串激电机设计03

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12D D 。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D 1,D 2及L

确定电机主要尺寸，一般从计算L D 2

2入手：

An

B Pi L D δα4

22

1026⨯⨯⨯=

（cm 3） i P ——电磁内功率（即通常所说的电磁功率），可有后式估算

α——极弧系数，取0.6~0.7

δB ———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，δAB 取值越大，电机尺寸越小，但δAB 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i P 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：

⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=ηη21H i P P

当η≤0.5 ⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛+=ηη954H i P P

当η＞0.5

上式中H p 为输出功率，可按额定输出功率带入计算。η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

010203040506070800

40

80120160200240280320360400440480520560600640680720760800

输出功率P H （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L D 2

2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2D L ，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 。

12D D 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δB

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, L D 2

2一定时，δAB 也是定值，δB 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=δB (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

N

W 1

8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：

定子极身磁密 p B 0.6~0.9（T ）

1.0~1.4（T ）深槽定子 定子轭部磁密 1c B 1.6~1.75（T ） 电枢齿部磁密 t B 1.65~1.8（T ）

电枢轭部磁密 2c B 1.35~1.65（T ）

2.极弧系数α和气隙长度δ

极弧系数α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α值的变化情况（图1-3）。从图可见，当α为0.667时，3次分量为0(见图1-3)，所以一般α取0.667~0.7，若气隙采用不均匀设计时，α可放大。

气隙长度δ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%。δ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。δ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δ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--⋅=δ

τδB A

(cm)

2

2

D πτ=

极距（cm ）

δB A ,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

-50-40-30-20-100

102030405060

极弧系数α

基波%值

图1-2

01020304050607080901001101201301401501600

10

20

30

40

50

60

70

80

90

10

PH/n (W/r/min）

A (A /c m ）

B δ(T ×10-2）