串激電機(jī)設(shè)計(jì)

1、第一章 概述1-1單相串激電機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)展1 單相串激電機(jī)的設(shè)計(jì)研究概述：為適應(yīng)電動(dòng)工具以及小型家用電器之應(yīng)用需要，串激電機(jī)設(shè)計(jì)得到了長(zhǎng)足進(jìn)步。2 電磁設(shè)計(jì)上的進(jìn)展：據(jù)估計(jì)每隔十年，單位重量出力提高20%30%，可歸納如下：(1) 提高電機(jī)轉(zhuǎn)速;(2) 增大轉(zhuǎn)子直徑，提高定子/轉(zhuǎn)子外徑比。由0.520.56提高到0.540.59，使定轉(zhuǎn)子溫升趨于平衡；(3) 采用深槽定子，得益于采用了自動(dòng)繞線機(jī)，可以采用較大的轉(zhuǎn)子外經(jīng)并縮短定子匝長(zhǎng)?？商岣唠姍C(jī)效率10%20%；(4) 提高電磁密度，適當(dāng)提高激磁安匝?？梢钥s小結(jié)構(gòu)尺寸，有利換向，提高電機(jī)硬度；(5) 減少?zèng)_片規(guī)格，提高通用性。降低成本，適應(yīng)自動(dòng)化批

2、量生產(chǎn)； 1-2單向串激電機(jī)的設(shè)計(jì)要求1 電機(jī)設(shè)計(jì)的基本要求（1） 功率要求，適當(dāng)選取功率，綜合平衡效率、溫升、及體積之要求；（2） 效率和攻率因數(shù)的要求；（3） 其它額定指標(biāo)，包括啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，最小轉(zhuǎn)矩，最大轉(zhuǎn)矩等；2 單相串激電機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及要求（1） 額定工作點(diǎn)，額定輸出轉(zhuǎn)矩時(shí)電機(jī)應(yīng)不低于額定轉(zhuǎn)速；（2） 控制換向火花，因換向無(wú)法計(jì)算，故要求嚴(yán)格控制火花相關(guān)的各設(shè)計(jì)參數(shù)；（3） 其它設(shè)計(jì)要求；第二章 主要尺寸及電磁參數(shù)選取2-1 主要要尺寸及電磁負(fù)荷1主要尺寸D1,D2及L確定電機(jī)主要尺寸，一般從計(jì)算入手：（cm3）電磁內(nèi)功率（即通常所說(shuō)的電磁功率），可有后式估算極弧系數(shù)，取0.60.7氣隙

3、磁密（T），可按（圖12）選取線負(fù)荷（A/cm），可按（圖12）選取轉(zhuǎn)速(r/min)從上式看出，取值越大，電機(jī)尺寸越小，但取值受其他因素制約，詳見(jiàn)后述。轉(zhuǎn)速越大，電機(jī)尺寸也越小，電機(jī)轉(zhuǎn)速同樣受到機(jī)械，換向等因素的制約。在此處，可用額定轉(zhuǎn)速代入式中作計(jì)算。電磁功率為通過(guò)氣隙磁場(chǎng)，從定子側(cè)傳遞到轉(zhuǎn)子的功率可用下面經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：當(dāng)0.5當(dāng)0.5上式中為輸出功率，可按額定輸出功率帶入計(jì)算。為電機(jī)效率，可按額定效率代入計(jì)算，當(dāng)需要計(jì)算者確定時(shí)，可按（圖11）選取，此為當(dāng)前生產(chǎn)連續(xù)定額E,B級(jí)絕緣的平均效率曲線。對(duì)于短時(shí)運(yùn)行定額的電機(jī)或采用耐熱等級(jí)更高絕緣的電機(jī)，效率值應(yīng)下降。確定后，接著可確定電樞沖片

4、的值，應(yīng)綜合考慮電機(jī)使用條件，通用性及派生的要求，同時(shí)考慮合適的長(zhǎng)徑比，通常為0.51.5之間。較大的值使電機(jī)細(xì)長(zhǎng)，銅利用率較高，但是制造工藝性較差，繞組撓度大，冷卻差，漏抗大換向不利。確定后可以方便的確定鐵心疊長(zhǎng)。的比值可在0.540.59之間選取，較大值適合于深槽轉(zhuǎn)子，從而確定定子外徑。2線負(fù)荷及氣隙磁密電樞線負(fù)荷表示電樞外徑圓周單位長(zhǎng)度上的安匝，越大則尺寸越小，銅耗增大，線匝增多而導(dǎo)致?lián)Q向惡化。因此增大是有限制的。從8-1式來(lái)看,一定時(shí)，也是定值，取得大則可取小，反之亦然。但二者取值都是受其他因素制約的，初步設(shè)計(jì)時(shí)可參照（圖12）選取，該曲線是用于連續(xù)負(fù)載E,B級(jí)絕緣單相串激電機(jī)，對(duì)于短

5、時(shí)定額可適當(dāng)提高(A/cm)(T)2-2磁路參數(shù)選取1.定轉(zhuǎn)子安匝比和鐵心各部分磁密定轉(zhuǎn)子匝比是一個(gè)重要的磁路控制參數(shù)，為一個(gè)極的定子線圈匝數(shù)，為電樞總導(dǎo)體數(shù)，匝比大小表示定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的相對(duì)強(qiáng)弱情況，其值對(duì)電機(jī)性能、換向情況、機(jī)械特性硬度以及損耗效率都有影響，簡(jiǎn)單分析如下：匝比大，定子主磁場(chǎng)強(qiáng)，電樞相對(duì)弱，則磁場(chǎng)畸變小，有利換向。匝比大，定子主磁場(chǎng)強(qiáng)，磁路飽和度高，利于穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，提高機(jī)械硬度。匝比大，銅耗增大，溫升增高，效率下降，定子電抗增大而功率因數(shù)降低。實(shí)際上，匝比應(yīng)維持合理范圍，過(guò)大沒(méi)有意義。當(dāng)磁場(chǎng)足夠飽和時(shí)，在增加定子激磁安匝，定子磁場(chǎng)不會(huì)明顯增強(qiáng)，因而失去了積極方面的意義，反倒使銅耗

6、增加了。定轉(zhuǎn)子安匝比推薦范圍為0.851.3。功率小取大值，功率大（400W以上）取較小的值。磁路的飽和程度是由鐵心各部分磁密大小來(lái)決定的，由于結(jié)構(gòu)的需要，各部分磁密不同。正常設(shè)計(jì)的電機(jī)，各部分磁密范圍一般如下：定子極身磁密 0.60.9（T） 1.01.4（T）深槽定子定子軛部磁密 1.61.75（T）電樞齒部磁密 1.651.8（T）電樞軛部磁密 1.351.65（T）2.極弧系數(shù)和氣隙長(zhǎng)度極弧系數(shù)是極弧長(zhǎng)度和極距的比值。極弧系數(shù)越大，電機(jī)尺寸越小。但極弧系數(shù)過(guò)大則影響到換向區(qū)域，對(duì)火花不利。當(dāng)定子磁勢(shì)為矩形波時(shí)，從傅麗葉級(jí)數(shù)分析，可看出各分量諧波隨值的變化情況（圖1-3）。從圖可見(jiàn)，當(dāng)為

7、0.667時(shí)，3次分量為0(見(jiàn)圖1-3)，所以一般取0.6670.7，若氣隙采用不均勻設(shè)計(jì)時(shí)，可放大。氣隙長(zhǎng)度也是磁路重要參數(shù)，氣隙中所分擔(dān)的激磁磁勢(shì)占全部激磁磁勢(shì)的40%50%。越長(zhǎng)，磁勢(shì)消耗越多，使定子繞組匝數(shù)增多，銅耗增加，并因定子電感增大，而使功率因數(shù)下降。增大也有好處，可減弱電樞反應(yīng)，有利換向，并且也減弱齒槽效應(yīng)，降低損耗，弱化定轉(zhuǎn)子偏心帶來(lái)不利的影響。單相串激電機(jī)通常取為0.3mm0.9mm,小電機(jī)取較小值。選用計(jì)算式如下：(cm)極距（cm）可按圖12選取為了改善換向，可采用非均勻氣隙。非均勻氣隙通過(guò)極弧偏心來(lái)實(shí)現(xiàn)（如圖14）。其偏心量由下式計(jì)算：（cm）不均勻氣隙的等效氣隙按下

8、式計(jì)算圖1-4不均勻氣隙示意圖12（cm）2-3繞組溫升控制電機(jī)繞組溫升都有限制的規(guī)定,它是按照所使用的絕緣材料的耐熱等級(jí)和使用壽命的需要而制定的。通過(guò)熱計(jì)算來(lái)控制溫升,則計(jì)算反復(fù)且正確性差,所以工程上通過(guò)控制和繞組溫升相關(guān)的參數(shù)來(lái)間接控制溫升,實(shí)踐證明是合理可行的。1.限制值來(lái)控制電樞繞組溫升電樞繞組銅耗直接影響電機(jī)發(fā)熱，所以線負(fù)荷和電流密度的乘積可以用來(lái)控制繞組溫升。為了控制溫升不超過(guò)某一數(shù)值，只需控制值不超過(guò)某一值即可。為了給電磁設(shè)計(jì)提供合理的值，應(yīng)按照電機(jī)主要尺寸來(lái)計(jì)算的限制。下式是計(jì)算值的經(jīng)驗(yàn)公式：（）單位（cm）單位（cm）值單位（r/min）其中系數(shù)可根據(jù)額定輸出功率從圖15中選

9、取，此曲線適用于連續(xù)運(yùn)行定額溫升不超過(guò)70K扇冷結(jié)構(gòu)電機(jī)。應(yīng)該指出，在實(shí)際工程中，溫升控制參數(shù)宜低于限值并留有裕度，以適應(yīng)批量生產(chǎn)中的離散性。2.限制的數(shù)值以控制定子繞組溫升直接影響定子溫升的因素是定子銅耗,是電機(jī)主電流,是定子電阻。因此只要控制定子銅耗就能控制定子溫升。定子繞組溫升往往低于轉(zhuǎn)子溫升，這是正常的，是由電機(jī)結(jié)構(gòu)和散熱特點(diǎn)所決定的。但二者不可相差過(guò)大，否則說(shuō)明材料利用不合理。同樣可用電機(jī)主要尺寸來(lái)計(jì)算定子銅耗的限值，計(jì)算式如下：（W）系數(shù)可根據(jù)定子外徑從圖16選取。此曲線適用于連續(xù)運(yùn)行定額及溫升不超過(guò)60K扇冷結(jié)構(gòu)電機(jī)。第三章 單相串激電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)程序3-1校算分析程序、設(shè)計(jì)綜

10、合程序和優(yōu)化設(shè)計(jì)程序目前，常用的各種電機(jī)設(shè)計(jì)程序，多數(shù)校算分析程序。電機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算變量繁多，且約束不夠，因而只能做出一系列假設(shè)，在一定的假設(shè)下計(jì)算出一套結(jié)果，再返回去和假設(shè)條件比較，看是否相符。如果相符，則結(jié)果可信，反之需要重新調(diào)整假設(shè)，再次計(jì)算。如此循環(huán)，逐漸逼近，最終得到正確答案。校算分析程序存在多解情況，因而，設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果存在很大影響。3-2單相串激電動(dòng)機(jī)電磁設(shè)計(jì)程序1.程序簡(jiǎn)介本程序主要用于輸出功率為60-1200W、負(fù)載轉(zhuǎn)速為6000-18000r/min的單相串激電機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算。經(jīng)實(shí)際使用驗(yàn)證，具有較高的計(jì)算正確性，但超出適用范圍使用時(shí)，計(jì)算正確性會(huì)受到一定影響。本程序?qū)儆谛?/p>

11、算分析程序，設(shè)計(jì)者經(jīng)對(duì)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣會(huì)有影響。本程序在步驟安排上，已考慮了盡可能減少計(jì)算上的反復(fù)，為此首先計(jì)算出轉(zhuǎn)子，從而推算磁通，然后進(jìn)行磁路計(jì)算，損耗計(jì)算，端電壓校算，功率因數(shù)校算，功率校算。具體的設(shè)計(jì)計(jì)算方法及詳細(xì)說(shuō)明在程序中介紹。2.電磁設(shè)計(jì)程序額定數(shù)據(jù)1額定輸出功率(W)2額定轉(zhuǎn)速（r/min）3額定輸出轉(zhuǎn)矩(N.m)()4額定電壓(V)5額定頻率(HZ)6額定效率7額定功率因數(shù)額定數(shù)據(jù)是對(duì)計(jì)算任務(wù)所提出的要求，電磁計(jì)算的最終結(jié)果，就是在保證達(dá)到額定數(shù)據(jù)要求的前提下，確定定轉(zhuǎn)子繞組及有關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。結(jié)構(gòu)參數(shù)（參見(jiàn)圖2-1）圖2-11定子外徑（cm）2定子內(nèi)徑（cm）3轉(zhuǎn)子外徑（cm）

12、4轉(zhuǎn)子內(nèi)徑（cm）5鐵芯長(zhǎng)度（cm）6氣隙長(zhǎng)度（cm）7定子極寬（cm）8定子極高（cm）9定子軛高（cm）(如非平行軛，取靠近最狹處的處的軛高) 10定子槽寬（cm）11轉(zhuǎn)子槽口寬度（cm）12轉(zhuǎn)子槽上部寬（cm）13轉(zhuǎn)子槽口高度（cm）14轉(zhuǎn)子槽楔厚度（cm）15轉(zhuǎn)子槽上部深（cm）16轉(zhuǎn)子槽芯深度（cm）17轉(zhuǎn)子槽底半徑（cm）18轉(zhuǎn)子齒寬（cm）（對(duì)非平行齒，t取靠近最狹處的處的軛高）19轉(zhuǎn)子槽數(shù)20換向器外徑（cm）21換向器片數(shù)22電刷長(zhǎng)度（cm）23電刷寬度（cm）結(jié)構(gòu)參數(shù)是根據(jù)上章所述的設(shè)計(jì)原則以及運(yùn)用幾何、三角的計(jì)算公式而提出的，通過(guò)電磁計(jì)算，結(jié)合繞組參數(shù)的設(shè)計(jì)，最后確定結(jié)構(gòu)

13、參數(shù)。在電磁計(jì)算過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)已提出的結(jié)構(gòu)參數(shù)不能符合原先設(shè)想的設(shè)計(jì)原則，不能保證額定數(shù)據(jù)的要求時(shí)，則要修改原先提出的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如修改定、轉(zhuǎn)子槽形，放長(zhǎng)鐵芯等等。結(jié)構(gòu)參數(shù)也可能由于通用化的要求而提出的，如需要通用定轉(zhuǎn)子沖片，此時(shí)，在電磁計(jì)算中，不允許改變沖片的任何尺寸，只能改變鐵芯長(zhǎng)度來(lái)滿足額定數(shù)據(jù)的要求。計(jì)算1負(fù)載電流(A)2轉(zhuǎn)子繞組線規(guī)(mm/mm)絕緣導(dǎo)線外徑銅線直徑（結(jié)合下步要計(jì)算的電流密度和槽滿率的設(shè)計(jì)要求，按計(jì)算程序附表一可初步選定繞組導(dǎo)線線規(guī)。）3轉(zhuǎn)子導(dǎo)線截面（mm2）4轉(zhuǎn)子繞組電密（A/mm2）5轉(zhuǎn)子線負(fù)荷（A/cm）（按對(duì)設(shè)計(jì)要求算得）6轉(zhuǎn)子總導(dǎo)體數(shù)7轉(zhuǎn)子每槽導(dǎo)體數(shù)8轉(zhuǎn)子槽滿率

14、為槽絕緣厚度間隙（cm）一層槽絕緣間隙為0.005（應(yīng)不大于0.76，如用自動(dòng)繞線機(jī)繞制則不宜大于0.65）9轉(zhuǎn)子繞組平均半匝長(zhǎng)(cm)(當(dāng)小于4cm)(當(dāng)大于4cm)10轉(zhuǎn)子繞組電阻（）11損耗比例系數(shù)（此數(shù)值僅用于初算）12內(nèi)功率（電磁功率）(W)13旋轉(zhuǎn)電勢(shì)(V)14電機(jī)常數(shù)15極距(cm)16極弧系數(shù)17計(jì)算極距(cm)18實(shí)槽節(jié)距19短距系數(shù)20磁通(Wb)21虛槽節(jié)距22前節(jié)距23換向器線速度(m/s)24轉(zhuǎn)子線速度(cm)25換向器片距(cm)26換向區(qū)域?qū)挾?cm)核算27電刷電密（A/cm2）28轉(zhuǎn)子齒距29轉(zhuǎn)子外齒寬（cm）30轉(zhuǎn)子槽寬平行齒（cm）非平行齒（cm）31轉(zhuǎn)子

15、槽形系數(shù)32轉(zhuǎn)子單位漏磁導(dǎo)33轉(zhuǎn)子每元件匝數(shù)34換向元件中電抗電勢(shì)(V)35換向元件中變壓器電勢(shì)(V)36換向元件中電樞反應(yīng)電勢(shì)(V)37轉(zhuǎn)子軛高(cm)(轉(zhuǎn)軸復(fù)有絕緣層)(轉(zhuǎn)軸不復(fù)絕緣層)38定子軛部磁密（T）39電樞軛部磁密（T）40定子極身磁密(T)41氣隙磁密(T)42電樞齒部磁密(T)43定子軛磁場(chǎng)強(qiáng)度(A/cm)（按查設(shè)計(jì)程序附表二）44定子極磁場(chǎng)強(qiáng)度(A/cm)（按查設(shè)計(jì)程序附表二）45轉(zhuǎn)子軛磁場(chǎng)強(qiáng)度(A/cm)（按查設(shè)計(jì)程序附表三）46轉(zhuǎn)子齒磁場(chǎng)強(qiáng)度(A/cm)（按查設(shè)計(jì)程序附表三。當(dāng)時(shí)按31項(xiàng)槽形系數(shù)查設(shè)計(jì)程序附表四）47定子軛磁路長(zhǎng)度（cm）48轉(zhuǎn)子軛磁路長(zhǎng)度(cm)(轉(zhuǎn)軸

16、復(fù)有絕緣層)(轉(zhuǎn)軸不復(fù)絕緣層)49轉(zhuǎn)子齒磁路長(zhǎng)度(cm)50氣隙系數(shù)51氣隙激磁磁勢(shì)(A)52定子軛激磁磁勢(shì)(A)53定子極激磁磁勢(shì)(A)54轉(zhuǎn)子軛激磁磁勢(shì)(A)55轉(zhuǎn)子齒激磁磁勢(shì)(A)56借偏去磁磁勢(shì)(A)(虛三槽電機(jī))(虛兩槽電機(jī))電刷偏離幾何中心線的角度，單位為弧度。當(dāng)采用接線借偏方式時(shí)，按下式計(jì)算（弧度）為接線借偏片數(shù)57換向增磁磁勢(shì)（A）58電樞反應(yīng)磁勢(shì)(A)數(shù)值從過(guò)渡特性曲線中求得。畫(huà)曲線時(shí)，可用標(biāo)幺值來(lái)畫(huà)，以磁通為時(shí)的值，計(jì)算出此時(shí)的，以此作為計(jì)算標(biāo)幺值時(shí)的基值（分母）。yx時(shí)的值利用畫(huà)過(guò)渡特性曲線的方法來(lái)求得電樞反應(yīng)安匝，這是常用的方法。由于電樞反應(yīng)，也即轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的作用，使得定

17、子極下一側(cè)增磁，一側(cè)去磁，同時(shí)由于磁路飽和的原因，增磁抵消不了去磁，從而使得總磁通量降低。所以要增加一部分定子磁勢(shì)，稱為電樞反應(yīng)磁勢(shì)。利用曲線來(lái)求取電樞反應(yīng)磁勢(shì)是有很多假設(shè)條件的，它假定轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的磁勢(shì)，只影響氣隙磁勢(shì)和轉(zhuǎn)子齒磁勢(shì)。實(shí)際上也影響定子軛與轉(zhuǎn)子軛，尤其是當(dāng)軛部磁密較高時(shí)，所以只考慮，是不夠精確的。畫(huà)曲線時(shí)，發(fā)現(xiàn)比值比較大，甚至其標(biāo)幺值（）大于1，也是這個(gè)原因。但經(jīng)過(guò)較多設(shè)計(jì)案例與實(shí)樣對(duì)比，這個(gè)偏差對(duì)整體設(shè)計(jì)結(jié)果影響不大，故在此不做修正。59總激磁安匝60定子每極匝數(shù)（取整數(shù)）61定子線圈線規(guī)（mm/mm）絕緣導(dǎo)線外徑銅線直徑（結(jié)合下步要計(jì)算的電流密度或定子銅耗的限值要求，核對(duì)定子線

18、圈寬度在定子槽內(nèi)安放的可能性，按設(shè)計(jì)計(jì)算程序附表一可初步選定導(dǎo)線線規(guī)。）62定子導(dǎo)線截面（mm2）63定子線圈電密（A/mm2）64定轉(zhuǎn)子安匝比65定子線圈線模寬 (mm)取整數(shù)（當(dāng)小于3cm）（當(dāng)大于3cm）66定子線圈線模長(zhǎng)（mm）HrLmBmL1銅線標(biāo)稱直徑（mm）（mm）小于0.450.450.5大于0.534567定子線圈線模高（mm）68定子線模每層匝數(shù)(取0.5的整數(shù))取0.05，當(dāng)取0.03，當(dāng)69定子線圈寬度 （mm）(檢驗(yàn)定子窗口能否安放)70定子線圈平均每匝長(zhǎng)度（mm）71定子繞組電阻（）72定子繞組電阻壓降（V）73轉(zhuǎn)子繞組電阻壓降（V）74定子漏抗壓降（V）75轉(zhuǎn)子漏抗壓