永磁直流电动机开发培训资料一分解

永磁直流电机典型特性曲线
3 基础知识
3.1 直流电动机的工作原理（1）
在介绍工作原理之前， 我们先熟 悉一下有关电磁现象的定律和法则： (A) 电动机为什么旋转？ 把通有电流的导体放置在磁场中， 则作用在导体上的电磁力
F=BIL
式中 F——力（N）； B——磁通密度（T；Wb / m 2 ）； I——电流（A）； L——导体长度（m）。 该式表达了电动机的基本原理。
思考：若将磁极N与S对换，Ea的方向会变吗？
直流电机的可逆性： 一台直流电机原则上既可以作为电动机运行， 也可以作为发电机运行，只是外界条件不同 而已。如果用原动机拖动电枢恒速旋转，就 可以从电刷端引出直流电动势而作为直流电 源对负载供电；如果在电刷端外加直流电压， 则电动机就可以带动轴上的机械负载旋转， 从而把电能转变成机械能。这种同一台电机 能作电动机或作发电机运行的原理，在电机 理论中称为可逆原理。
3.1 直流电动机的工作原理（4）
(C) 法拉第（英国）电磁感应 定律 如果线圈中流过电流，则在 与线圈交链的方向上产生磁通， 并且磁通与交链的线圈产生电动 势。 (D) 毕奥-萨伐尔（法国）定律 电流周围产生磁场和这个电 流之间的关系是：当匝数为N的 线圈中流过i(A)的电流时，则有 Ni=BL/μ=HL。式中的B为磁感 应强度(T)， L为磁路长度(m)， μ为磁导率(H/m)， H为磁场强 度(A/m)。
DEVELOPING
Lumbar Motor
DEVELOPING
Lift Motor
DEVELOPING
Slide Motor
DEVELOPING
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SIMULATED FIELD OVERLAY OF FLUX DENSITY
SIMULATED FIELD OVERLAY OF FLUX DENSITY（Vector）
3.2 永磁直流电机的结构（3）
（C） 矩形磁极, 径向磁路 结构 图中所示的是带极靴、 永磁体为矩形的结构,磁通ø 从磁轭的N极出来——〉经 过气隙——〉到转子齿—— 〉再到转子轭部——〉再经 过转子齿——〉再经过气隙， 回到磁轭的S极,形成一个闭 合的磁 回路,四极结构。
培
训
目 的
一、培训目的要明确，目标明确，瞄准目标，用对 技能，才能一靶中的。
二、此次培训目的是： 1.加强学员们关于永磁直流电动机的理论知识； 2.增强学员们用理论指导实践，用实践丰富理论的 能力； 3.提高学员们永磁直流电动机设计和开发能力； 4.提高学员们的工作效率； 5.减少或杜绝后期更改（少走弯路） 。
3.1 直流电动机的工作原理（7）
当电枢旋转到右图所示位置时
原N极性下导体 ab转到S极下，受 力方向从左向右， 原S 极下导体cd转 到N极下，受力方 向从右向左。 该电磁力形成逆 时针方向的电磁转 矩。线圈在该电磁 力形成的电磁转矩
b a
从以上分析可见，在直流电动机 中，线圈中的电流是交变的，但 产生的电磁转矩方向是恒定的。
3.2 永磁直流电机的结构来自百度文库1）
（A） 圆筒形磁极,径向磁路 结构
图中的永磁体为圆筒形 结构，磁通ø从磁筒N极出来 ——〉经过气隙——〉到转 子齿——〉到转子轭部—— 〉到转子齿——〉再到气隙， 经过磁筒S极，回到磁筒N极， 形成一个闭合的磁 回路，2极 结构。
3.2 永磁直流电机的结构（2）
（B） 瓦片形磁极,径向 磁路结构 图中的永磁体为瓦 片形结构，磁通ø从磁 瓦N极出来——〉经过 气隙——〉到转子齿— —〉到转子轭部——〉 到转子齿——〉再到气 隙，经过磁瓦S极，回 到磁瓦N极，形成一个 闭合的磁 回路，4极结 构。
Development Process
A DIVISION OF LEGGETT & PLATT INCORPORATED
Purpose: 1.Enhance Design Standardization 2.Improve Reliability of Product 3.Ensure Design to Cost 4.Be beneficial to administrate
1 电机开发应掌握的九大核心 技术 ——强调电机设计能力、工程能力；怎样设计电机，而不是只做样品，即使
这个样品能满足标准要求；要能对电机设计做工程计算和模拟(仿真)。 一、机械计算，包括：尺寸链计算和CPK、材料选择（如怎样达到强度和温 度的要求）等 二、电磁计算，主要包括：磁通计算、转速和扭矩计算等 三、电路和EMC设计 四、机械分析和仿真，包括：有限元（强度）分析、塑料件注塑流变分析等 五、电磁分析和仿真，包括：有限元分析、齿槽扭矩和纹波电流分析等 六、工艺流程，包括检测和测试的所有系统 七、设计和工艺的薄弱点及采取的措施 （如某些结构的电机振动和噪声问题怎样解决） 八、相关的经验和教训 九、总结：将以上工程计算和模拟的结果以及所有 适用标准或性能以benchmark形式把以上电机概念 设计同样品电机或类似电机进行对比
Slide bushing 方轴承
Shaft 轴
Shaft sleeve 轴套
Iron Core 铁心
Varistor 压敏电阻
Inductor 电感
Terminal 插片
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Motor Application
Window Lift /Sunroof Head rest Motor
DEVELOPING
A DIVISION OF LEGGETT & PLATT INCORPORATED
DEVELOPING
Oil Pump Motor
DEVELOPING
Steering/Pedal Adjustor Recliner Motor
3.2 永磁直流电机的结构（4）
（D） 扇形永磁体, 轴向磁 路结构 图中所示的是轴向磁 路,永磁体为扇形的结构,磁 通ø从磁轭N极出来——〉 经过气隙——〉到右端盖 ——〉再经过气隙——〉 回到S极——〉形成一个闭 合的磁 回路,六极结构。
Motor Exploded View
A DIVISION OF LEGGETT & PLATT INCORPORATED
3.1 直流电动机 的工作原理（8）
直流电动机的 工作原理示意图:
实际直流电动 机的电枢是根据实 际需要有多个线圈。 线圈分布在电枢铁 心表面的不同位置， 按照一定的规律连 接起来，构成电机 的电枢绕组。磁极 也是根据需要N、 S极交替旋转多对。
线圈始终逆时针方向旋转
3.1 直流电动机的工作原理（9）
4.1 直流电动机的感应电动势Ea（1）
电枢感应 电动势是指直 流电机正负电 刷之间的感应 电动势，也就 是电枢绕组里 每条并联支路 的感应电动势。 Ia 为电枢电流（A） 电刷型号有关， Iab 为电枢支路电流（A） 一般0.5~2V
U b 的大小与
4 永磁直流电动机的基本方程 Ia = 2Iab
3.1 直流电动机的工作原理（2）
为了产生电磁力，必须同时存 在电流和磁通。 在磁场中的带电导体之所以产 生力，是由于磁通就像拉紧的橡皮 筋一样具有弹性，并力求通过最短 距离，如下图：
下图所示为用左手 定则确定力的方向， 电流、磁通和力三 者互相垂直。
3.1 直流电动机的工作原理（3）
(B) 佛莱明（英国）右手 定则 向磁场内放置的导体施 加力，如果沿磁场正交的方 向移动导体，在导体内就会 产生感应电势。如果将导体 短路，就会产生电流。伸开 右手，使拇指与其余四指垂 直，并在同一平面内，让磁 力线穿过掌心，让拇指指向 导体运动的方向，则四指所 指的方向就是感应电动势的 方向。
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2 永磁直流电动机的设计依据
一、永磁直流电机的电磁设计是根据额定数据和性 能指标确定主要尺寸（电枢直径、电枢长度等）、永磁 体尺寸、冲片尺寸、电枢绕组数据、换向器和电刷尺寸 等，然后进行性能计算。若性能不满足要求，则调整结 构数据，重新进行性能计算，直至得到合格的设计方案。 额定数据：额定功率、额定电压、额定转速等； 性能指标主要有：效率、温升和火花等级等，有时 也可能给出起动转矩（堵转扭矩）、转速变化率等指标。 二、永磁直流电机的机械设计、电路及EMC设计 和工艺设计的依据：相关标准。
两条电流线之所以存在 互作用力，是一条电流 线产生的磁场，作用于 另一条电流线的结果。
3.1 直流电动机的工作原理（5）
(E) 安培（法国）右手螺旋法则 (1) 通电直导线中的安培定则（安培定则一）：用右 手握住通电直导线，让大拇指指向电流的方向，那么四指的 指向就是磁感线的环绕方向； (2) 通电螺线管中的安培定则（安培定则二）：用右 手握住通电螺线管，使四指弯曲与电流方向一致，那么大拇 指所指的那一端是通电螺线管的N极。
三、电机运行时，所有物理量与额定值相同—— 电机运行于额定状态。电机的运行电流小于额定电流 ——欠载运行；运行电流大于额定电流——过载运行。 长期欠载运行将造成电机浪费，而长期过载运行会缩 短电机的使用寿命。电机最好运行于额定状态或额定 状态附近，此时电机的运行效率、工作性能等比较好。
客户经常给出如下设计依据：在某测试环境下 的堵转扭矩、最大电流和空载转速要求
3.1 直流电动机的工作原理（6） 在磁场作用下，N极性下导体 直流电动机是将直流 ab受力方向从右向左，S 极下导体 电能转变成机械能的旋转 cd受力方向从左向右。该电磁力 形成逆时针方向的电磁转矩。当电 机械。 磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆 把电刷A、B接到直流 时针方向旋转。 b 电源上，电刷A接正极， 电刷B接负极。此时电枢 线圈中将电流流过。 a
Copper wire coil 绕组
Commutator 整流子
Spring Cover 扭簧座
Carbon brush 碳刷
Ball bushing 球轴承
Circuit breaker 保护器
Magnet 磁瓦
Housing 外壳
Endcap 端盖 Bushing Retainer clip 梅花叉 Capacitor 电容 Compressed Spring 压缩簧
培
训
内
容
11 永磁直流电动机的电磁设计 11.1 永磁直流电动机的设计特点 11.2 主要尺寸的确定 11.3 永磁体尺寸的确定 11.4 电枢冲片的设计 11.5 换向器和电刷 11.6 换向条件的校核 12 永磁直流电动机电磁计算程序和实例 13 利用ANSOFT MAXWELL软件进行永磁直流 电动机电磁计算和仿真实例 14 永磁直流电动机的电路和EMC设计 15永磁直流电动机的机械设计、零部件设计、计算、分析和仿真 16 永磁直流电动机的制造工艺 17 设计和工艺的薄弱点及采取的措施 17.1 电机振动和噪声 18 永磁直流电动机开发技巧 18.1 电磁计算技巧一 19 综合实例：汽车玻璃升降器电机开发指导书 20 练习题 (练习题一 练习题二 .......)
培
训
内
容
1 电机开发应掌握的九大核心技术 2 永磁直流电动机的设计依据 3 基础知识 3.1 直流电动机的工作原理 3.2 永磁直流电动机的结构 4 永磁直流电动机的基本方程 5 永磁直流电动机的工作特性 6 永磁直流电动机的电枢绕组和电枢反应 7 永磁直流电动机的材料 7.1 电磁材料 7.2 绝缘材料 7.3 结构材料 8 永磁直流电动机的磁路设计与计算 9 永磁直流电动机的磁场分析 10 永磁直流电动机的齿槽转矩