串激电机设计

家用电器及电动工具用串激电机设计----2002.2第1页共22页第一章概述1-1单相串激电机设计进展1．单相串激电机的设计研究概述：为适应电动工具以及小型家用电器之应用需要，串激电机设计得到了长足进步。2．电磁设计上的进展：据估计每隔十年，单位重量出力提高20%~30%，可归纳如下：(1)提高电机转速;(2)增大转子直径，提高定子/转子外径比12DD。由0.52~0.56提高到0.54~0.59，使定转子温升趋于平衡；(3)采用深槽定子，得益于采用了自动绕线机，可以采用较大的转子外经并缩短定子匝长。可提高电机效率10%~20%；(4)提高电磁密度，适当提高激磁安匝。可以缩小结构尺寸，有利换向，提高电机硬度；(5)减少冲片规格，提高通用性。降低成本，适应自动化批量生产；1-2单向串激电机的设计要求1．电机设计的基本要求（1）功率要求，适当选取功率，综合平衡效率、温升、及体积之要求；（2）效率和攻率因数的要求；（3）其它额定指标，包括启动转矩，最小转矩，最大转矩等；2．单相串激电机的设计特点及要求（1）额定工作点，额定输出转矩时电机应不低于额定转速；（2）控制换向火花，因换向无法计算，故要求严格控制火花相关的各设计参数；（3）其它设计要求；第二章主要尺寸及电磁参数选取2-1主要要尺寸及电磁负荷1．主要尺寸D1,D2及L确定电机主要尺寸，一般从计算LD22入手：AnBPiLD4221026（cm3）iP——电磁内功率（即通常所说的电磁功率），可有后式估算——极弧系数，取0.6~0.7B———气隙磁密（T），可按（图1—2）选取A——线负荷（A/cm），可按（图1—2）选取n——转速(r/min)从上式看出，AB取值越大，电机尺寸越小，但AB取值受其他因素制约，详见后述。转速n越大，电机尺寸也越小，电机转速同样受到机械，换向等因素的制约。在此处，可用额定转速代入式中作计算。电磁功率iP为通过气隙磁场，从定子侧传递到转子的功率可用下面经验公式计算：21HiPP当η≤0.5954HiPP当η＞0.5家用电器及电动工具用串激电机设计----2002.2第2页共22页上式中Hp为输出功率，可按额定输出功率带入计算。为电机效率，可按额定效率代入计算，当需要计算者确定时，可按（图1—1）选取，此为当前生产连续定额E,B级绝缘的平均效率曲线。（图1—1）效率与额定输出功率之关系0102030405060708004080120160200240280320360400440480520560600640680720760800输出功率PH（W)效率η对于短时运行定额的电机或采用耐热等级更高绝缘的电机，效率值应下降。确定LD22后，接着可确定电枢冲片的2D值，应综合考虑电机使用条件，通用性及派生的要求，同时考虑合适的长径比2DL，通常为0.5~1.5之间。较大的值使电机细长，铜利用率较高，但是制造工艺性较差，绕组挠度大，冷却差，漏抗大换向不利。确定2D后可以方便的确定铁心叠长L。12DD的比值可在0.54~0.59之间选取，较大值适合于深槽转子，从而确定定子外径1D。2．线负荷A及气隙磁密B电枢线负荷A表示电枢外径圆周单位长度上的安匝，A越大则尺寸越小，铜耗增大，线匝增多而导致换向恶化。因此A增大是有限制的。从8-1式来看,LD22一定时，AB也是定值，B取得大则A可取小，反之亦然。但二者取值都是受其他因素制约的，初步设计时可参照（图1—2）选取，该曲线是用于连续负载E,B级绝缘单相串激电机，对于短时定额可适当提高145~100A(A/cm)55.0~35.0B(T)2-2磁路参数选取1.定转子安匝比和铁心各部分磁密定转子匝比NW18是一个重要的磁路控制参数，1W为一个极的定子线圈匝数，N为电枢总导体数，匝比大小表示定、转子磁场的相对强弱情况，其值对电机性能、换向情况、机械特性硬度以及损耗效率都有影响，简单分析如下：匝比大，定子主磁场强，电枢相对弱，则磁场畸变小，有利换向。匝比大，定子主磁场强，磁路饱和度高，利于稳定转速，提高机械硬度。匝比大，铜耗增大，温升增高，效率下降，定子电抗增大而功率因数降低。实际上，匝比应维持合理范围，过大没有意义。当磁场足够饱和时，在增加定子激磁安匝，定子磁场不会明显增强，因而失去了积极方面的意义，反倒使铜耗增加了。定转子安匝比推荐范围为0.85~1.3。功率小取大值，功率大（400W以上）取较小的值。磁路的饱和程度是由铁心各部分磁密大小来决定的，由于结构的需要，各部分磁密不同。正常设计的电机，各部分磁密范围一般如下：家用电器及电动工具用串激电机设计----2002.2第3页共22页定子极身磁密pB0.6~0.9（T）1.0~1.4（T）深槽定子定子轭部磁密1cB1.6~1.75（T）电枢齿部磁密tB1.65~1.8（T）电枢轭部磁密2cB1.35~1.65（T）2.极弧系数和气隙长度极弧系数是极弧长度和极距的比值。极弧系数越大，电机尺寸越小。但极弧系数过大则影响到换向区域，对火花不利。当定子磁势为矩形波时，从傅丽叶级数分析，可看出各分量谐波随值的变化情况（图1-3）。从图可见，当为0.667时，3次分量为0(见图1-3)，所以一般取0.667~0.7，若气隙采用不均匀设计时，可放大。气隙长度也是磁路重要参数，气隙中所分担的激磁磁势占全部激磁磁势的40%~50%。越长，磁势消耗越多，使定子绕组匝数增多，铜耗增加，并因定子电感增大，而使功率因数下降。增大也有好处，可减弱电枢反应，有利换向，并且也减弱齿槽效应，降低损耗，弱化定转子偏心带来不利的影响。单相串激电机通常取为0.3mm~0.9mm,小电机取较小值。选用计算式如下：410.3.0BA(cm)22D极距（cm）BA,可按图1－2选取为了改善换向，可采用非均匀气隙。非均匀气隙通过极弧偏心来实现（如图1－4）。其偏心量由下式计算：图1-3-60-50-40-30-20-1001020304050600.40.450.50.550.60.650.70.750.80.850.90.951极弧系数α基波%值3次谐波5次谐波7次谐波图1-201020304050607080901001101201301401501600102030405060708090100PH/n(W/r/min）A(A/cm）Bδ(T×10-2）线负荷ABδ家用电器及电动工具用串激电机设计----2002.2第4页共22页2cos112e（cm）不均匀气隙的等效气隙按下式计算1'12KK（cm）12K2-3绕组温升控制电机绕组温升都有限制的规定,它是按照所使用的绝缘材料的耐热等级和使用寿命的需要而制定的。通过热计算来控制温升,则计算反复且正确性差,所以工程上通过控制和绕组温升相关的参数来间接控制温升,实践证明是合理可行的。1.限制2A值来控制电枢绕组温升电枢绕组铜耗直接影响电机发热，所以线负荷A和电流密度2的乘积可以用来控制绕组温升。为了控制温升不超过某一数值，只需控制2A值不超过某一值即可。为了给电磁设计提供合理的2A值，应按照电机主要尺寸来计算2A的限制。下式是计算2A值的经验公式：422210LnDKAA（2mmAcmA）2D单位（cm）L单位（cm）n值单位（r/min）其中系数AK可根据额定输出功率HP从图1－5中选取，此曲线适用于连续运行定额温升不超过70K扇冷结构电机。图1-4不均匀气隙示意图δ1δ2家用电器及电动工具用串激电机设计----2002.2第5页共22页应该指出，在实际工程中，温升控制参数宜低于限值并留有裕度，以适应批量生产中的离散性。2.限制12rI的数值以控制定子绕组温升直接影响定子温升的因素是定子铜耗12rI,I是电机主电流,1r是定子电阻。因此只要控制定子铜耗就能控制定子温升。定子绕组温升往往低于转子温升，这是正常的，是由电机结构和散热特点所决定的。但二者不可相差过大，否则说明材料利用不合理。同样可用电机主要尺寸来计算定子铜耗的限值，计算式如下：4221210LnDKrIS（W）系数SK可根据定子外径1D从图1－6选取。此曲线适用于连续运行定额及温升不超过60K扇冷结构电机。图1-504812162024283236404448521001502002503003504004505005506006507007508008509009501000PH(W)KAKA第三章单相串激电动机的电磁设计程序3-1校算分析程序、设计综合程序和优化设计程序目前，常用的各种电机设计程序，多数校算分析程序。电机设计计算变量繁多，且约束不够，因而只能做出一系列假设，在一定的假设下计算出一套结果，再返回去和假设条件比较，看是否相符。如果相符，则结果可信，反之需要重新调整假设，再次计算。如此循环，逐渐逼近，最终得到正确答案。校算分析程序存在多解情况，因而，设计者经验对设计结果存在很大影响。3-2单相串激电动机电磁设计程序图1-60.40.50.60.70.80.9144.555.566.577.588.599.51010.511D1(cm)KsKs家用电器及电动工具用串激电机设计----2002.2第6页共22页1.程序简介本程序主要用于输出功率为60-1200W、负载转速为6000-18000r/min的单相串激电机的设计计算。经实际使用验证，具有较高的计算正确性，但超出适用范围使用时，计算正确性会受到一定影响。本程序属于校算分析程序，设计者经对设计方案的优劣会有影响。本程序在步骤安排上，已考虑了尽可能减少计算上的反复，为此首先计算出转子，从而推算磁通，然后进行磁路计算，损耗计算，端电压校算，功率因数校算，功率校算。具体的设计计算方法及详细说明在程序中介绍。2.电磁设计程序额定数据1额定输出功率HP(W)2额定转速Hn（r/min）3额定输出转矩HM(N.m)(HHHnPM56.9)4额定电压HU(V)5额定频率Hf(HZ)6额定效率H7额定功率因数Hcos额定数据是对计算任务所提出的要求，电磁计算的最终结果，就是在保证达到额定数据要求的前提下，确定定转子绕组及有关的结构参数。结构参数（参见图2-1）1定子外径1D（cm）2定子内径12D（cm）3转子外径2D（cm）4转子内径图2-1家用电器及电动工具用串激电机设计----2002.2第7页共22页22D（cm）5铁芯长度L（cm）6气隙长度（cm）7定子极宽pb（cm）8定子极高ph（cm）9定子轭高1ch（cm）(如非平行轭，1eh取靠近最狭处的31处的轭高)10定子槽宽'H（cm）11转子槽口宽度0b（cm）12转子槽上部宽1b（cm）13转子槽口高度0h（cm）14转子槽楔厚度h（cm）15转子槽上部深1h（cm）16转子槽芯深度2h（cm）17转子槽底半径R（cm）18转子齿宽t（cm）（对非平行齿，t取靠近最狭处的31处的轭高）19转子槽数z20换向器外径cD（cm）21换向器片数K22电刷长度ba（cm）23电刷宽度bb（cm）结构参数是根据上章所述的设计原则以及运用几何、三角的计算公式而提出的，通过电磁计算，结合绕组参数的设计，最后确定结构参数。在电磁计算过程中，发现已提出的结构参数不能符合原先设想的设计原则，不能保证额定数据的要求时，则要修改原先提出的结构参数，如修改定、转子槽形，放长铁芯等等。结构参数也可能由于通用化的要求而提出的，如需要通用定转子冲片，此时，在电磁计算中，不允许改变冲片的任何尺寸，只能改变铁芯家用电器及电动工具用串激电机设计----2002.2第8页共22页长度来满足额定数据的要求。计算1负载电流HHHHUPIcos(A)2转子绕组线规22'dd(mm/mm)'2d绝缘导线外径2d铜线直径（结合下步要计算的电流密度2和槽满率sf的