直流电机设计详细版

直流电机设计

1.电机主要尺寸与功率,转速的关系:

与异步电机相似,直流电机的功率,转速之间的关系是:

D22*Lg=6.1*108*p’/(a P*A*Bg*Ky*n) (1)

D2 电枢直径(cm) 电机初设计时的主要尺寸

Lg 电枢计算长度(cm) 根据电机功率和实际需要确定

p’计算功率(w) p’=E*Ia=(1+2η)*P N/3η

E=Ce*Φ*n*Ky=(P*N/60*a)*Φ2*n*Ky*10-8

Ce 电势系数

a 支路数在小功率电机中取a=2

p 极数在小功率电机中取p=2

N 电机总导体数

n 电机额定转速

Ky 电枢绕组短矩系数小功率永磁电机p=2时,采用单叠绕组Ky=Sin[(y1/τ)*π/2] y1绕组第一节距

a

P 极弧系数一般取a

P

=0.6~0.75 正弦分布时a

P

=0.637

Φ每极磁通Φ=a P*τ*Lg*Bg

τ极距(cm) τ=π*D2/P

Bg 气隙磁密(Gs) 又称磁负荷对铝镍Bg=(0.5~0.7) Br 对铁氧体Bg=(0.7~0.85) Br, Br为剩磁密度

A 电枢线负荷 A=Ia*N/(a*π*D2)Ia电枢额定电流对连续运行的永磁电动机,一般取A=(30~80)A/cm另外电机负荷Δ= Ia/(a*Sd),其中Sd=π*d2/4 d为导线

直径.为了保证发热因子A*Δ≦1400 (A/cm*A/mm2 )通常以电枢直径D2和电枢外径La作为电机主要尺寸,而把电动机的输出功率和转矩为电机的主要性能,在主要尺寸和主要性能的基础上,我们就可以设计电机了.

在(1)式的基础上经过变换可为:

D22*Lg*n/P’=(6.1*108/π2)*1/(a P*Bg*A)=C A

由上式可以看, C

A

的值并不取决于电机的容量和转速,也不直接与电枢直径和长度有关,它仅取决于气隙的平均磁密及电枢线负荷,而Bg和A的变化很小,它近似

为常数,通常称为电机常数,它的道数K

A =1/C

A

=(p’/n)/(D22* Lg)∞a

P

*Bg*A 称为

电机利用系数,它是正比于单位电枢有效体积产生的电磁转矩的一个比例常数.

2.直流电机定子的确定

2.1磁钢内径

根据电机电枢外径D2确定磁钢内径

Dmi=D2+2g+2Hp

其中g为气隙长度,小功率直流电机g=0.02-0.06cm ,铁氧体时g可取得大些,铝镍钴磁缸电机可取得较小,因铁氧体H

C较大

.气隙对电机的性能有很大的影响,较小的g可以使电枢反应引起的气隙磁场畸变加剧,使电机的换向不良加剧,及电机运行不稳定,主极表面损耗和噪音加剧,以及电枢绕组加大,较大的气隙,使电机效率下降,温升提高.

有时电机磁钢采用极靴,这样可以起聚磁作用,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,和对永磁磁极的影响较小.但这样会使磁钢结构复杂,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.而无极靴时永磁体直接面向气隙,漏磁系数小,能产生较多的磁通,材料利用率高,气隙磁场畸变,而且结构简单,便於生产.其缺点是容易引起不可逆退磁现象.

Hp 极靴高(cm) 无极靴结构时Hp=0

2.2磁钢外径Dm0=Dmi+2Hm (瓦片形结构)

Hm 永磁体磁路长度,它的尺寸应从满足(1)有足够的气隙磁密(产生不可逆退磁),(2)在要求的任何情运行状态下会形成永久性退磁等方面来确定,一般Hm=(5~15)g Hm越大,则气隙磁密也越大,否则,则气隙磁密也越小..

2.3磁钢截面积Sm

对于铁氧体由于Br小,则Sm取较大值,而对于铝镍钴来说, Br较大,则Sm取小值.

环形铁氧体磁钢截面积 Sm=a

*p*(Dmi+Hm)Lg/P (cm)

P

瓦片形铁氧体磁钢面积:

Sm=a

*p*(Dmi+Hm)Lm/P (cm)

P

*2/P

瓦片形铁氧体弧度角: b=180°*a

P

2.4 磁钢轴向长度Lm

对铁氧体由于Br小,为了增加磁钢截面Sm,则Lm=(1.1~1.2)La

2.5磁钢的选择:

2.5.1磁钢的材质

在永磁直流电机中,磁钢相当于串激电中的定子线圈中,它在定子铁壳中产生磁场,它和其它电机一样,是利用电磁感应原理在磁场媒质中进行能量转换的,磁场在能量转换过程中起媒介作用,在永磁直流电机中产生磁场的磁源是充过磁的永磁体,也叫磁钢)充过磁的磁石性能对电机的性能有很大的影响.

在现代电机制造中,磁钢的材料有下列几种:铁氧体.铝镍钴合金,稀士合金,钕铁硼等.由于各种材料自身特点和本厂的实际,一般选用铁氧体作为永磁材料..

2.5.2永磁材料的磁性能

磁钢的退磁曲线如下:

永磁材料的磁性能可以用磁滞回线来反映和描述.即用B=f(H)曲线来反映永磁体的磁感应强度随磁场强度来降改变的特性,该回线包含的面积随最大充磁磁场强度HMAX增大而增大,当HMAX达到HS时回线面积渐近地达到一个最大值,而且这时磁性能也较稳定,面积最大的回线被称为磁滞回线. 磁滞回线在第二象限的部分称为退磁曲线,它是永磁材料的基本特性曲线,退磁曲线中磁感应强度Bm为正值而磁场强度Hm为负值,在退磁曲线过程中,永磁体相当于一个磁源.退磁曲线的两个极限们位置是表征永磁材料磁性能的两个重要参数(Br,Hc) 退磁曲线上任一点磁通密度与磁场强度的乘积被称为磁能积,在退磁曲线中有一个最大值,这一最大值称为最大磁能积(BH)MAX 单位为J/m3 ,它是永磁材料磁性能的一个重要参数. Br对电机性能的影响很大,使用较大Br值的磁钢可以增加扭矩,但会使电机空载转速降低2.6永磁材料的选择.

2.6永磁材料的选择.

2.6.1应保证电机气隙中有中足够的气隙磁密和规定的电