同步電機(jī)之永磁直流電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)

永磁直流電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)是根據(jù)額定數(shù)據(jù)和性能指標(biāo)確定主要尺寸、永磁體尺寸、沖片尺寸、電樞繞組數(shù)據(jù)、換向器尺寸等，然后進(jìn)行性能計(jì)算。若性能不滿足要求，則調(diào)整結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，重新進(jìn)行性能計(jì)算，直至得到合格的設(shè)計(jì)方案。

一、永磁直流電機(jī)的額定數(shù)據(jù)和性能指標(biāo)

永磁直流電動(dòng)機(jī)的額定數(shù)據(jù)有額定功率尸N 、額定電壓UN 、額定轉(zhuǎn)速nN等。性能指標(biāo)主要有效率、溫升和火花等級(jí)等，有時(shí)也可能給出起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變化率等指標(biāo)。

二、主要尺寸的確定

永磁直流電動(dòng)機(jī)的主要尺寸是指電樞直徑Da和電樞計(jì)算長(zhǎng)度Lef，它們和電動(dòng)機(jī)的電磁負(fù)荷有關(guān)。

1．主要尺寸與功率、轉(zhuǎn)速、電磁負(fù)荷的關(guān)系

與普通直流電動(dòng)機(jī)相似，永磁直流電動(dòng)機(jī)的主要尺寸與計(jì)算功率P ’ 、轉(zhuǎn)速、電磁負(fù)荷之間的關(guān)系為。

2．電磁負(fù)荷的選擇

電磁負(fù)荷的選擇直接影響到電機(jī)的體積、重量、損耗和效率，關(guān)系到電機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和性能。在永磁直流電動(dòng)機(jī)中，磁負(fù)荷基本上由永磁材料的性能和磁路尺寸決定，當(dāng)永磁材料、磁極尺寸和外磁路尺寸確定后，B 。就基本上被確定，變化范圍很小。初選時(shí)可根據(jù)永磁材料和磁極結(jié)構(gòu)選取，對(duì)于鋁鎳鉆永磁體，一般取B 一（0 . 5一0 . 7 ) B ,；對(duì)于鐵氧體和稀土永磁材料，一般取B 。＝( 0 . 7一0 . 85 ) Br 。當(dāng)線負(fù)荷A較高時(shí)，電機(jī)體積較小，節(jié)約鋼鐵材料，鐵耗減小，但繞組用銅量增加，銅耗增加，繞組溫升增大。對(duì)于連續(xù)運(yùn)行的小功率永磁直流電動(dòng)機(jī)，一般取A一30一100A / rm ,電樞繞組電流密度J取為。

3．氣隙長(zhǎng)度選取

從建立氣隙磁場(chǎng)的角度考慮，氣隙長(zhǎng)度占應(yīng)取較小的值，但由于受制造和裝配的限制，占不能取得太小。此外，在永磁電機(jī)中，氣隙磁場(chǎng)隨氣隙長(zhǎng)度的變化沒有電勵(lì)磁電機(jī)那樣敏感，當(dāng)永磁體充磁方向長(zhǎng)度較大時(shí)，略微調(diào)整氣隙長(zhǎng)度對(duì)氣隙磁場(chǎng)影響不大。對(duì)于小功率永磁直流電動(dòng)機(jī)，氣隙長(zhǎng)度通常取為0 . 15一0 . 6mm 。

三、永磁體尺寸的確定

1．永磁體充磁方向長(zhǎng)度

永磁體充磁方向長(zhǎng)度hm與氣隙占大小有關(guān)。通常先根據(jù)電機(jī)的磁動(dòng)勢(shì)平衡關(guān)系預(yù)估hm初值，再根據(jù)具體的電磁性能計(jì)算進(jìn)行調(diào)整；hm的大小決定了電機(jī)的抗去磁能力。在永磁直流電動(dòng)機(jī)中，后極尖去磁最嚴(yán)重，因此應(yīng)該校核最大電樞電流時(shí)后極尖永磁體的工作點(diǎn)，在保證不產(chǎn)生不可逆退磁的前提下，hm應(yīng)盡可能小。

2．永磁體軸向長(zhǎng)度

對(duì)于稀土永磁材料，一般取永磁體軸向長(zhǎng)度Lm與電樞鐵心長(zhǎng)度La相同，有時(shí)為節(jié)約永

磁材料，Lm比電樞鐵心長(zhǎng)度略短。對(duì)于鐵氧體永磁材料，由于價(jià)格便宜且Br較低，為減少

用銅量，往往取Lm ? ( 1 . 1一1 . 2 ) La 。

四、極數(shù)的選擇

永磁直流電機(jī)的極數(shù)雖與轉(zhuǎn)速無關(guān)，但對(duì)電機(jī)性能有較大影響。極數(shù)增多，每極磁通減少，電樞扼部和定子機(jī)殼厚度??；繞組端部縮短，用銅量減少；片間電壓平均值增加，換向器出現(xiàn)環(huán)火的可能性增大；電樞鐵心中磁場(chǎng)交變頻率隨極數(shù)增大而增高，扼部鐵耗因扼部磁密的降低而增加不多或不增加，齒部鐵耗隨極數(shù)的增加而迅速增加。一般來講，極數(shù)增加時(shí)，低速電機(jī)的效率略有增加，高速電機(jī)的效率有所降低。小型永磁直流電動(dòng)機(jī)的極數(shù)一般為2一6極。

五、電樞沖片設(shè)計(jì)

1．槽數(shù)的確定

在永磁直流電動(dòng)機(jī)中，采用較多槽數(shù)時(shí)，可以減少線圈匝數(shù)，降低換向元件中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，有利于換向，但槽絕緣增加，槽利用率降低，還可能造成齒根部過窄。此外，槽數(shù)Q的選擇還應(yīng)保證繞組滿足對(duì)稱條件。

• 換向器和電刷

1．換向器尺寸的確定

( 1）換向器直徑。在直流電機(jī)中，換向器直徑通常如下選取

( 2）換向器長(zhǎng)度。小功率電動(dòng)機(jī)一般每極只有一只電刷，換向器長(zhǎng)度Lk比電刷長(zhǎng)度大。

( 3）換向器片距。換向器片距為。

七、換向條件的校核

在小功率永磁直流電動(dòng)機(jī)中，換向問題不嚴(yán)重，為使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通常不設(shè)換向極。在設(shè)計(jì)中，通過限制換向區(qū)寬度和換向元件內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)來保證換向性能。在單方向旋轉(zhuǎn)的永磁直流電動(dòng)機(jī)中，常移動(dòng)電刷以改善換向。

1．換向區(qū)域?qū)挾?/p>

在直流電機(jī)中，每個(gè)槽內(nèi)有多個(gè)元件邊，從槽內(nèi)第一個(gè)元件邊開始換向到最后一個(gè)元件邊換向結(jié)束，這段時(shí)間稱為換向周期。在一個(gè)換向周期內(nèi)，電樞所移過的弧長(zhǎng)稱為換向區(qū)寬度r，采用下式計(jì)算。