串激电机设计

1、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。由0.520.56提高到0.540.59，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

2、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D1,D2及L确定电机主要尺寸，一般从计算入手：（cm3）电磁内功率（即通常所说的电磁功率），可有后式估算极弧系数，取0.60.7气隙

3、磁密（T），可按（图12）选取线负荷（A/cm），可按（图12）选取转速(r/min)从上式看出，取值越大，电机尺寸越小，但取值受其他因素制约，详见后述。转速越大，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：当0.5当0.5上式中为输出功率，可按额定输出功率带入计算。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11）选取，此为当前生产连续定额E,B级绝缘的平均效率曲线。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。确定后，接着可确定电枢冲片

4、的值，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，通常为0.51.5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。确定后可以方便的确定铁心叠长。的比值可在0.540.59之间选取，较大值适合于深槽转子，从而确定定子外径。2线负荷及气隙磁密电枢线负荷表示电枢外径圆周单位长度上的安匝，越大则尺寸越小，铜耗增大，线匝增多而导致换向恶化。因此增大是有限制的。从8-1式来看,一定时，也是定值，取得大则可取小，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12）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

5、时定额可适当提高(A/cm)(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是一个重要的磁路控制参数，为一个极的定子线圈匝数，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

6、增加了。定转子安匝比推荐范围为0.851.3。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 0.60.9（T） 1.01.4（T）深槽定子定子轭部磁密 1.61.75（T）电枢齿部磁密 1.651.8（T）电枢轭部磁密 1.351.65（T）2.极弧系数和气隙长度极弧系数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值的变化情况（图1-3）。从图可见，当为

7、0.667时，3次分量为0(见图1-3)，所以一般取0.6670.7，若气隙采用不均匀设计时，可放大。气隙长度也是磁路重要参数，气隙中所分担的激磁磁势占全部激磁磁势的40%50%。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。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。单相串激电机通常取为0.3mm0.9mm,小电机取较小值。选用计算式如下：(cm)极距（cm）可按图12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14）。其偏心量由下式计算：（cm）不均匀气隙的等效气隙按下

8、式计算图1-4不均匀气隙示意图12（cm）2-3绕组温升控制电机绕组温升都有限制的规定,它是按照所使用的绝缘材料的耐热等级和使用寿命的需要而制定的。通过热计算来控制温升,则计算反复且正确性差,所以工程上通过控制和绕组温升相关的参数来间接控制温升,实践证明是合理可行的。1.限制值来控制电枢绕组温升电枢绕组铜耗直接影响电机发热，所以线负荷和电流密度的乘积可以用来控制绕组温升。为了控制温升不超过某一数值，只需控制值不超过某一值即可。为了给电磁设计提供合理的值，应按照电机主要尺寸来计算的限制。下式是计算值的经验公式：（）单位（cm）单位（cm）值单位（r/min）其中系数可根据额定输出功率从图15中选

9、取，此曲线适用于连续运行定额温升不超过70K扇冷结构电机。应该指出，在实际工程中，温升控制参数宜低于限值并留有裕度，以适应批量生产中的离散性。2.限制的数值以控制定子绕组温升直接影响定子温升的因素是定子铜耗,是电机主电流,是定子电阻。因此只要控制定子铜耗就能控制定子温升。定子绕组温升往往低于转子温升，这是正常的，是由电机结构和散热特点所决定的。但二者不可相差过大，否则说明材料利用不合理。同样可用电机主要尺寸来计算定子铜耗的限值，计算式如下：（W）系数可根据定子外径从图16选取。此曲线适用于连续运行定额及温升不超过60K扇冷结构电机。第三章 单相串激电动机的电磁设计程序3-1校算分析程序、设计综

10、合程序和优化设计程序目前，常用的各种电机设计程序，多数校算分析程序。电机设计计算变量繁多，且约束不够，因而只能做出一系列假设，在一定的假设下计算出一套结果，再返回去和假设条件比较，看是否相符。如果相符，则结果可信，反之需要重新调整假设，再次计算。如此循环，逐渐逼近，最终得到正确答案。校算分析程序存在多解情况，因而，设计者经验对设计结果存在很大影响。3-2单相串激电动机电磁设计程序1.程序简介本程序主要用于输出功率为60-1200W、负载转速为6000-18000r/min的单相串激电机的设计计算。经实际使用验证，具有较高的计算正确性，但超出适用范围使用时，计算正确性会受到一定影响。本程序属于校

11、算分析程序，设计者经对设计方案的优劣会有影响。本程序在步骤安排上，已考虑了尽可能减少计算上的反复，为此首先计算出转子，从而推算磁通，然后进行磁路计算，损耗计算，端电压校算，功率因数校算，功率校算。具体的设计计算方法及详细说明在程序中介绍。2.电磁设计程序额定数据1额定输出功率(W)2额定转速（r/min）3额定输出转矩(N.m)()4额定电压(V)5额定频率(HZ)6额定效率7额定功率因数额定数据是对计算任务所提出的要求，电磁计算的最终结果，就是在保证达到额定数据要求的前提下，确定定转子绕组及有关的结构参数。结构参数（参见图2-1）图2-11定子外径（cm）2定子内径（cm）3转子外径（cm）

12、4转子内径（cm）5铁芯长度（cm）6气隙长度（cm）7定子极宽（cm）8定子极高（cm）9定子轭高（cm）(如非平行轭，取靠近最狭处的处的轭高) 10定子槽宽（cm）11转子槽口宽度（cm）12转子槽上部宽（cm）13转子槽口高度（cm）14转子槽楔厚度（cm）15转子槽上部深（cm）16转子槽芯深度（cm）17转子槽底半径（cm）18转子齿宽（cm）（对非平行齿，t取靠近最狭处的处的轭高）19转子槽数20换向器外径（cm）21换向器片数22电刷长度（cm）23电刷宽度（cm）结构参数是根据上章所述的设计原则以及运用几何、三角的计算公式而提出的，通过电磁计算，结合绕组参数的设计，最后确定结构

13、参数。在电磁计算过程中，发现已提出的结构参数不能符合原先设想的设计原则，不能保证额定数据的要求时，则要修改原先提出的结构参数，如修改定、转子槽形，放长铁芯等等。结构参数也可能由于通用化的要求而提出的，如需要通用定转子冲片，此时，在电磁计算中，不允许改变冲片的任何尺寸，只能改变铁芯长度来满足额定数据的要求。计算1负载电流(A)2转子绕组线规(mm/mm)绝缘导线外径铜线直径（结合下步要计算的电流密度和槽满率的设计要求，按计算程序附表一可初步选定绕组导线线规。）3转子导线截面（mm2）4转子绕组电密（A/mm2）5转子线负荷（A/cm）（按对设计要求算得）6转子总导体数7转子每槽导体数8转子槽满率

14、为槽绝缘厚度间隙（cm）一层槽绝缘间隙为0.005（应不大于0.76，如用自动绕线机绕制则不宜大于0.65）9转子绕组平均半匝长(cm)(当小于4cm)(当大于4cm)10转子绕组电阻（）11损耗比例系数（此数值仅用于初算）12内功率（电磁功率）(W)13旋转电势(V)14电机常数15极距(cm)16极弧系数17计算极距(cm)18实槽节距19短距系数20磁通(Wb)21虚槽节距22前节距23换向器线速度(m/s)24转子线速度(cm)25换向器片距(cm)26换向区域宽度(cm)核算27电刷电密（A/cm2）28转子齿距29转子外齿宽（cm）30转子槽宽平行齿（cm）非平行齿（cm）31转子

15、槽形系数32转子单位漏磁导33转子每元件匝数34换向元件中电抗电势(V)35换向元件中变压器电势(V)36换向元件中电枢反应电势(V)37转子轭高(cm)(转轴复有绝缘层)(转轴不复绝缘层)38定子轭部磁密（T）39电枢轭部磁密（T）40定子极身磁密(T)41气隙磁密(T)42电枢齿部磁密(T)43定子轭磁场强度(A/cm)（按查设计程序附表二）44定子极磁场强度(A/cm)（按查设计程序附表二）45转子轭磁场强度(A/cm)（按查设计程序附表三）46转子齿磁场强度(A/cm)（按查设计程序附表三。当时按31项槽形系数查设计程序附表四）47定子轭磁路长度（cm）48转子轭磁路长度(cm)(转轴

16、复有绝缘层)(转轴不复绝缘层)49转子齿磁路长度(cm)50气隙系数51气隙激磁磁势(A)52定子轭激磁磁势(A)53定子极激磁磁势(A)54转子轭激磁磁势(A)55转子齿激磁磁势(A)56借偏去磁磁势(A)(虚三槽电机)(虚两槽电机)电刷偏离几何中心线的角度，单位为弧度。当采用接线借偏方式时，按下式计算（弧度）为接线借偏片数57换向增磁磁势（A）58电枢反应磁势(A)数值从过渡特性曲线中求得。画曲线时，可用标幺值来画，以磁通为时的值，计算出此时的，以此作为计算标幺值时的基值（分母）。yx时的值利用画过渡特性曲线的方法来求得电枢反应安匝，这是常用的方法。由于电枢反应，也即转子磁场的作用，使得定

17、子极下一侧增磁，一侧去磁，同时由于磁路饱和的原因，增磁抵消不了去磁，从而使得总磁通量降低。所以要增加一部分定子磁势，称为电枢反应磁势。利用曲线来求取电枢反应磁势是有很多假设条件的，它假定转子所产生的磁势，只影响气隙磁势和转子齿磁势。实际上也影响定子轭与转子轭，尤其是当轭部磁密较高时，所以只考虑，是不够精确的。画曲线时，发现比值比较大，甚至其标幺值（）大于1，也是这个原因。但经过较多设计案例与实样对比，这个偏差对整体设计结果影响不大，故在此不做修正。59总激磁安匝60定子每极匝数（取整数）61定子线圈线规（mm/mm）绝缘导线外径铜线直径（结合下步要计算的电流密度或定子铜耗的限值要求，核对定子线

18、圈宽度在定子槽内安放的可能性，按设计计算程序附表一可初步选定导线线规。）62定子导线截面（mm2）63定子线圈电密（A/mm2）64定转子安匝比65定子线圈线模宽 (mm)取整数（当小于3cm）（当大于3cm）66定子线圈线模长（mm）HrLmBmL1铜线标称直径（mm）（mm）小于0.450.450.5大于0.534567定子线圈线模高（mm）68定子线模每层匝数(取0.5的整数)取0.05，当取0.03，当69定子线圈宽度 （mm）(检验定子窗口能否安放)70定子线圈平均每匝长度（mm）71定子绕组电阻（）72定子绕组电阻压降（V）73转子绕组电阻压降（V）74定子漏抗压降（V）75转子漏抗压