永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)課程設(shè)計(jì)

永磁直流有刷電動(dòng)機(jī)課程設(shè)計(jì)目錄摘要一、設(shè)計(jì)背景及其發(fā)展?fàn)顩r二、有刷直流電動(dòng)機(jī)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理永磁直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、起動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)理永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、調(diào)速范圍永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的功率和效率三、永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)主要尺寸的確定永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的繞組設(shè)計(jì)永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)換向器的設(shè)計(jì)四、磁路計(jì)算組抗參數(shù)損耗參數(shù)外特性效率特性五、個(gè)人總結(jié)參考文獻(xiàn)摘要永磁有刷直流電機(jī)是在直流電機(jī)的基礎(chǔ)上用永磁鐵代替原有磁體材料建立的主磁場(chǎng)。直流電動(dòng)機(jī)采用了永磁勵(lì)磁后，因省去了勵(lì)磁繞組，降低了勵(lì)磁損耗，使其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、效率高、用銅量少等優(yōu)點(diǎn)。本文分析了永磁有刷直流電機(jī)的工作原理，研究了永磁有刷直流電機(jī)電磁的特點(diǎn)，，運(yùn)用解析計(jì)算的方法分析出電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)。為設(shè)計(jì)永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)，我們依據(jù)Matlab強(qiáng)大的數(shù)據(jù)計(jì)算能力建立起了永磁有刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行了仿真進(jìn)而對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了一定的分析，同時(shí)還對(duì)比了在不同的參數(shù)下電機(jī)的工作性能，為電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其工作的穩(wěn)定性提供了一定的依據(jù)。經(jīng)設(shè)計(jì)出的200W永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)具有簡(jiǎn)便高效的特點(diǎn)。關(guān)鍵詞永磁直流電機(jī)有刷設(shè)計(jì)電機(jī)一、設(shè)計(jì)背景及其發(fā)展?fàn)顩r1820年，丹麥物理學(xué)家?jiàn)W斯特發(fā)現(xiàn)了電流在磁場(chǎng)中受機(jī)械力的作用，即電流的磁效應(yīng)。1821年，英國(guó)科學(xué)家法拉第總結(jié)了載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)內(nèi)受力并發(fā)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，法拉第的試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢哉J(rèn)為是現(xiàn)代直流電動(dòng)機(jī)的雛形。1822年，法國(guó)人呂薩克發(fā)現(xiàn)電磁鐵，，即用電流流過(guò)繞在鐵芯上的線圈的方法可以產(chǎn)生磁場(chǎng)。在這些發(fā)現(xiàn)與發(fā)明的基礎(chǔ)上，1831年法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)定律，發(fā)明了盤(pán)式電機(jī)。1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)定律，并發(fā)明了盤(pán)式電機(jī)。同年，亨利制作了振蕩電機(jī)。1832年，斯特金發(fā)明了換向器，并對(duì)亨利的振蕩電機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，制作了世界上第一臺(tái)能連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的電機(jī)。1833年，法國(guó)發(fā)明家皮克西制成了第一臺(tái)旋轉(zhuǎn)磁極式直流發(fā)電機(jī)，主要利用了磁鐵和線圈之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)換向裝置，這就是現(xiàn)代直流發(fā)電機(jī)的雛形。楞次已經(jīng)證明了電機(jī)的可逆原理。1834年，俄國(guó)物理學(xué)家雅可比設(shè)計(jì)并制成了第一臺(tái)實(shí)用的直流電動(dòng)機(jī)。1838年，雅可比把改進(jìn)的直流電動(dòng)機(jī)裝在一條小船上。1845年，英國(guó)人惠斯通用電磁鐵代替天然磁鐵礦石，用于制造電機(jī)并取得了專利權(quán)。1857年，他發(fā)明了自勵(lì)的電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，開(kāi)創(chuàng)了電勵(lì)磁方式的新紀(jì)元。19世紀(jì)70年代，愛(ài)迪生發(fā)明了電燈，開(kāi)始了商業(yè)目的的直流發(fā)電機(jī)的研制。1871年，凡.麥爾準(zhǔn)發(fā)明了交流發(fā)電機(jī)。1879年，拜依萊（Bailey）首次用電的辦法獲得了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，采用依次變動(dòng)四個(gè)磁極上的勵(lì)磁電流的方法，如果在四個(gè)磁場(chǎng)的中間放一個(gè)銅盤(pán)，由于感應(yīng)渦流的作用，銅盤(pán)將隨著磁場(chǎng)的變動(dòng)而旋轉(zhuǎn)，這就是最初的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。1888年，特斯拉發(fā)明了三相異步電機(jī)，并申請(qǐng)了專利。1900年，可靠的卷鐵芯式變壓器的問(wèn)世，開(kāi)創(chuàng)了長(zhǎng)距離輸電的新紀(jì)元。1967年，釤鉆永磁材料的出現(xiàn)，開(kāi)創(chuàng)了永磁電機(jī)的新紀(jì)元。由于稀土鉆永磁材料價(jià)格昂貴，研究重點(diǎn)是航空航天等要求高性能而價(jià)格不是主要因素的高科技領(lǐng)域。1983年，磁性能更高而價(jià)格相對(duì)較低的釹鐵硼永磁材料問(wèn)世后永磁電機(jī)的研究轉(zhuǎn)移到了工業(yè)和民用電機(jī)上。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，隨著永磁材料性能的不斷提高和完善，和永磁電機(jī)研究開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)的逐步成熟，永磁電機(jī)在日常生活的各個(gè)方面獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)今，永磁直流電機(jī)廣泛應(yīng)用于各種便攜式的電子設(shè)備或器具中，如錄音機(jī)、VCD機(jī)、電唱機(jī)、電動(dòng)按摩器及各種玩具，也廣泛應(yīng)用于汽車、摩托車、干手器、電動(dòng)自行車、蓄電池車、船舶、航空、機(jī)械等行業(yè)，在一些高精尖產(chǎn)品中也有廣泛應(yīng)用，如錄像機(jī)、復(fù)印機(jī)、照相機(jī)、手機(jī)、精密機(jī)床、銀行點(diǎn)鈔機(jī)、捆鈔機(jī)等。

二、有刷直流電動(dòng)機(jī)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理永磁直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、起動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)理永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)主要有機(jī)殼、定子、轉(zhuǎn)子、機(jī)械換向器、軸、前后端蓋、

軸承等組成。定子由機(jī)殼內(nèi)圓鑲嵌或粘貼永磁體磁極構(gòu)成。如圖3.1所示。圖3.1圖3.1圖5-2永磴有鞘有槽直流惠的機(jī)轉(zhuǎn)子校心的輔子精型和轉(zhuǎn)好必a)mmB)斜闿槊形砰三甫雁出鰥時(shí)州好永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)機(jī)殼是支撐整個(gè)電動(dòng)機(jī)重量的部件，并且永磁體磁極就鑲嵌或粘貼在圖5-2永磴有鞘有槽直流惠的機(jī)轉(zhuǎn)子校心的輔子精型和轉(zhuǎn)好必a)mmB)斜闿槊形砰三甫雁出鰥時(shí)州好永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子為了減少附加損耗轉(zhuǎn)子鐵心、采用0.5mm~1.0mm的硅鋼片沖壓成并疊在一起組成轉(zhuǎn)子鐵心，在轉(zhuǎn)子鐵心硅鋼片上沖由轉(zhuǎn)子槽，轉(zhuǎn)子槽型如圖3.2所示。圖3.2槽子槽內(nèi)嵌由轉(zhuǎn)子繞組，繞組形式有多種。轉(zhuǎn)子繞組連接機(jī)械換向器，由機(jī)械換向器不斷地有規(guī)律地改變轉(zhuǎn)子繞組的電流方向從而變換繞組磁極的極性，使其于定子永磁體磁極相互作用使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)械換向器的結(jié)構(gòu)有多種形式，圖3.3所示為其中的一種。玻璃纖維酚醛樹(shù)脂(或環(huán)氧樹(shù)脂)將換向銅頭與后V形鋼座和前V形鋼座粘接在一起并起到絕緣的作用，同時(shí)與轉(zhuǎn)子軸套過(guò)盈配合后將兩個(gè)V型鋼座用卡簧(檔圈)限位，整體再過(guò)盈安裝再轉(zhuǎn)子軸上。銅頭徑向彼此絕緣用云母或酚醛樹(shù)脂。圖3.3電刷是直流電通往轉(zhuǎn)子繞組并于換向銅頭一起工作改變直流電進(jìn)入轉(zhuǎn)子繞組電流方向的重要部件。微型永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的電刷往往用彈性較好的銅片制成并用絕緣板固定再機(jī)殼上，以銅片自身的彈性壓在換向器的銅頭上。小型及KW級(jí)的永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的電刷，高轉(zhuǎn)速的用電化石墨制成，低轉(zhuǎn)速大電流的用金屬石墨制成。電刷裝在刷握里被壓力彈簧壓在換向器的銅頭上，壓力彈簧的壓力可以通過(guò)螺栓進(jìn)行調(diào)整。刷握和刷架固定再絕緣板上在固定在機(jī)殼上。永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的定子磁極是永磁體磁極，而其轉(zhuǎn)子磁極是在轉(zhuǎn)子槽內(nèi)嵌入繞組輸入通過(guò)換向器的交變的直流電形成的。當(dāng)轉(zhuǎn)子未移動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)的反電動(dòng)勢(shì)為零，所以起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組的電流很大，轉(zhuǎn)子會(huì)立刻以很高的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)，會(huì)造成轉(zhuǎn)子的很大沖擊。微、小型永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)由于轉(zhuǎn)子繞組勵(lì)磁電流小，往往可以直接起動(dòng)。對(duì)于KW級(jí)的，由于功率大，起動(dòng)電流會(huì)達(dá)到額定電流的10-20倍，為此，常在電源與換向器之間安裝一個(gè)供起動(dòng)用的可變電阻。未起動(dòng)時(shí)可將可變電阻跳到最大值，起動(dòng)時(shí)使起動(dòng)電流為額定電流的1.5-2.5倍，當(dāng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，可將可變電阻調(diào)到0.這種起動(dòng)方式稱作降壓起動(dòng)。永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的定子磁極時(shí)永磁體磁極，其極性不會(huì)改變。只有改變轉(zhuǎn)子繞組的極性才會(huì)使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，這需要將直流電源接到電刷的極性改變，即原來(lái)接電源正極的電刷接到電源的負(fù)極上，將原來(lái)接電源負(fù)極的電刷接到電源正極上，電動(dòng)機(jī)就會(huì)反轉(zhuǎn)。永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)理永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的定子磁極是永磁體磁極，轉(zhuǎn)子鐵心、有槽，槽可為偶數(shù)，也可為奇數(shù)。為了起動(dòng)方便和減少諧波附加損耗，轉(zhuǎn)子槽和轉(zhuǎn)子軸線可

以成一定斜角。轉(zhuǎn)子槽內(nèi)按一定繞組形式嵌入繞組。當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，機(jī)械換向器的電刷和換向銅頭不斷地改變轉(zhuǎn)子繞組地電流方向，使轉(zhuǎn)子繞組的電流磁場(chǎng)地磁力與定子永磁體地磁力相互作用從而使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子軸對(duì)外輸出轉(zhuǎn)矩做做功，將輸入電動(dòng)機(jī)的直流電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能。圖3.4所示兩級(jí)8槽永磁有刷直流點(diǎn)當(dāng)即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)理示意圖。圖3.4在磁場(chǎng)中的載流導(dǎo)體會(huì)受到磁場(chǎng)力的作用而移動(dòng)，可以用左手定則來(lái)判斷載流導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)方向。在圖3.4中，接近定子永磁體N極的轉(zhuǎn)子繞組的導(dǎo)體的電流方向從紙面流出，用左手定則判定轉(zhuǎn)子按順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；接近定子永磁體s極的轉(zhuǎn)子繞組的導(dǎo)體的電流方向是進(jìn)入紙面，而左手定則判定轉(zhuǎn)子按順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到換向位置時(shí)，換向器中的電刷和轉(zhuǎn)子上的換向銅頭將直流電的方向改變，電流進(jìn)入紙面改為從紙面流出，從紙面流出的變?yōu)檫M(jìn)入紙面，轉(zhuǎn)子就不停地按著順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子槽內(nèi)地繞組即為載流導(dǎo)體，在定子永磁體磁場(chǎng)中地載流導(dǎo)體會(huì)移動(dòng)地實(shí)質(zhì)是什么？導(dǎo)體通以直流電時(shí)，在導(dǎo)體周圍就會(huì)有不變的繞著導(dǎo)體的環(huán)形磁場(chǎng)；當(dāng)給導(dǎo)體通以交流電時(shí)，在導(dǎo)體周圍就會(huì)由交變的繞著導(dǎo)體的環(huán)形磁場(chǎng)。載流導(dǎo)體形成的磁場(chǎng)方向可以用右手定則來(lái)判定。圖3.4b所示為接近定子永磁體N極的轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)的繞組導(dǎo)體電流從紙面流出時(shí)的導(dǎo)體環(huán)形磁場(chǎng)的方向。圖3.4c所示定子永磁體的磁力Fm和轉(zhuǎn)子繞組導(dǎo)體磁場(chǎng)的磁力Fa及它們的合力F是使轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的力。同理，接近永磁體S極的轉(zhuǎn)子繞組的磁力與永磁體磁極的磁力的合力使轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)理使定子永磁體磁極的磁力與轉(zhuǎn)子繞組導(dǎo)體所形成的磁場(chǎng)的磁力相互作用使其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。圖3.4永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、調(diào)速范圍永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)在永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)中，定子勵(lì)磁磁極是永磁體磁極，定子永磁體磁極的氣隙磁密是不變的，而轉(zhuǎn)子磁極則是通過(guò)電刷和換向銅頭給轉(zhuǎn)子繞組提供電流方向按換向頻率變化的電流。在電動(dòng)機(jī)未轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)、轉(zhuǎn)子繞組沒(méi)有切割定子永磁體磁極的磁通，在轉(zhuǎn)子繞組中不會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)；當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子永磁體磁極的磁通切割轉(zhuǎn)子繞組，在轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)。轉(zhuǎn)子繞組的反電動(dòng)勢(shì)方向由定子永磁體磁極的磁通方向和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方向來(lái)決定。兩者之中，任何一個(gè)方向改變，反電動(dòng)勢(shì)的方向也隨之改變。在永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)中，反電動(dòng)勢(shì)的方向與轉(zhuǎn)子電流的方向相反。TOC\o"1-5"\h\z反電動(dòng)勢(shì)E(V)為：8=應(yīng)九0①60a0=BSSrn②B8=K^^arctan——ambm-③E2^4^mb名Srn=bp'Lef④式中p永磁有刷有槽直流電動(dòng)機(jī)的定子永磁體磁極的極對(duì)數(shù);N----永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的總導(dǎo)體數(shù)；轉(zhuǎn)子繞組并聯(lián)支路對(duì)數(shù);n轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，單位r/min；0——每極磁通，單位為Wb；Bs——?dú)庀洞琶埽瑔挝粸門(mén)；Sm定子永磁體的磁極面積，單位為m2或血牌bp永磁體磁極的弧長(zhǎng)，單位為m或mm；Lef永磁體磁極的有效長(zhǎng)度，單位為m或mmKm矩形永磁體磁極面的端面系數(shù)，。漏磁系數(shù)；am——矩形永磁體矩形極面的短邊長(zhǎng)，單位為m或mm，在永磁體有刷直流電動(dòng)機(jī)中，即為極弧長(zhǎng)度％，當(dāng)極弧長(zhǎng)％較長(zhǎng)時(shí)會(huì)使永磁體中心磁感應(yīng)強(qiáng)度比周邊的磁感應(yīng)強(qiáng)度低，這是由于永磁體的集膚效應(yīng)，應(yīng)對(duì)永磁體磁極進(jìn)行徑向拼接，拼接的幾塊永磁體不能彼此接觸，應(yīng)彼此離開(kāi)1-2mm。bm矩形永磁體矩形極面的長(zhǎng)邊長(zhǎng)，單位為m或mm。在永磁體有刷直流電動(dòng)機(jī)中，bm=Lef；kl系數(shù)，kl二了電源電壓4與反電動(dòng)勢(shì)之間的關(guān)系為：Ua=E+RaIa+LUb式中：ua----轉(zhuǎn)子繞組電路中外加直流電源電壓，單位為V；E永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)，單位為V；Ra——轉(zhuǎn)子繞組的電阻，單位為Q；Ia----繞組的電流，單位為A；^Ub——電刷與換向銅頭接觸電壓降，單位為V，斗通常取0.5-2V，電壓高取大值，電壓低取小值。永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩在永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)中，電磁轉(zhuǎn)矩由轉(zhuǎn)子繞組電流磁場(chǎng)的磁力與定子永磁體的磁力作用而形成的。電磁轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)外輸出轉(zhuǎn)矩，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。電磁轉(zhuǎn)矩的方向由定子永磁體磁通。和轉(zhuǎn)子繞組電流/a的方向來(lái)決定的，由于永磁體磁極的磁通。的方向式固定的，因此改變轉(zhuǎn)子電流/a的方向就改變了電磁轉(zhuǎn)矩的方向。在永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)中，電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方向相同。給出電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式：M=耍虬2ana永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和調(diào)速范圍a)永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n(r/min)為：_Ua(RaRb)M"=冒-CeCm02式中：Ce—電機(jī)系數(shù)，q=S';Cm電動(dòng)機(jī)系數(shù)，％=尤；a----電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組并聯(lián)支路對(duì)數(shù)。b)調(diào)速范圍：后續(xù)。。。。。永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的功率和效率永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的輸入功率式額定輸出功率的各種損耗之和。損耗功率包括轉(zhuǎn)子繞組的銅損耗、轉(zhuǎn)子鐵心、的鐵損耗、軸承的摩擦損耗及風(fēng)阻損耗等。永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的效率是其輸出功率與輸入功率的百分比。永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的額定輸出功率額定功率的％(W)的計(jì)算公式為：PN=MN^2^nNMNMn永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的額定輸出轉(zhuǎn)矩，單位為N?m；3永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角速度，單位為rad/s；%額定轉(zhuǎn)速；單位r/min；永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的輸入功率永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的輸入功率是其額定功率與電動(dòng)機(jī)各種損耗之和，其輸入功率P1(W)計(jì)算公式如下：P1=PNPaCuPaFePfwPaCubPafb^aCu—永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的銅損耗，單位WPaFe—永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心的貼損耗，單位為WPfw永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)軸承摩擦損耗和風(fēng)阻損耗，單位WPaCub——永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)電刷和換向銅頭的銅損耗，單位WPafb——電刷與換向銅頭之間的摩擦損耗，單位WQ.永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的銅損耗、電刷損耗F「=I2RaCuaa永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的電刷與銅頭接觸，由電壓降，也有電阻虬，因此，其銅損耗PaCub=2斜=2。△匕、L電刷與換向銅頭接觸的電阻，單位為Q永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的電刷與銅頭之間的摩擦損耗P”b(W)為一Pafb=2咿傘〃白電刷與換向銅頭之間的摩擦系數(shù)，通常?。ザ?.2-0.3；Pb----電刷的彈簧壓力，通常取Pb=2*104P。島個(gè)電刷與換向銅頭的接觸面積，即電刷的工作面積，單位為m2S.換向銅頭的圓周速度，單位為m/s永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的鐵損耗永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，在轉(zhuǎn)子鐵心、中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，這個(gè)感應(yīng)電流稱作渦流，由渦流產(chǎn)生的損耗稱作渦流損耗。轉(zhuǎn)子用硅鋼片做鐵心就是為了減小渦流損耗。同時(shí)在轉(zhuǎn)子鐵心、中還存在由于磁場(chǎng)的變化引起的磁滯損耗。轉(zhuǎn)子鐵心、中的渦流損耗和磁滯損耗統(tǒng)稱轉(zhuǎn)子鐵心、的鐵損耗。永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的效率永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的效率通常為額定功率與輸出功率的百分比。在這種通常的計(jì)算中，沒(méi)有將定子永磁體磁極做功計(jì)算在內(nèi)，這也不是永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的真實(shí)效率。P^=^1x100%永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)題目設(shè)計(jì)要求：1、額定功率200W，直流側(cè)電壓48VDC；2、額定轉(zhuǎn)速3000r/min；3、額定效率要求大于75%；4、調(diào)速范圍2000~4000r/min永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)主要尺寸的確定確定永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子外徑永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的主要尺寸是轉(zhuǎn)子直徑Da和轉(zhuǎn)子鐵心、的有效長(zhǎng)度Lef。首先要初步確定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子直徑Da，在初步確定轉(zhuǎn)子直徑后，可以參考同功率的并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的相關(guān)資料初步確定永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子直徑Da。根據(jù)題目要求的200W，查找相關(guān)資料，得到同類的永磁電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子直徑Da=55mmo所以初步確定要設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)的Da為55mm。確定永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的工作長(zhǎng)度Lpf勺在永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子直徑Da初步確定以后，根據(jù)選定電動(dòng)機(jī)的線負(fù)荷A和定子永磁體磁極氣隙磁密來(lái)計(jì)算電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的工作長(zhǎng)度Lef。永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子工作長(zhǎng)度Lef(m)計(jì)算公式為:6.1

a>ABD2

p3a

P=Pn

七A=—aa2anDaBB8=K―^arctan「m切2bj4&+%+嶗式中：虬----永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的總導(dǎo)體數(shù)a----轉(zhuǎn)子繞組并聯(lián)支路對(duì)數(shù)；%——計(jì)算極弧系數(shù)，通常取％=0.637-0.78；通過(guò)計(jì)算Lef的值為，通過(guò)電動(dòng)機(jī)的尺寸比來(lái)校驗(yàn)是否適合。中T-—直流電動(dòng)機(jī)的極距離，單位為m，丁=巖。通常入取0.6-1.2,如果計(jì)算結(jié)果超出這個(gè)范圍，則重新選擇轉(zhuǎn)子鐵心、直徑Da或轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度Lef，使用入在應(yīng)取的范圍內(nèi)。通過(guò)計(jì)算得出入的值為，則符合要求。確定永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的極數(shù)永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與極數(shù)沒(méi)有固定的數(shù)學(xué)關(guān)系，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速只與換向頻率有關(guān)系。通常永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)W級(jí)的以兩級(jí)居多，KW級(jí)的有四級(jí)的。在永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)中，在轉(zhuǎn)子直徑Da和氣隙磁密確定以后，氣隙總磁通量是一個(gè)定值，當(dāng)極數(shù)增加時(shí)，每級(jí)的磁通量變小可縮短換向器與轉(zhuǎn)子繞組的端部長(zhǎng)度，使銅耗量減少并可縮短電動(dòng)機(jī)的寸尺。但技術(shù)增加會(huì)使轉(zhuǎn)子鐵心中交變磁化頻率增大，從而使轉(zhuǎn)子鐵心鐵損耗級(jí)附加損耗增加，也會(huì)使電動(dòng)機(jī)的溫升提高。永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)定子永磁體的極弧長(zhǎng)及磁極長(zhǎng)度永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的極距T(m)為兀D.]T=業(yè)2p式中：Dtl永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的定子永磁體磁極的內(nèi)徑，單位為m；2p永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的極數(shù)定子永磁體磁極的極弧長(zhǎng)度、印)為、=apT式中翥——定子永磁體磁極的極弧系數(shù)，通常取閂=0.637-0.78永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)氣隙長(zhǎng)度的選擇永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的氣隙長(zhǎng)度對(duì)電動(dòng)機(jī)的性能有一定影響。氣隙很小，可以減小轉(zhuǎn)子繞組的安匝數(shù)，會(huì)增加電動(dòng)機(jī)的功率，但也會(huì)增加電動(dòng)機(jī)的磁噪聲，還會(huì)使電動(dòng)機(jī)換向不良造成電動(dòng)機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定，同時(shí)也增加了加工和安裝的難度，但氣隙也不能太大，太大雖然有利于加工安裝你，但會(huì)降低電動(dòng)機(jī)的功率。通常W級(jí)永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的氣隙長(zhǎng)度為5=0.6—0.9mm，KW級(jí)通常取5=0.7—1.2mm；永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)得利用系數(shù)。永磁直流電動(dòng)機(jī)得利用系數(shù)表示電動(dòng)機(jī)單位體積、單位額定轉(zhuǎn)速得計(jì)算功率得多少，它代表了永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)材料得利用程度，它是電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)得一個(gè)重要得比較參數(shù)。永磁系數(shù)有刷直流電動(dòng)機(jī)得利用系數(shù)c(KW?min/m3)計(jì)算公式如下：R"km"%永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱系數(shù)。是衡量永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)的發(fā)熱程度，它是電動(dòng)機(jī)線負(fù)荷A與轉(zhuǎn)子繞組電流密度的乘積。發(fā)熱系數(shù)3(A/cm)計(jì)算公式如下:_Aj=A?L式中A永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的線負(fù)荷，單位為A/cm；ja----轉(zhuǎn)子繞組的電流密度，單位為A/mm2。通常取ja=3.5~7.5mm2。發(fā)熱系數(shù)與永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的冷卻和定子永磁體磁極的物理性質(zhì)有關(guān)。發(fā)熱系數(shù)3通常取1500~2000A/cm、A/mm2。電動(dòng)機(jī)尺寸確定：在此，我們采用2個(gè)磁極，即磁極對(duì)數(shù)為1，因?yàn)樵趩委B繞組中，并聯(lián)支路對(duì)數(shù)與磁極對(duì)數(shù)相等，所以并聯(lián)支路對(duì)數(shù)a=1;取轉(zhuǎn)子繞組直徑Da=55mm；永磁體采用amXbm=48mmX70mm的釹鐵硼N45，通過(guò)查表1-1，取化皿=1.02,查表1-2得Br=1.32，根據(jù)公式可求得場(chǎng)=1.05根據(jù)發(fā)熱系數(shù)計(jì)算：取九=5mm2，A.取1800A/cm、A/mm2，可求得A=36000A/m⑤nN=3000r/min，%取0.7，將各變量帶入公式可得Lef=70mm⑥將Lef=70mm代入4=穌和T=^^=0.08635m中，得4在0.6-1.2范圍內(nèi)，因此Le^=70mm取值合理。永磁直流電動(dòng)機(jī)的繞組設(shè)計(jì)在永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)中，載流的轉(zhuǎn)子繞組的磁力與定子永磁體磁極的磁力相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)外輸出轉(zhuǎn)矩，將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。因此，永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組在電動(dòng)機(jī)電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的過(guò)程中起到了重要作用。⑴永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的總導(dǎo)體數(shù)由轉(zhuǎn)子繞組的由轉(zhuǎn)子繞組的反電動(dòng)勢(shì)E(V)求出轉(zhuǎn)子繞組的總導(dǎo)體數(shù)NPN60姑召=而°%7=阿其中0=墉^=財(cái)任婦反電動(dòng)勢(shì)E(V)用轉(zhuǎn)子回路中電氣損耗占總損耗的1/3來(lái)計(jì)算出反電動(dòng)勢(shì)E1-nE=U(1--^)(2)永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子每槽導(dǎo)體數(shù)轉(zhuǎn)子繞組總導(dǎo)體數(shù)為N，則每槽導(dǎo)體數(shù)M由下式得出NN=-sZz轉(zhuǎn)子槽數(shù)永磁有刷導(dǎo)體數(shù)Ns求出之后，應(yīng)圓成證書(shū)，而后在重新計(jì)算總導(dǎo)體數(shù)N。永磁有刷有槽直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組是由多個(gè)元件組成的，繞組元件嵌放在轉(zhuǎn)子槽內(nèi)，并以一定規(guī)律將元件與換向器接成閉合回路。由這些元件組成的閉合回路通過(guò)換向器被正負(fù)電刷分成若干個(gè)并聯(lián)支路，并通過(guò)電刷與直流電源連接。每一個(gè)支路各元件的對(duì)應(yīng)邊通常都處于相同極性的磁場(chǎng)下，以獲得支路最大的電磁轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子繞組每個(gè)元件的匝數(shù)可以是單匝、多匝，也可以是分?jǐn)?shù)匝。通過(guò)a=M_tN=^M驗(yàn)證總導(dǎo)體數(shù)，則符合設(shè)計(jì)要求。2皿。以Ia根據(jù)題目要求：額定效率大于75%，取額定效率為80%；并且直流側(cè)電壓為48VDC，則U二48V?？捎?jì)算E=44.8V，根據(jù)上文計(jì)算結(jié)果，可得出每極磁通0=0.00444271wb，由此可得出總導(dǎo)體數(shù)N=202。取轉(zhuǎn)子槽數(shù)z為8槽，通過(guò)Ns=墮計(jì)算驗(yàn)證，最終確定總導(dǎo)體數(shù)N=200永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組電流及繞組導(dǎo)體永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組總電流是指給電刷進(jìn)入轉(zhuǎn)子繞組的電流，轉(zhuǎn)子繞組的總電流4(A)計(jì)算公式為：〃=%%轉(zhuǎn)子繞組并聯(lián)支路中每個(gè)支路的電流?(A)為/]=土轉(zhuǎn)子繞組中每根導(dǎo)線的截面積是指導(dǎo)體導(dǎo)電的截面積S〃=^°"式中人----電流密度，單位為A/mm2。通常永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的電流密度取4=3~7A/mm2，功率大取大值，功率小取小值，根據(jù)題目要求的200W，所以取A=5A/mm2.每根導(dǎo)體可以是一根導(dǎo)線，電流大時(shí)，可以是幾根導(dǎo)線并繞，則每根導(dǎo)線的截面積為5〔=4=&=些an"n4式中n----n根導(dǎo)線并繞組成一個(gè)導(dǎo)體Sa1—每根導(dǎo)線導(dǎo)電截面積，單位mm2d每根導(dǎo)線導(dǎo)電的直徑，單位為mm由以上公式可得O=4.167A,=2.08A,Sq=0.417mm2永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)換向器的設(shè)計(jì)永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)的換向器是通過(guò)電刷在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中按一定規(guī)律經(jīng)換向器銅頭不斷地改變轉(zhuǎn)子繞組地電流方向的重要部件。換向器的結(jié)構(gòu)根據(jù)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)、功率的不同，有多種結(jié)構(gòu)形式。(1)換向器主要由換向銅頭、電刷、握