永磁直流电机设计程序

永磁直流电动机-2
2 永磁直流电动机基本方程和稳态运行特性 永磁直流电动机的工作原理和基本方程与电励磁直流电动机相同，现概括如下： 2.1 电磁转矩和感应电动势永磁直流电动机中两个最基本的电磁现象,一是电枢绕组通以 电流时在磁场中受力产生电磁转矩式Tem；另一是电枢绕组在磁场中运动产生感应电 动势Ea.电磁转矩和感应电动势是永磁直流电动机实现机电能量转换不可分割的两个 重要方面.当电刷放在几何中性线上、电枢线圈均匀分布且为整距时，电磁转矩 Tem(N.m)和感应电动势Ea(V)的计算公式如下： Tem=pN/(2pa)*FIa = CTFIa (5-1) Ea =pN /(60a)*Fn = CeFn (5-2) 式中 : p ― 极对数； N ― 电枢绕组总导体数； F ― 每极气隙磁通（ Wb ) ; Ia― 电枢电流（ A ) ; a ― 电枢绕组的并联支路对数； n ― 转子转速（ r / min ) ; CT ― 转矩常数，对已制成的电机来说是一个常数. CT =pN/(2pa) (5-3) Ce― 电动势常数，对已制成的电机来说是一个常数， Ce =pN/(60a) (5-4) 电动势常数Ce和转矩常数CT是直流电动机重要的设计参数,它们实际上是一个参 数,两者相差常数倍, CT=60Ce /(2p)=9.549Ce.在设计电动机时，Ce和CT只能同时增 大或减小.也就是说，要想增大CT以减小电流时, Ce也同时增大而使电压增高,否则 转速将下降.要想使电动机负载电流减小,又不使电压增高,也不使转速降低,只能采 取另外的措施.
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2.2 基本方程: 2.2.1 电压平衡方程永磁直流电动机的电压平衡方程为 U = Ea + IaRa + DUb (5-5) 式中 U --- 电动机端电压(V) ; Ra --- 电枢回路电阻(W) ; DUb --- 一对电刷接触压降(V)，其值与电刷型号有关，一般取Dub=0.5 ~ 2.0 V. 2.2.2 转矩平衡方程在稳态情况下,电动机转矩平衡方程为 Tem= T2 + T0 (5-6) 式中T2 --- 电动机轴上的机械负载转矩(N.m); T0 --- 由于电动机铁心中涡流、磁滞损耗和机械损耗而产生的转矩(N.m),属制动性质， T 。＝ CTFI0 式中 I0― 电动机的空载电流(A). 2 . 2 .3 功率平衡方程 永磁直流电动机的电磁功率Pem(W) Pem = EaIa = pN/(60a)*Fn*Ia = pN/(2pa)*Fn*Ia(2pa)/60= Tem W (5-8) 式中W --- 转子机械角速度(rad/s), W= 2pn/60. 式(5-8)中EaIa为电源用以克服反电动势所消耗的电功率, Tem W为电动机的电磁转矩对机械负载所做的机械功率， 二者相等.将式(5-5)两边同乘以电枢电流Ia,得 UIa = EaIa + IaRaIa + DUbIa 即 P1 = Pem + Pcua + Pb (5-9) Pem = Tem W=(T2 + T0 ) W = P2 + P0 = P2 + Pfe + Pfw 式中P1 -- 电动机的输入功率(w); Pcua ― 电枢绕组铜耗（ W ) ; Pb ― 电刷接触电阻损耗（ W ) ; P0 ― 电动机的空载损耗（ W ) ; Pfe ― 铁心损耗（ W ) ; Pfw ― 机械摩擦损耗，又称风摩损耗（ W ) ; P2 ― 电动机输出的机械功率(W),P2 = T2 W 。
2.3 稳态运行特性: 2.3.1 机械特性: 当电机的端电压恒定(U=常数)时，电动机的转速随电磁转矩变化的关系曲 线,n=f(Tem),称为永磁直流电动机的机械特性,通常也表示成电动机转速n(r/min)与 输出转矩T2(N·m)间的关系曲线.将式Tem=pN/(2pa)*FIa = CTFIa和Ea =pN /(60a)*Fn = CeFn代入式U = Ea + IaRa + DUb经整理得: n = (U- Dub)/(CeF) –Ra/(CeCTF2)*Tem =n’0 – kTem = n’0 – kT0 – kT2 在电动机堵转(n=0)时的电磁转矩,即电动机的堵转转矩(N.m): Tk = CT *(U- Dub)/ Ra 式中: n’0--- 理想空载转速， n’0 = (U- Dub)/(CeF)对应于Te = T2+To = 0时的情况； k ---机械特性曲线的斜率，k = Ra/(CeCTF2) k 表示单位电磁转矩变化时所引起的转速变化,它与电枢电阻成正比而与电动势 常数、转矩常数的乘积成反比.当电枢电阻小、转矩常数大时, k 小,说明转速下降 较慢,亦即Tem变化引起的转速变化小,机械特性较硬;反之,k 大则特性变软. 在一定温度下,普通永磁直流电动机的磁通基本上不随负载 而变化,这与并励直流电动机相同,故转速随负载转矩的增大而 稍微下降,在F不变时几乎是一条直线。由于 k≈常数,对应于 不同的电动机端电压U，机械特性曲线n=f(Tem),为一组平行直 线，如图5-1所示。 在工程上，通常用转速调整率△n(%）来表征从空载到额 定负载时转速变化的大小， △n = n0 – nN / nN %
材料本身的成本.因此,目前的趋势之一是尽可能使用矩形或近似矩形结构， 如图5-7所示.但为了减少配合面之间的附加间隙,对配合面的加工精度要求较 高。图 5-7c的切向式结构起聚磁作用,可以提高气隙磁密,使之接近甚至大于 永磁材料的剩磁密度。 以上是按永磁磁极的形状分类的.按永磁体磁化方向与电机转子旋转方向的 相互关系,又可分为径向式和切向式.径向式结构(图5-4,图5-5a,图5-7b和d） 的特点是,每对极磁路中有两个永磁体串联起来提供磁动势,由一个永磁体的 截面积提供每极磁通，因而在磁路计算中,永磁体的磁化方向长度应以2hm代入, 截面积为BmLm,式中hm为单个永磁体的磁化方向长度,又称厚度(cm),bm为单个永 磁体的宽度(cm),Lm为永磁体的轴向长度(cm)。切向式结构(图5-5b,图5-6，图 5-7a和c）的特点是，每对极磁路中只有一个永磁体提供磁动势,但由两个永 磁体并联提供每极磁通,因而在磁路计算中,永磁体的磁化方向长度为hm,而截 面积为2bmLm. 永磁直流电动机的磁极结构又可分为无极靴和有极靴两大类，无极靴结构 (图5-4a和图5-5)的优点是:永磁体直接面向气隙,漏磁系数小,能产生尽可能 多的磁通,材料利用率高;结构简单,便于批量生产;外形尺寸较小;交轴电枢反 应磁通经磁阻很大的永磁体闭合,气隙磁场的畸变较小.其缺点是电枢反应直 接作用于永磁磁极,容易引起不可逆退磁.有极靴结构(图5-4b,图5-6,图5-7) 既可起聚磁作用,提高气隙磁密;还可调节极靴形状以改善空载气隙磁场波形; 负载时交轴电枢反应磁通经极靴闭合,对永磁磁极的影响较小.缺点是结构复 杂,制造成本增加;漏磁系数较大;外形尺寸增加;负载时气隙磁场的畸变较大.
永磁直流电动机
永磁直流电ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ机-1
1 概述 永磁直流电动机种类很多，分类方法也多种 多样。一般按用途可分为控制用和传动用。按运 动方式和结构特点又可分为直线式和旋转式，其 中旋转式包括有槽结构和无槽结构。有槽结构包 括普通永磁直流电动机和永磁直流力矩电动机； 无槽结构包括有铁心的无槽电枢永磁直流电动机 和无铁心的空心杯电枢直流电动机、印制绕组永 磁直流电动机及线绕盘式电枢永磁直流电动机。 本章以普通永磁直流电动机为典型进行分析讨论， 其主要内容可推广应用于其他结构的永磁直流电 动机。
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永磁直流电动机-5 2.3.2 调节特性
当电磁转矩恒定(Tem=常数)时,电动机转速随电压变化的转速随电压变化的 关系,n=f(u),称为永磁直流电动机的调节特性,如图5-2所示。由式n = (UDub)/(CeF) –Ra/(CeCTF2)*Tem =n’0 – kTem = n’0 – kT0 – kT2可以看出，在一 定温度下,普通永磁直流电动机的调节特性斜率k’=l/(CeF)为常数,故对应不 同的Tem值,调节特性曲线也是一组平行直线.调节特性与横轴的交点,表示在 某一电磁转矩(如略去电动机的空载损耗,即为负载转矩)时电动机的始动电 压。在转矩一定时，电动机的电压大于相应的始动电压,电动机便能起动并 达到某一转速;否则,就不能起动.因此,调节特性曲线的横坐标从原点到始动 电压点这一段所示的范围，成为在某一电磁转矩时永磁直流电动机的失灵区。 2.3.3 电流转矩特性: 当电压 U=常数时， n=f(T2)曲线称为永磁直流电动机的电流转矩特性。由 式Tem= T2 + T0 、 Tem=pN/(2pa)*FIa = CTFIa 和T 。＝ CTFI0可得 : T2 ＝ CTF(Ia - I0) 或 Ia ＝ I0 + T2/CTF 永磁直流电动机的电流转矩 特性如图 5 － 3 所示。
3 一机壳
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图 5-6弧形和端面式磁极结构 a ）弧形磁极 b ）多极弧形磁极。c）端面式 1 --永磁体 2 --电枢 3 --机壳 4 --极靴
图5-7矩形磁极结构 a ）隐极式多极结构 b ）凸极式多极结构 c ）切向式结构 d ）方形定子 1 一永磁体 2 一电枢 3 一机壳 4 一极靴
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由于铁氧体永磁在性能上具有Br小,Hc相对 高的特点,因此结构上一般做成扁而粗的形状, 即增加磁极面积,相对缩短磁化方向长度.铝镍 钻永磁具有Br高,Hc低的特点,在结构上一般做 成磁极面积小、磁化方向长度大的细长形状， 以弥补其Hc低的缺点.稀土永磁的特点是剩磁 感应强度Br,磁感应矫顽力Hc及最大磁能积(BH) max都很高,在磁极结构上可做成磁极面积和磁 化长度均很小的结构形状. 永磁直流电动机磁极结构种类很多，其中常 用的有瓦片形、圆筒形、弧形和矩形结构. 瓦片形磁极结构(图5-4a和b)大多在高矫顽 力的稀土永磁和铁氧体永磁直流电动机中采用. 当采用各向异性的铁氧体永磁或稀土永磁时, 对瓦片形磁极可以沿辐射方向定向和充磁,称 为径向充磁；也可沿与磁极中心线平行的方向 定向和充磁，称为平行充磁。研究表明,采取 径向充磁对提高永磁体的磁性能有利。
图5-4瓦片形磁极结构 a ）无极靴瓦片形磁极 b ）有极靴瓦片形磁极 1 一永磁休 2 一电枢 3 一机壳 4 一极靴
从产生气隙磁场的角度来看,圆筒形磁极 （径向充磁如图5-5a所示）与瓦片形磁极没 有多大区别,只是圆筒形磁极的材料利用率差, 极间的一部分永磁材料不起什么作用;而且圆 筒形永磁体较难制成各向异性,磁性能较差. 但是,它是一个圆筒形整体,结构简单,容易获 得较精确的结构尺寸,加工和装配方便,有利 于大量生产.对于价格低廉的铁氧体永磁,有 时总成本反而降低.因而对于尺寸小的电动机 和精度要求较高的电动机更多地使用圆筒形 永磁磁极. 改进的圆筒形磁极结构(图5-5b),弧形磁 极结构和端面式磁路结构(图5-6)可以增加磁 化方向长度,一般应用在铝镍钻永磁直流电动 机中.改进的圆筒形结构在磁极中心外圆处有 两个凹槽,以利于充磁,在与NS极垂直的轴线 图5-5圆筒形磁极结构 内圆处也开凹槽以减少交轴电枢反应和改善 a ）圆筒形磁极 换向;但形状复杂,加工较难.端面式结构的磁 b ）改进的圆筒形磁极 1 一永磁体 路较长,漏磁系数较大（可达1.5~1.6),仅在 2 一电枢 4OW以下微型电机中采用。
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2.3.4 效率特性 电压U=常数时,效率ŋ=f(T2)曲线称为永磁直流电动机的效率特性。 ŋ = P2/P1 = 1-ΣP/(P2+ΣP)=1- ΣP/(T2 +ΣP) 效率特性曲线如图 5 - 3 所示 2.4 永磁电机运行特性的温度敏感性: 前面分析时都假定永磁直流电动机的每极气隙磁通在运行过程中基本保持不变. 实际上,永磁材料,特别是钕铁硼永磁和铁氧体永磁的磁性能对温度的敏感性很大.如 果从冷态(低温环境温度）运行到热态（高温环境温度加温升）运行时温度提高 100℃，则钕铁硼永磁电机和铁氧体永磁电机的每极气隙磁通量分别减少约12.6%和 18%~20%，这将显著影响永磁电机的运行特性和参数.当永磁直流电动机在同一端电 压下运行时,空载转速将分别提高约 12.6%和18%~20%；在同一电枢电流下运行时,电 磁转矩分别减小约12.6％和和18%~20% . 如果再计及电枢电阻随温度升高而增大导 致电阻压降增大和电枢反应的去磁作用,则上述变化率还将增大.这是永磁电机区别 于电励磁电机的特点之一.因此,在永磁电机设计计算、测试和运行时都要考虑到不 同工作温度对运行特性的影响。 3. 永磁直流电动机的磁极结构 永磁直流电动机由于采用永磁体励磁,其结构和设计计算方法与电励磁直流电动 机相比有许多显著的差别,尤其是在磁极结构、磁路计算中的主要系数以及电枢磁动 势对气隙磁场和永磁体的影响方面。下面分别进行分析和讨论。 永磁直流电动机的磁路一般由电枢铁心（包括电枢齿、电枢扼）、气隙、永磁 体、机壳等构成。其中永磁体作为磁源，它的性能、结构形式和尺寸对电机的技术 性能、经济指标和体积尺寸等有重要影响。目前电机中使用的永磁材料的性能差异 很大，因而在电机中使用时与其性能相适应的、适宜的结构形式也大不相同。