永磁直流电动机开发培训资料二

1,培训内容电机开发应掌握的九大核心技术永磁直流电动机的设计依据基础知识3.1直流电动机的工作原理3.2永磁直流电动机的结构永磁直流电动机的基本方程永磁直流电动机的工作特性永磁直流电动机的电枢绕组和电枢反应永磁直流电动机的材料7.1电磁材料7.2绝缘材料7.3结构材料永磁直流电动机的磁路设计与计算永磁直流电动机的磁场分析永磁直流电动机的齿槽转矩,2,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换向条件的校核永磁直流电动机电磁计算程序和实例利用ANSOFTMAXWELL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设计永磁直流电动机的机械设计、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(.练习题三练习题四.),上堂课主要内容回顾：,6永磁直流电动机的电枢绕组和电枢反应,6.1直流电机的电枢绕组,6.1.1概述,电枢绕组是直流电机的一个重要部分，直流电机的转子也称为电枢。当电枢绕组中有电流流过时，会产生电枢磁动势，它与气隙磁场相互作用，又产生电磁转矩。当电枢在磁场中旋转时，电枢绕组中会感应电动势。电动势与电流相互作用，吸收或放出电磁功率。电磁转矩与转子转速相互作用，吸收或放出机械功率。二者同时存在，构成电磁能量与机械能量的相互转换，完成直流电机的基本功能。,由上分析可知，电枢绕组在直流电机中起着重要的作用。电机中能量的变换就是通过电枢绕组而实现的。而电枢绕组的结构对电机基本参数和性能都有影响，因此对电枢绕组提出了一定的要求，这就是在允许通过规定的电流和产生足够的电动势的前提下，尽可能地节省材料并且要结构简单、运行可靠。,根据不同的联结方法，电枢绕组可分为：（1）单波绕组；（2）单叠绕组；（3）复波绕组；（4）复叠绕组；（5）混合绕组等。它们的主要差别在于从电刷外看进去，电枢绕组联结成了不同数目的并联支路，以满足不同额定电压和电流的要求，其中的单波绕组和单叠绕组是两种基本的型式。,电枢绕组虽然有不同类型，但在结构上有共同的特点：它们都是由结构形状相同的绕组元件按一定的规律联结而成。,元件：构成绕组的线圈称为绕组元件（简称元件）。一台电机电枢的总元件数用S表示。每一元件有两个放在槽中能切割磁通感生电动势的有效边称元件边。元件在槽外的部分不切割磁通，不感生电动势，称为端部。元件分单匝元件和多匝元件两种，前者的元件边只有一根导体，后者元件边则有多根导体串联绕制而成，元件匝数以表示。,元件的首末端：每一个元件（线圈）均引出两端与不同的换向片相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。,6.1.2直流电枢绕组基本知识,元件的上下层边：元件被嵌放在电枢铁心的槽内，它的一个元件边被放在槽的上层，称上层边，另一边被嵌放在另一槽的下层，称下层边。,绕组的各元件之间通过换向片相互联结起来，这样就必须在同一换向片上，既连有一个元件的首端，又连有另一元件的尾端，使整个电枢绕组的元件数S和换向片数K相等，即S=K。若同一槽上下二层放置了不同元件的有效边，而一个元件也只有两个边，这样电枢的槽数Q就应该等于元件数S，即Q=S=K。但在实际的电机中，为了提高槽的利用率和制造工艺简单起见，常常在槽的上下层嵌放多个元件边。为了确切说明每一个元件边所处的具体位置，引入虚槽的概念，如果槽内上层有u个元件边，每个实际槽就包含u个虚槽。所以电机的实槽数Q和虚槽数有如下关系：。而电机的虚槽数应等于元件数，亦等于换向片数，即,为了正确地把绕组嵌放在槽内并与换向片相联结，首先应了解电枢和换向器上各种绕组元件的节距。节距相关的两个元件边之间的距离，通常以所跨过的槽数或换向片数来表示，如下图：,极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用表示。,t,第一节距：同一个元件的两个有效边之间的距离，以虚槽数来计算。为了使元件感应出最大电动势，就要使等于一个极距。,t,其中p是电机的极对数。满足的元件称为整距元件。,在不是整数时，由于必须是一个整数，则应该取与相近的一个整数，即,其中是使凑成整数的一个分数。当时，称为短距元件。当时，称为长距元件。,由于叠绕组元件短距时的端部长度比长距时的短，因此，在既可长距又可短距的情况下，通常取短距。,叠绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。,波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串联起来，象波浪式的前进。,换向节距：同一元件首末端连接的换向片之间的距离，以换向片数表示。的大小应使串接元件的电动势方向一致，以免方向相反相互抵消。,第二节距：连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的下层边与第二个元件的上层边间的距离，以虚槽数计算。,合成节距：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离，以虚槽数计算。y与的关系为：,6.1.3单叠绕组,单叠绕组的特点是：相邻元件(线圈)相互叠压,合成节距与换向节距均为1,即：。,在本节及下节单波绕组中，均先介绍表述绕组联结规律的节距、绕组展开图、元件联结图和并联支路图。这四个方面是分析直流电机电枢绕组的基本方法，彼此互相关联。,下面用一台的直流电机作例子，构成单叠绕组。,绕组的节距y和是正数，表示是向由的跨距，是负数，表示是向左的跨距，为1，表示是单叠绕组，取正数表示元件联结顺序是从左向右，构成一个右行绕组。若取-1，则联成一个左行绕组，但一般不用。,2.单叠绕组的展开图,单叠绕组的展开图是把放在铁心槽里、构成绕组的所有元件取出来展开画在一张平面图里，展示元件相互间的电气连接关系及主磁极、换向片、电刷间的相对位置关系。用展开图可清楚表示各元件如何通过换向片联结成绕组。下页图中标出了换向片号及放置元件的虚槽号，为方便起见，通常将虚槽画成为沿电枢表面均匀分布，虚槽中的上层元件边用实线表示，下层边用虚线表示，元件边上下的斜线表示端部。图中画出了某一瞬间各磁极的位置，这些磁极在圆周上的位置彼此相距一个极距而均匀分布，每极的宽度也是相等的。由于电枢是旋转的，磁极相对各元件的位置不断变动，画图时可以自由选定。我们可以找出对称的位置，画起来比较方便。电刷在换向器圆周上的位置也必须是对称的，其宽度可取为等于或小于一个换向片宽。,单叠绕组的展开图,思考：为什么有些元件没画电流？,电刷位置相对磁极位置有一定的关系，不能随意放置。在对称元件的情况下，一般应将电刷的中心线对准磁极中心线，这时被电刷所短路的元件中感应电动势是最小的，因为元件的两个有效边这时差不多处在两个磁极之间的位置上，它们的感应电动势接近为零。这种情况也能使得正负电刷间获得最大感应电动势。图中所表示的磁极是在电枢表面的上边。因此N极的磁力线在气隙中的方向是离读者进入纸面。当知道了电枢的旋转方向后，可以根据右手定则决定各元件边中感应电动势的方向，如元件上的箭头所示，顺着各串联元件中电动势的方向，可以定出各电刷的极性。由上页图中可以看出，电枢向左旋转时，位于N极下的电刷为正极性。还可知道，当电刷在图示位置时，相邻电刷间串联各元件的电动势都是相加的，因此电刷间的感应电动势最大。假如电刷不对准磁极中心线，而是移到其他位置上，正负电刷的电动势将会减小。,单叠绕组的元件联结次序,由上上页图中的节距，可以直接看出绕组各元件之间是如何联结起来的。第1虚槽的上层元件边经过接到第5虚槽的下层元件边，形成第1个元件。它的首端和尾端分别接到第1和第2个换向片。第5虚槽的下层元件边经过接到第2虚槽的上层元件边，这样与第2个元件联结起来。以此类推，从左到右把各个元件依次联结起来。各元件的联结关系可以用下图来表示。数字表示元件边所在的虚槽号，上层的数字还表示元件的号数。从第1元件开始，绕电枢一周，将全部元件边都联了起来，重又回到起始点1。可见单叠绕组自成一个闭合回路。,4.单叠绕组的并联支路电路图,单叠绕组的的特点：,1）同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极数与支路数相同，即a=p。当电枢旋转时，电刷位置不动，并联支路图中的整个电枢绕组在移动，每个元件不断地顺次移到它前面一个元件的位置上，但总的支路情况不变。,2）电刷位置应使感应电动势最大，电刷间电动势等于并联支路电动势。,3）电枢电流等于各支路电流之和。,思考：采用单叠绕组时电刷可以省略吗？,由单叠绕组的展开图可以画出如下所示的并联支路电路图:,4极10槽单叠绕组,6.1.4单波绕组,1.单波绕组的节距,单波绕组元件第一节距的决定原则与单叠绕组是一样的，区别是在换向器节距上。应使两个串联元件放在相同极性的磁极下差不多相对应的位置上，空间位置相距约两个极距，这两个元件感应电动势的方向相同，可以把它们串联在一个支路中。其次，沿电枢圆周向一个方向绕一周经过了p个串联的元件以后，其末尾所联的换向片必须落在与起始的换向片相邻的位置，才能使第二周继续往下联结，即应满足因此，单波绕组元件的换向器节距,式中正负号的选择，首先要满足是一个整数。当取负号时，绕组联结成为左行绕组，取正号时，可得右行绕组。在取正负号都能得到整数的时，一般都取负号，这时端接可稍微短些。由上式可以看出，两个相串联的元件，虽然处在相同极性的磁极下面，但它们在磁场中的相对位置，实际上是不相同的。这时因为，这两个元件之间相距的虚槽数为其大小不等于两倍极距，而是相差一个数值。就是说，相串联的两个元件在磁场中的位置有一个相对位移，等于个虚槽数。这个场移现象在波绕组中是必然有的。,下页图是一个4极单波绕组的展开图，它的数据如下：,2.单波绕组的展开图,图中磁极、电刷位置以及电刷极性判断均与单叠绕组中相同。,单波绕组的展开图,试画出的展开图,上页图的绕组，按照它的节距，列出元件联结次序表，如下图所示：,3.单波绕组的元件联结次序,4.单波绕组的并联支路图,上页图的绕组，按照元件串联的顺序及短路的元件，可以画出单波绕组的并联支路如下页图所示。由图可以看出，单波绕组把所有N极下面的元件全部串联起来组成一个支路；再把所有S极下面的元件串联起来组成另一个支路。它也是一个闭合绕组，通过电刷与外部产生联系，它的支路对数与极对数多少无关，总是a=1。,单波绕组的并联支路图:,则支路对数仍为1。即使两支路的串联元件数不相等，但由于电动势相差很小，同时这种元件数不等的现象是轮番交替的；即一会儿上一支路多一元件；一会儿下一支路多一元件，频率甚高。因此，对支路电流的平衡分布也没什么影响。但是，由于电刷下的平均电流密度有一定的限制，当电刷减少后，为了要通过同样的电流，剩下的电刷必须增加其与换向器间的接触面积，从而将增加电机换向器的轴向尺寸。因此，单波绕组一般仍装全额电刷，即电刷组数等于极数。,由左图还可看到，单波绕组如不采用全额电刷，对支路情况并无影响。例如，在上图中，少去电刷，,单波绕组的特点,1）同极性下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为1，与磁极对数无关；,2）当元件的几何形状对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线，支路电动势最大；,3）电刷数等于磁极数(也可只用1对电刷，视情况而定)；,4）电枢电动势等于支路感应电动势；,5）电枢电流等于两条支路电流之和。,6.1.5集中绕组简介,6.1.6其他型式电枢绕组简介,直流电机电枢绕组除单叠合单波绕组外，还有复叠绕组、复波绕组和混合绕组（蛙型绕组），它们之间的区别主要是换向器节距不同。复叠绕组的换向器节距，m是大于1的整数。每个元件的首端和尾端隔开m个换向片。它可以看成m个单叠绕组通过电刷并联起来构成。它的并联支路对数是单叠绕组的m倍，即a=mp。复波绕组的换向器节距。它可以看成m个单波绕组通过电刷并联起来构成。它的并联支路对数是a=m。混合绕组是由一套叠绕组和一套波绕组按照一定规律在电枢槽中嵌放并联接到同一个换向器上构成。这时每个槽可分为上下四层来放置两套绕组。,各种直流电机电枢绕组的主要区别就在于其并联支路数的多少。支路多时，每条支路中的串联元件数就少。通常都是根据电机额度电流大小和额定电压的高低来选择绕组型式。单波绕组支路数最少，用于多极数、低速、高压的小容量电机。复波绕组可用于多极数、低速的中、大型电机。单叠绕组主要用于中等容量、正常电压和转速的电机及2极小容量电机。复叠绕组用于低压大电流的电机。混合绕组常用在转速较高、换向困难的大型直流电机。,6.1.6直流电机的绕组故障判断,在直流电机中，电枢绕组是容易出故障的。电枢绕组常见故障有：断路、短路接地及绕组接反等故障，如何检查和修理，可参见相关书籍。下面举一例加以说明。,例1若单叠电枢绕组的个别线圈断线或与换向片焊接不良，即出现断路故障，一般采用测量换向片片间电压降的方法来检查。如图1.15所示，在相邻换向片上接入低压直流电源，用直流毫伏表测量相邻两换向片间的电压降。若测得各换向片片间的电压降相同或电压平均值的偏差在5范围内，说明电路正常，若在相连接的换向片上，测得压降比平均值显著增大，则该处电枢绕组断线或焊接不良，试解释其中道理。,解：根据单叠绕组的嵌放规律，两相邻换向片之间有一个线圈，若线圈无断线故障，则电枢线圈、可变电阻R与电源形成闭合回路，如右图所示。由于线圈电阻较小，故电源电压大部分降落在可变电阻R上，毫伏表指示的绕组压降值较小。若线圈出现断路故障，所有电压均降落在线圈上，毫伏表指示为电源电压值，比正常值大很多，故能判断故障在线圈。,测量换向片间电压降接线图及判断单叠绕组断路故障原理图,断线线圈也可从外观上寻找。电枢绕组应是闭合绕组，若电枢线圈出现断线，则当该线圈转到电刷下时，电流就通过电刷接通，而离开电刷时，电流被切断，在电刷接触和离开的瞬间出现较大的点状火花，使断路线圈两侧的换向片灼黑，根据灼黑的换向片就可以找出断线线圈的位置,6.2直流电机的电枢反应,直流电机工作中，主磁极产生主磁极磁动势，电枢电流产生电枢磁动势。电枢磁动势对主极磁动势的影响称为电枢反应。,6.2.1负载时气隙中的磁动势和磁场,永磁直流电机负载时，有两个磁动势作用在气隙上，一个是永磁磁极产生的磁动势称为永磁磁动势（在定子侧），一个是电枢绕组产生的磁动势称为电枢磁动势（在转子侧）。永磁磁动势的轴线在直轴（即磁极中心线，又叫d轴）上，由于边缘磁通的影响，永磁磁动势产生的磁密分布如下图所示。当电刷位于交轴（与磁极中心线正交的轴线，又叫q轴）时，电枢磁动势近似三角波，轴线在交轴上，所产生的磁密波形取决于磁极结构。当永磁磁极上有软铁极靴时，所产生的气隙磁密波形与普通直流电动机相同，为马鞍形；当永磁磁极直接面对空气隙时，由于永磁体的磁导率与空气接近，所产生的磁密也近似为三角波。,当磁路不饱和时，负载合成磁场为和之和。可以看出，电枢磁动势使一半极面下的磁通增强，而使另一半极面下的磁通削弱，每极磁通不变。当磁路饱和时，一半极面下所增加的磁通要比另一半极面下减少的磁通略少，每极磁通略有减小，最大去磁发生在后极尖。当无极靴时，,若设计不当，容易使永磁体产生不可逆退磁，需要进行最大去磁工作点的校核。当磁极有软铁极靴且足够厚时，交轴电枢反应磁通经极靴闭合，对永磁体基本上无影响，只对气隙磁场有影响。对无极靴的永磁直流电动机,电枢反应磁场要经过磁导率接近空气的永磁体，对气隙磁场的去磁效应并不大,而且准确计算很困难,通常不予考虑。,6.2.2交轴电枢反应和直轴电枢反应,当电刷在几何中性线上时，电枢反应磁场的轴线与永磁磁场的轴线正交，这样的电枢反应称为交轴电枢反应。每极下的电枢反应磁动势为式中，A为电枢电负荷，t为极距（cm）。有时为改善换向，电刷从几何中性线逆旋转方向偏移一个角度b，电枢电流的分布随之改变，从而使电枢磁场的轴线也随电刷移动。,此时的电枢反应可以看作两个磁动势的叠加，如右图所示，,如上页图所示，一个是2b角度内的导体所产生的磁动势，轴线在直轴上，称为直轴电枢反应。其作用方向与永磁磁场相反，使主磁通减小，呈现去磁作用，其最大值为2b角度外的导体所产生的磁动势作用在交轴上，为交轴电枢反应，其最大值为在永磁直流电动机中，为使电枢反应起助磁作用以使电机有一定的复励特性，有时顺旋转方向移动电刷。当然这会使换向变差。,6.2.3电枢反应对电机运行的影响,电枢反应对电机运行的影响如下：（1）电枢反应的去磁作用使每极磁通略有减小。（2）电枢反应使极面下的磁密分布不均匀，从而各换向片间的电动势分布也不均匀。当片间电动势过高时，可能会使换向片间的绝缘产生表面放电，称为电位差火花。在严重的情况下，电刷下由于换向引起的换向火花与电位差火花汇合在一起，在正负电刷之间形成环火，导致电枢烧毁。（3）气隙磁场发生畸变，几何中性线处的磁密不为零，影响换向。,6.2.4少槽永磁直流电动机电枢反应的特点,少槽电动机由于槽数少，一条支路只有1、2个线圈，线圈节距明显小于极距，这使得少槽永磁直流电动机的电枢反应有许多特点。,右图为在盒式录音机、电动剃须刀、玩具等小型器具中得到广泛应用的三槽电动机机构示意图。,上页图中，定子机壳一般用钢板拉伸而成，内装有圆筒形或瓦片形永磁磁极；转子铁心用硅钢片或无硅片叠成，有三个槽和三个齿。电枢绕组共有三个线圈分别绕在三个齿上，每个线圈有两个引出头，在多数情况下采用图a所示的三角形联接方式，即三角形的顶点分别与三个换向片相连接，并通过电刷与电源相连。在电压较高时，也可连成星形联结，即三个引出线分别接到换向片上，而另外三个引出线相互连接，形成星形的中点，如图b所示。为了考虑线圈短距的影响，在计算少槽电动机的感应电动势和电磁转矩时都要引入短距因数式中，少槽永磁直流电动机的线圈节距。,一般多槽永磁直流电动机电枢磁动势的轴线在空间是固定不动的，当电刷位于几何中性线时，电枢磁动势轴线将始终处于交轴方向。少槽电机则不然，其电枢磁动势轴线将随着转子的转动在一定范围内摆动。下面以三槽电动机为例加以分析说明。一般情况下三槽电动机有两条支路，一条支路只有一个线圈。而另一条支路有两个线圈。下页和下下页图示出了三槽电动机电枢磁动势当转子转到不同位置时的变化情况。对于图a，齿1刚从磁极轴线转过一点点位置，亦即线圈1刚结束换向。这时线圈1和2属于一条支路，线圈3为另一条支路，假设前一支路电流约为后一支路电流的一半，三个线圈产生的磁动势及合成磁动势大体如图a所示，在偏离q轴30的方向上。,随着转子的转动，轴线亦随之转动。转子转过30，亦转过30到q轴位置（见图b）。,转子再转过30，转到离q轴另一侧30的方向（见图c）,此时线圈2开始换向，当其换向结束时，线圈2的电流反向，线圈2、3为一条支路，线圈1为另一条支路，这时及大体如图d所示，轴线位置与图a相同。,由上述分析可知，少槽永磁直流电动机的电枢磁动势在q轴左右摆动，摆动的角度就是相邻二次换向时转子转过的角度，其平均方向是q轴。式中，K换向片数。电枢磁动势同样可以分成交轴和直轴分量。直轴交变磁动势的幅值（A/极）为直轴交变电枢磁动势与一般直轴电枢磁动势一样，对主磁场起增磁或去磁作用。,6.2.5电枢反应最大去磁时永磁体工作点的校核,如前所述，若电枢电流很大，容易使永磁直流电动机后极尖的永磁体发生不可逆退磁，需要校核出现最大电流时后极尖永磁体的工作点，确保其在永磁体退磁曲线拐点以上。首先需要计算可能出现的最大电流。在永磁直流电动机中，最大电流与电机的运行状态有关。当电动机满压起动时，在转速为零的瞬间，感应电动势也为零，此时的电流为起动电流，也称堵转电流，为突然短路是指电动机正常运行时，电枢绕组两端突