流電動機的輸出功率fwpfwFeb

36、CuiCuafwFebCuiCuafwFeempppppPpppppPppPP 112)()()(思考：堵轉(zhuǎn)情況下，思考：堵轉(zhuǎn)情況下，換用不同材質(zhì)的矽鋼換用不同材質(zhì)的矽鋼片來測試電機的溫升，片來測試電機的溫升，會有變化嗎？會有變化嗎？將將 兩端同除以機械角兩端同除以機械角速度速度 ，有，有式中，式中， 為電動機軸上的機械負載轉(zhuǎn)矩（為電動機軸上的機械負載轉(zhuǎn)矩（N . m）；）；fwFeemppPP 24.6 轉(zhuǎn)矩平衡方程轉(zhuǎn)矩平衡方程 02TTTem 2T fwFeppT0 為因電動機鐵心中渦流、磁為因電動機鐵心中渦流、磁滯損耗和機械損耗的存在而產(chǎn)的空載阻轉(zhuǎn)矩（滯損耗和機械損耗的存在而產(chǎn)的空載阻轉(zhuǎn)

37、矩（N.m）4.7 主要公式整理主要公式整理2emaTapNT IC IabiaaaURRIEU )(aaememIETP bCuiCuaempppPP 1fwFebCuiCuapppppPP 12fwFeemppPP 2BLIfvLBE11 60aepNE nC na4.8 電磁參數(shù)電磁參數(shù)1. 線負荷線負荷aIDNAaa2 aD電樞直徑（電樞直徑（cm）單位：單位：A / cm2. 電樞繞組電阻電樞繞組電阻式中，式中， 為繞組的電阻率（為繞組的電阻率（ ）；）； 為為電樞導體的截面積（電樞導體的截面積（ ）；）； 為電樞繞組的平均為電樞繞組的平均半匝長（半匝長（cm）。）。2)2( aLs

38、NRavaa cmmm/.2 as2mmavL5 永磁直流電動機的工作特性永磁直流電動機的工作特性 與電勵磁直流電動機一樣，永磁直流電動機的工作特性包括轉(zhuǎn)速特性、與電勵磁直流電動機一樣，永磁直流電動機的工作特性包括轉(zhuǎn)速特性、轉(zhuǎn)矩特性、機械特性和效率特性。轉(zhuǎn)矩特性、機械特性和效率特性。5.1 轉(zhuǎn)速特性轉(zhuǎn)速特性 轉(zhuǎn)速特性為外加額定電壓轉(zhuǎn)速特性為外加額定電壓 時，轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)速與電樞電流之間的關(guān)系與電樞電流之間的關(guān)系 n = f ( )。由電壓平衡方程式可得：由電壓平衡方程式可得：NUNI ebiaNNCURRIUn)( 可以看出，負載電流增大時，可以看出，負載電流增大時， 增大，將使轉(zhuǎn)速下降；同時每

39、極磁通隨電樞電增大，將使轉(zhuǎn)速下降；同時每極磁通隨電樞電流的增加而又略有下降，有使轉(zhuǎn)速升高的趨勢，流的增加而又略有下降，有使轉(zhuǎn)速升高的趨勢，二者的影響相反，使電機轉(zhuǎn)速變化很小。一般二者的影響相反，使電機轉(zhuǎn)速變化很小。一般來講，前者的影響大于后者，故轉(zhuǎn)速特性是略來講，前者的影響大于后者，故轉(zhuǎn)速特性是略微向下傾斜的，如右圖所示。微向下傾斜的，如右圖所示。 電動機空載轉(zhuǎn)速電動機空載轉(zhuǎn)速 和額定轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速 之差與之差與額定轉(zhuǎn)速之比，稱為電動機的轉(zhuǎn)速變化率，以額定轉(zhuǎn)速之比，稱為電動機的轉(zhuǎn)速變化率，以)(iaNRRI 0nNnn %1000 NNnnnn表示，為表示，為5.2 轉(zhuǎn)矩特性轉(zhuǎn)矩特性 轉(zhuǎn)速特性

40、為外加額定電壓轉(zhuǎn)速特性為外加額定電壓 時，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與時，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流之間的關(guān)系電樞電流之間的關(guān)系 。 由電磁轉(zhuǎn)矩公式由電磁轉(zhuǎn)矩公式NU)(NemIfT NTNemICIa2pNT 可知，當電樞電流增加時，可知，當電樞電流增加時，若每極磁通若每極磁通 不變，則電磁不變，則電磁轉(zhuǎn)矩為通過原點的直線。但轉(zhuǎn)矩為通過原點的直線。但每極磁通隨電樞電流的增加每極磁通隨電樞電流的增加而略有減小，故而略有減小，故電磁轉(zhuǎn)矩的電磁轉(zhuǎn)矩的增加比電流增加略慢增加比電流增加略慢，如右，如右圖所示。圖所示。5.3 機械特性機械特性 機械特性為外加額定電壓機械特性為外加額定電壓 時，電動機的轉(zhuǎn)速與電磁時

41、，電動機的轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系 。 由公式由公式 和和NU)(emTfn TemNCTI 可知，當每極磁通可知，當每極磁通 不變時，機械不變時，機械特性是一條下降的直線，如右圖所示。特性是一條下降的直線，如右圖所示。由于電樞電阻較小，機械特性的斜率很由于電樞電阻較小，機械特性的斜率很小，特性硬。實際上，隨著電磁轉(zhuǎn)矩的小，特性硬。實際上，隨著電磁轉(zhuǎn)矩的增大，電樞反應的去磁作用略微增強，增大，電樞反應的去磁作用略微增強，磁通不是常數(shù)，機械特性不再是一條直磁通不是常數(shù)，機械特性不再是一條直線，而是在下端略有抬高。線，而是在下端略有抬高。 ebiaNNCURRIUn)(emTeaeb

42、NTCCRCUUn2 得得5.4 效率特性效率特性 效率特性為外加額定電壓效率特性為外加額定電壓 時，電動機的效時，電動機的效率與輸出功率之間的關(guān)系率與輸出功率之間的關(guān)系 ，即，即NU)(2Pf %100%1002212 pPPPP 式中，式中， 為電動機的總損耗（為電動機的總損耗（W）。）。p 5.5 永磁直流電動機的調(diào)速永磁直流電動機的調(diào)速由永磁直流電動機的機械特性方程由永磁直流電動機的機械特性方程emT 可知，當負載一定時，電磁轉(zhuǎn)矩可知，當負載一定時，電磁轉(zhuǎn)矩 與負載轉(zhuǎn)與負載轉(zhuǎn)矩相平衡，改變直流電動機轉(zhuǎn)速的方法有以下三種：矩相平衡，改變直流電動機轉(zhuǎn)速的方法有以下三種：電樞回路串電阻調(diào)速、

43、改變主磁通調(diào)速和改變電壓電樞回路串電阻調(diào)速、改變主磁通調(diào)速和改變電壓調(diào)速調(diào)速。emTeaebNTCCRCUUn2 18 永磁直流電動機開發(fā)技巧 18.1 永磁直流電動機電磁計算技巧一永磁直流電動機電磁計算技巧一如何快速通過調(diào)整如何快速通過調(diào)整樣板電機的電磁參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)來達到客戶指定的堵轉(zhuǎn)扭矩、樣板電機的電磁參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)來達到客戶指定的堵轉(zhuǎn)扭矩、堵轉(zhuǎn)電流和空載轉(zhuǎn)速要求堵轉(zhuǎn)電流和空載轉(zhuǎn)速要求 在永磁直流電機開發(fā)和設(shè)計中，客戶通常會指定某測試條在永磁直流電機開發(fā)和設(shè)計中，客戶通常會指定某測試條件下（測試電壓、測試線電阻值、環(huán)境溫度等）的驅(qū)動器或電件下（測試電壓、測試線電阻值、環(huán)境溫度等）的驅(qū)動器

44、或電機的機的堵轉(zhuǎn)扭矩、堵轉(zhuǎn)電流和空載轉(zhuǎn)速堵轉(zhuǎn)扭矩、堵轉(zhuǎn)電流和空載轉(zhuǎn)速要求。當然我們可通過完要求。當然我們可通過完整的電磁計算來達到此設(shè)計要求。但為了提高工作效率，我們整的電磁計算來達到此設(shè)計要求。但為了提高工作效率，我們也可以也可以選擇一款可能與此設(shè)計要求接近的電機，通過調(diào)整電磁選擇一款可能與此設(shè)計要求接近的電機，通過調(diào)整電磁參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)來達到指定的堵轉(zhuǎn)扭矩、堵轉(zhuǎn)電流和空載轉(zhuǎn)速來達到指定的堵轉(zhuǎn)扭矩、堵轉(zhuǎn)電流和空載轉(zhuǎn)速要求。前提是我們知道了被選定電機的性能（要求。前提是我們知道了被選定電機的性能（我們已設(shè)計過多我們已設(shè)計過多款電機了，我們平常要準備的就是將已設(shè)計好的電機按電磁參款

45、電機了，我們平常要準備的就是將已設(shè)計好的電機按電磁參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)進行匯總，要用時，就會非常方便）數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)進行匯總，要用時，就會非常方便）。 下面，打開附件下面，打開附件永磁直流電動機電磁計算程序永磁直流電動機電磁計算程序，我們來看怎樣通過我們來看怎樣通過調(diào)整電磁參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整電磁參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)來達到指定的來達到指定的堵轉(zhuǎn)扭矩、堵轉(zhuǎn)電流和空載轉(zhuǎn)速要求。堵轉(zhuǎn)扭矩、堵轉(zhuǎn)電流和空載轉(zhuǎn)速要求。1. 根據(jù)測試結(jié)果選擇盡量接近要求的電機；根據(jù)測試結(jié)果選擇盡量接近要求的電機；2. 在在EXCEL表格里輸入選定電機的測試條件（測試電壓、表格里輸入選定電機的測試條件（測試電壓、測試線電阻）、測試數(shù)據(jù)（堵轉(zhuǎn)

46、扭矩、堵轉(zhuǎn)電流和空載轉(zhuǎn)測試線電阻）、測試數(shù)據(jù)（堵轉(zhuǎn)扭矩、堵轉(zhuǎn)電流和空載轉(zhuǎn)速、空載電流）、負載力矩、結(jié)構(gòu)參數(shù)和電磁參數(shù)；速、空載電流）、負載力矩、結(jié)構(gòu)參數(shù)和電磁參數(shù)；3. 輸入相關(guān)的計算公式，計算出輸入相關(guān)的計算公式，計算出氣隙磁通、氣隙磁密、空氣隙磁通、氣隙磁密、空載感應電動勢、負載感應電動勢載感應電動勢、負載感應電動勢（我們先暫時不管這些公（我們先暫時不管這些公式是怎樣來的，帶著疑問，以后再研究，針對性就強了）；式是怎樣來的，帶著疑問，以后再研究，針對性就強了）；4.通過調(diào)整電樞工作溫度來計算出電刷的接觸壓降值，使通過調(diào)整電樞工作溫度來計算出電刷的接觸壓降值，使空載、負載、堵轉(zhuǎn)三種情況下電刷

47、的接觸壓降值相等；空載、負載、堵轉(zhuǎn)三種情況下電刷的接觸壓降值相等； 5. 以上計算中得到的氣隙磁密和電刷的接觸壓降是我們下以上計算中得到的氣隙磁密和電刷的接觸壓降是我們下一步調(diào)整電磁參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的重要依據(jù)。因為，一步調(diào)整電磁參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的重要依據(jù)。因為，若不改若不改變永磁體和電樞的結(jié)構(gòu)和材料，電機的氣隙磁密就是變永磁體和電樞的結(jié)構(gòu)和材料，電機的氣隙磁密就是恒定值，若不改變電刷的材料，則電刷的接觸壓降也是恒定值恒定值，若不改變電刷的材料，則電刷的接觸壓降也是恒定值（當（當然，我們可以改變電刷的材料，但電刷的接觸壓降值要隨之改變）。然，我們可以改變電刷的材料，但電刷的接觸壓降值要隨之改變）。

48、這樣，在電樞沖片尺寸和材料，永磁體厚度、寬度和材料，電這樣，在電樞沖片尺寸和材料，永磁體厚度、寬度和材料，電樞繞線方式等不變的前提下，樞繞線方式等不變的前提下，可更改相應的參數(shù)（如可更改相應的參數(shù)（如電樞長度，漆電樞長度，漆包包 線線徑，繞線匝數(shù)，電刷材料，永磁體長度線線徑，繞線匝數(shù)，電刷材料，永磁體長度等）以達到設(shè)計要求；等）以達到設(shè)計要求； 6. 若需改變電機的結(jié)構(gòu)，但電樞繞線方式仍不變的前提下，也可以若需改變電機的結(jié)構(gòu)，但電樞繞線方式仍不變的前提下，也可以作出相應的更改（如作出相應的更改（如電樞長度、直徑及沖片尺寸和材料，漆包線線電樞長度、直徑及沖片尺寸和材料，漆包線線徑，繞線匝數(shù)，電刷

49、材料、永磁體的長度、厚度、寬度和材料徑，繞線匝數(shù)，電刷材料、永磁體的長度、厚度、寬度和材料等）等）以達到設(shè)計要求，但以達到設(shè)計要求，但其結(jié)果只能作為參考其結(jié)果只能作為參考，因為沒有考慮，因為沒有考慮磁路已經(jīng)磁路已經(jīng)發(fā)生了變化發(fā)生了變化，若要想得到更準確的結(jié)果，則，若要想得到更準確的結(jié)果，則需要進行完整的電磁計需要進行完整的電磁計算算。具體實例具體實例: 若我們的客戶要求在若我們的客戶要求在 13.5 V，0.2 線電阻，線電阻，235的測試環(huán)境情況下，要滿足堵轉(zhuǎn)扭矩和空載轉(zhuǎn)速的測試環(huán)境情況下，要滿足堵轉(zhuǎn)扭矩和空載轉(zhuǎn)速 0.50 Nm / 3000 RPM，確定電機參數(shù)，確定電機參數(shù)以下是具體步

50、驟：以下是具體步驟： 選擇盡量接近要求的電機及其測試數(shù)據(jù)選擇盡量接近要求的電機及其測試數(shù)據(jù) 這里的這里的“額定額定點點”、“最大效最大效率點率點”和和“最大最大功率點功率點”是根據(jù)是根據(jù)以上輸入值自動以上輸入值自動計算的計算的理想結(jié)果理想結(jié)果。 以后會講這以后會講這些計算公式是怎些計算公式是怎樣來的。樣來的。 在這里輸入電路參數(shù)在這里輸入電路參數(shù) 計算出的是每極氣隙磁通，由輸入的堵轉(zhuǎn)扭矩、堵轉(zhuǎn)計算出的是每極氣隙磁通，由輸入的堵轉(zhuǎn)扭矩、堵轉(zhuǎn)電流以及并聯(lián)支路對數(shù)、磁極對數(shù)和總導體數(shù)求得電流以及并聯(lián)支路對數(shù)、磁極對數(shù)和總導體數(shù)求得 在這里輸入結(jié)構(gòu)參數(shù)在這里輸入結(jié)構(gòu)參數(shù) 本例中，永磁體是圓環(huán)形，圓心角

51、系數(shù)本例中，永磁體是圓環(huán)形，圓心角系數(shù)=360/180/2=1，但永磁體性能實際上，但永磁體性能實際上達不到預定的理想值，經(jīng)計算后得出的計算極弧系數(shù)等于達不到預定的理想值，經(jīng)計算后得出的計算極弧系數(shù)等于0.71 在這里需在這里需要說明的是，要說明的是，計算極弧系數(shù)計算極弧系數(shù)與永磁體圓心與永磁體圓心角有一定關(guān)系，角有一定關(guān)系，一般永磁體圓一般永磁體圓心角越大，計心角越大，計算極弧系數(shù)就算極弧系數(shù)就越大，一般取越大，一般取計算極弧系數(shù)計算極弧系數(shù)約等于約等于圓心角系數(shù)圓心角系數(shù)=圓心角圓心角/180/p 根據(jù)根據(jù) 和和 查附圖得出查附圖得出La，進而得出，進而得出 電樞計算長度電樞計算長度 LefML /Mh 輸入永磁體的性能參數(shù)輸入永磁體的性能參數(shù) 輸入計算公式，得出相關(guān)參數(shù)，其中的