永磁直流电机设计
永磁直流电机设计
永磁直流电机设计
永磁直流电机的基本原理是利用定子和转子之间的电磁相互作用来产
生转矩。
定子上排列有若干个励磁线圈，当通电时会产生磁场。
转子上则
安装有一组永磁体，它们的磁场会与定子的磁场相互作用，从而产生转矩。
而永磁体的磁场是固定不变的，因此这种电机称为“永磁直流电机”。
定子设计是为了提供足够的磁场强度和均匀性。
在设计过程中，需要
确定励磁线圈的匝数、线径和磁场方向等参数。
一般来说，匝数越多、线
径越粗，磁场强度越高。
同时，励磁线圈的布局也很重要，要尽可能使磁
场分布均匀，避免磁场偏斜和不均匀。
转子设计主要涉及永磁体的选择和布局。
永磁体的材料一般选择高磁
能积的稀土磁体，如钕铁硼磁体。
在布局上，需要考虑永磁体的磁场分布
和转矩的平衡。
通常，可以采用多极磁化的方式来增加转子上的磁通量密度，从而提高转矩。
除了定子和转子的设计，还需要考虑永磁直流电机的优化方法。
其中
一种方法是通过磁路分析，优化磁路结构和磁场分布，从而提高电机的效
率和性能。
另一种方法是通过控制算法的优化，调整电机的运行方式和参数，使其在不同负载下都具有较高的效率和响应性。
总之，永磁直流电机的设计涉及到定子设计、转子设计和优化方法的
选择。
在设计过程中，需要根据电机的使用要求和性能指标，选择合适的
设计参数和优化方法，以实现高效、高性能的电机设计。
永磁直流无刷电机实用设计及应用技术
永磁直流无刷电机是一种高效、可靠且具有广泛应用的电机类型，其设计和应用技术涉及多个方面，包括结构设计、控制系统、功率电子器件等。
以下是关于永磁直流无刷电机实用设计及应用技术的一些重要内容：1. 结构设计：-定子结构设计：合理设计定子结构，包括定子槽形状、绕组布局等，以提高电机效率和性能。
-转子结构设计：优化转子磁路设计，选择合适的永磁材料和磁路形状，提高转子磁场密度和输出功率。
-轴承选型：选择适当的轴承类型和规格，保证电机运行平稳、低噪音。
2. 控制系统：-传感器选型：选择合适的位置传感器（如霍尔传感器）或传感器less 技术，实现电机位置检测和闭环控制。
-控制算法：设计高效的电机控制算法，如FOC（Field Oriented Control）或者DTC（Direct Torque Control），以实现精确控制和高效能耗。
- PWM技术：采用PWM技术控制功率电子开关器件，实现对电机相电流的精确控制，提高电机效率和响应速度。
3. 功率电子器件：- MOSFET或IGBT选择：根据电机功率大小和工作环境选择合适的功率MOSFET或IGBT器件，以确保电机的稳定性和可靠性。
-散热设计：合理设计散热系统，确保功率电子器件能够有效散热，避免过热损坏。
4. 应用技术：-电动汽车：永磁直流无刷电机在电动汽车中得到广泛应用，提供高效、节能的动力输出。
-家用电器：如空调、洗衣机等家用电器中也有广泛应用，提供高效、低噪音的驱动。
-工业领域：如风力发电机组、泵类设备等领域也有着重要的应用。
以上是关于永磁直流无刷电机实用设计及应用技术的简要介绍，这种电机技术在各个领域都有着重要的应用前景，不断推动着电机技术的发展和创新。
永磁无刷直流电机控制系统设计
永磁无刷直流电机控制系统设计1.电机模型的建立：建立电机的数学模型是进行控制系统设计的第一步。
永磁无刷直流电机可以使用动态数学模型来描述其动态特性，常用的模型包括简化的转子动态模型和电动机状态空间模型。
简化的转子动态模型以电机的电磁转矩方程为基础，通过建立电机的电流-转速模型来描述电机的动态响应。
这个模型通常用于低频控制和电机启动阶段的设计。
电动机状态空间模型则是通过将电机的状态变量表示为电流和转速变量，用微分方程的形式描述电机的动态特性。
这个模型适用于高频控制和电机稳态响应分析。
2.控制器设计：经典的控制方法包括比例积分控制器（PI）和比例积分微分控制器（PID）。
比例积分控制器是最简单的控制器，通过调节电流的比例增益和积分时间来控制电机的速度。
这种控制器适用于低精度控制和对动态响应要求不高的应用。
比例积分微分控制器在比例积分控制器的基础上增加了微分项，通过调节微分时间来控制系统的阻尼比，提高系统的稳定性和动态响应。
3.参数调节：在控制器设计中，参数调节和整定是非常重要的环节，主要包括根据系统的要求选择合适的控制器参数，并进行优化。
参数调节可以通过试探法、经验法和优化算法等方法进行。
其中，试探法和经验法是相对简单的方法，通过调整控制器的参数值来达到稳定运行或者较好的控制性能。
优化算法可以通过数学模型和计算机仿真的方式进行，通过优化目标函数和约束条件，得到最合适的控制器参数。
总结起来，永磁无刷直流电机控制系统设计主要包括电机模型的建立、控制器设计和参数调节。
在设计过程中，需要根据系统的要求选择合适的控制器，通过参数调节和优化算法来提高系统的稳定性和动态性能。
无刷直流永磁电动机设计流程和实例
无刷直流永磁电动机设计实例一. 主要技术指标1. 额定功率：W 30P N =2. 额定电压：V U N 48=,直流3. 额定电流：A I N 1<3. 额定转速：m in /10000r n N =4. 工作状态：短期运行5. 设计方式：按方波设计6. 外形尺寸：m 065.0036.0⨯φ二． 主要尺寸的确定 1. 预取效率63.0='η、 2. 计算功率i P '直流电动机 W P K P NNm i 48.4063.03085.0'=⨯==η,按陈世坤书; 长期运行 N i P P ⨯''+='ηη321 短期运行 N i P P ⨯''+='ηη431 3． 预取线负荷m A A s /11000'= 4． 预取气隙磁感应强度T B 55.0'=δ 5. 预取计算极弧系数8.0=i α 6． 预取长径比L/D λ′=27．计算电枢内径m n B A P D N s i i i 23311037.110000255.0110008.048.401.61.6-⨯=⨯⨯⨯⨯⨯=''''='λαδ 根据计算电枢内径取电枢内径值m D i 21104.1-⨯= 8. 气隙长度m 3107.0-⨯=δ 9. 电枢外径m D 211095.2-⨯= 10. 极对数p=111. 计算电枢铁芯长 m D L i 221108.2104.12--⨯=⨯⨯='='λ根据计算电枢铁芯长取电枢铁芯长L= m 2108.2-⨯12. 极距 m p D i 221102.22104.114.32--⨯=⨯⨯==πτ 13. 输入永磁体轴向长m L L m 2108.2-⨯==三．定子结构 1. 齿数 Z=6 2. 齿距 m z D t i 22110733.06104.114.3--⨯=⨯⨯==π3. 槽形选择梯形口扇形槽,见下图;4. 预估齿宽: m K B tB b Fe t t 2210294.096.043.155.010733.0--⨯=⨯⨯⨯==δ ,t B 可由设计者经验得,t b 由工艺取m 210295.0-⨯5. 预估轭高: m B K B a K lB h j Fe i Fe j j 211110323.056.196.0255.08.02.222-⨯=⨯⨯⨯⨯=≈Φ=δδτ1j B 可由设计者经验得,1j h 由工艺取m 210325.0-⨯根据齿宽和轭高作出下图,得到具体槽形尺寸6. 气隙系数 135.1)5()5(2010101=-++=b b t b t K δδδ7．电枢铁心轭部沿磁路计算长度m h ph h D L j ij t i i 2111110064.2)21(2)2(-⨯=+-⨯++=απ8．槽面积2410272.0m S -⨯=电枢铁芯材料确定从数据库中读取电枢冲片材料DW540-50电枢冲片叠片系数96.01=Fe K 电枢冲片材料密度331/1075.7m j ⨯=ρ电枢冲片比损耗kg W p s /16.2)50/10(=四.转子结构1. 转子结构类型:瓦片磁钢径向冲磁2. 永磁体外径m D D i m 211026.12-⨯=-=δ3. 永磁体内径m H D D m m mi 21086.02-⨯=-=4. 永磁体极弧系数8.0=m α5. 紧圈外经D 2=m 21032.1-⨯6. 永磁材料磁化方向截面积24221043.421026.114.3108.28.02m p D L S mm m m ---⨯=⨯⨯⨯⨯⨯==πα7. 永磁材料的选取永磁体材料：钕铁硼 剩磁r B ：矫顽力c H ：796 kA/m 永磁体材料密度m ρ:cm 38. r B 对应的磁通Wb S B m r r 41087676.4-⨯=⋅=φ 9．c H 对应的磁势A D D H F mim c c 3200)2(2=-= 10． 转子轭材料选择由于转子较细,故转轴、磁轭为一体,选用10号钢 11．转子磁轭等效宽度 m D D D D b i mi i e j 22222221033.02102.01086.022---⨯=⨯-⨯=-=-=12．转子磁轭沿磁路方向长度瓦片m pD D b L mii e j j 222221083.0)21(4)(-⨯=-++=απ五、磁路计算1. 漏磁系数2.1=σ2. 气隙磁通δδδταB L B i 926.4==Φ3．空载电枢齿磁密δδδB B K b t B B Fe t t 588.296.010295.010733.022=⨯⨯⨯⨯==-- 4. 空载电枢轭磁密δδδB B L K h B Fe j j 819.28.296.0325..02926.4211=⨯⨯⨯=Φ=5. 空载转子轭磁密δδδσB B L b B j j 198.38.233.02926.42.1222=⨯⨯⨯=Φ= 6. 气隙磁势A B B B K F 462610127.010135.11007.06.1106.1⨯=⨯⨯⨯⨯⨯=⨯=-δδδδδδ7. 定子齿磁势A H H h H F t t t t t 22109.01045.022--⨯=⨯⨯== 8. 定子轭部磁势A H L H F j j j j 211110064.2-⨯== 9. 转子轭部磁势A H L H F j j j j 222221083.0-⨯== 10． 总磁势∑+++=21j j t F F F F F δ 11. 总磁通Wb B m 410926.42.1-⨯⨯=Φ=Φδδσ12.空载特性曲线计算见表;因为表面磁钢永磁电机电动机负载时气隙的合成磁场与空载时差不多;六．电路计算1. 绕组形式及电子开关形式：两相导通星形三相六状态 2. 绕组系数采用单层集中整距绕组,即 第一节距)(31槽==τy 每极每相槽数12pmZq ==m 是相数；p 为极对数 故绕组系数1=w K3. 预取空载转速m in /120000r n =' 4. 每相绕组串联匝数φW '0.7V U 24.8025.700为管子压降，取匝，∆=Φ'∆-='δφαpn UU W i取匝82W =φ5. 电枢总导体数根4922==φmW N6. 实际每槽导体数N s =N/Z=82根7. 实际空载转速0nmin /11742109039.28217.02488.05.725.7400r pW U U n i=⨯⨯⨯⨯-⨯⨯=Φ∆-=-δφα8. 计算绕组端部长度m pD D pDav l i b 211101.42)2)(2.122.1-⨯=+=='ππ 9. 计算电枢绕组每匝平均长度m l L L bav 2108.13)(2-⨯='+= 10． 预估导线截面积2661007086.01101463.04830m a J U P S aN N c-⨯=⨯⨯⨯⨯=''='η 式中26'/1014m A J a⨯=为预取导线电流密度 1=a 为每相绕组支路数 11. 导线选取选择F 级绝缘导线QZY-2 导线计算截面积26210066.04m d S c c -⨯==π导线最大截面积262max max 10092.04m d S c c -⨯==π导线直径md m d c c 3max 310342.01029.0--⨯=⨯=12. 槽满率计算公式选择35.01042max=⨯⋅=-S c s s S S N K π13. 实际导线电流密度26'/1015m A aS U P J c N Na ⨯==η 14. 每相电枢绕组电阻Ω==⨯=Φ-31022)20(62)20(20cavcava S a l W S ma Nl r ρρ式中)/(0157.02)20(m mm ⋅Ω=ρ为导线的电阻率 设电机绕组的工作温度t 为75C 0,则导线工作温度电阻Ω=⨯-+=65.3])20(1[20t a at p t r r 式中00395.0=t p 为导线的电阻温度系数七．电枢反应计算1. 起动电流 A r UU I atst 77.722=∆-=2. 起动时每极直轴电枢反应最大值A K W I F w st sdm 27643==φ 3. 额定工作时的反电动势 V n W pC N ie 5.39152'==δφφα 4. 额定工作时电枢电流 A r EU U I ata 97.022=-∆-=5. 额定工作时最大直轴去磁磁势A K W I F W a adm 3443==φ 6. 负载工作点：根据sdm F 和adm F ,可在空载永磁体工作图上作出负载和起动时的特性曲线2、3,求负载特性曲线与永磁体去磁曲线的交点,得负载工作点：负载气隙磁感应强度T B 5872.0=δ 负载气隙磁通Wb 4108925.2-⨯=Φδ负载电枢齿磁感应强度t B = 负载电枢轭磁感应强度j B =7. 额定工作时电磁转矩m N I W pT a iem .0366.04==δφφπα8. 起动电磁转矩 m N I C T st T st .293.0=Φ=δ 八. 性能计算1. 电枢铜损W r I p at a Cu 87.622== 2. 电枢铁损W G B G B f p K p j j t t a Fe 11.4)()50)(50/10(12123.1=+= 式中a K ------铁损工艺系数,取2=a K1j G ------定子轭重kg L h D D G j s j 05816.010])2([43211211=⨯--=-πρt G ------定子齿重kg ZL h b G t t s t 0173.0103=⨯=-ρ3. 轴承摩擦损耗W n G K p N p mp mpn 05.1103=⨯=-Kmp=3,p G 为磁钢重 转子轭重 转轴重 传感器转子重的和 3=mp K 为默认情况,可让用户自己指定kg G G G G r g m p 035.0=++=4. 风损W L n D p N mpb 13.01026332=⨯=-5. 机械损耗和铁损W p p p p mpb mpn Fe 29.5=++='6. 考虑到附加损耗后的机械损耗和铁损 W p p 877.63.1='=系数可选 7. 开关管损耗W U I p a 358.12=∆⨯=∆8. 电机总损耗W p p p p Cu 1.15=++=∆∑9. 输入功率W I U P a N 56.461==10. 输出功率W p P P N 46.311=-=∑ 11. 效率%57.67%1001=⨯=P P N η 12. 摩擦转距m N n p T N.00657.056.90== 13. 额定输出转距 m N T T T em .03.002=-=。
永磁无刷直流电机的设计与电磁分析
本次演示采用有限元模拟和优化设计等方法对永磁无刷直流电机进行设计和 电磁分析。最后，对永磁无刷直流电机的电磁性能进行分析和讨论，包括磁场分 布、功率损耗、效率等，并指出了研究的不足和未来研究方向。
引言：
永磁无刷直流电机是一种具有高效率、低噪音、长寿命等优点的电机，在工 业自动化、电动汽车、航空航天等领域得到了广泛应用。随着技术的不断发展， 对永磁无刷直流电机的性能要求也不断提高。因此，本次演示旨在通过对永磁无 刷直流电机的设计与电磁分析，提高其性能指标，以满足不同领域的应用需求。
参考内容
基本内容
盘式永磁无刷直流电机是一种先进的电动设备，具有高效率、低噪音、长寿 命等优点。本次演示将详细介绍盘式永磁无刷直流电机的电磁设计过程，包括磁 场分布、线圈绕制、绝缘设计、冷却系统等，旨在为优化电机性能提供理论支持 和实践指导。
盘式永磁无刷直流电机是一种结合了永磁电机和无刷直流电机的优点的新型 电动设备。它采用永磁体作为磁源，可直接产生恒定的磁场，避免了传统有刷直 流电机需要定期更换电刷的缺点。盘式结构使得电机散热性能好、机械强度高， 能够在恶劣环境中稳定运行。
电磁设计是盘式永磁无刷直流电机设计的核心环节。磁场分布是电磁设计的 首要环节，合理的磁场分布可以提高电机性能、降低谐波损耗。线圈绕制方法对 电机的功率密度、电气性能和机械特性有着重要影响。在电磁设计中，需要综合 考虑线圈材料、线径、匝数等因素，以实现电机的高效运行。
绝缘设计对于盘式永磁无刷直流电机的可靠性至关重要。线圈绝缘材料的选 用和结构设计直接影响到电机的电气性能和机械特性。在电磁设计中，应充分考 虑绝缘材料的电气性能和机械性能，以满足电机在高温、高湿等恶劣环境下的正 常运行。
文献综述：
自20世纪50年代第一台永磁无刷直流电机问世以来，国内外学者对其进行了 广泛研究。研究内容主要包括电磁场分析、优化设计、控制策略、可靠性等方面。 在电磁场分析方面，有限元法等效磁路法、模拟仿真等方法被广泛应用。在优化 设计方面，主要从电机结构、材料、工艺等方面进行优化。
永磁有刷直流电动机课程设计
永磁直流有刷电动机课程设计目录摘要一、设计背景及其发展状况二、有刷直流电动机的组成结构和工作原理1.永磁直流电动机的结构、起动和转动机理2.永磁有刷直流电动机的反电动势和转矩、转速、调速范围3.永磁有刷直流电动机的功率和效率三、永磁有刷直流电动机的设计1.永磁有刷直流电动机主要尺寸的确定2.永磁有刷直流电动机的绕组设计3.永磁有刷直流电动机换向器的设计四、磁路计算1.组抗参数2.损耗参数3.外特性4.效率特性五、个人总结参考文献摘要永磁有刷直流电机是在直流电机的基础上用永磁铁代替原有磁体材料建立的主磁场。
直流电动机采用了永磁励磁后，因省去了励磁绕组，降低了励磁损耗，使其具有结构简单、体积小、效率高、用铜量少等优点。
本文分析了永磁有刷直流电机的工作原理,研究了永磁有刷直流电机电磁的特点, ,运用解析计算的方法分析出电机的各项参数。
为设计永磁有刷直流电动机，我们依据Matlab强大的数据计算能力建立起了永磁有刷直流电机的数学模型并进行了仿真进而对控制系统进行了一定的分析，同时还对比了在不同的参数下电机的工作性能,为电机系统的设计及其工作的稳定性提供了一定的依据。
经设计出的200W永磁有刷直流电动机具有简便高效的特点。
关键词永磁直流电机有刷设计电机一、设计背景及其发展状况1820年，丹麦物理学家奥斯特发现了电流在磁场中受机械力的作用，即电流的磁效应。
1821年，英国科学家法拉第总结了载流导体在磁场内受力并发生机械运动的现象，法拉第的试验模型可以认为是现代直流电动机的雏形。
1822年，法国人吕萨克发现电磁铁，，即用电流流过绕在铁芯上的线圈的方法可以产生磁场。
在这些发现与发明的基础上，1831年法拉第发现了电磁感应定律，发明了盘式电机。
1831年，法拉第发现了电磁感应定律，并发明了盘式电机。
同年，亨利制作了振荡电机。
1832年，斯特金发明了换向器，并对亨利的振荡电机进行了改进，制作了世界上第一台能连续旋转运动的电机。
永磁直流电机电磁设计算例
永磁直流电机电磁设计算例假设我们要设计一个功率为500W的永磁直流电机，额定电压为24V。
首先，我们需要确定电机的转矩常数和电机的转速范围。
转矩常数表示电机在给定电压下的输出转矩大小。
常用的永磁直流电机转矩常数一般在0.02-0.06Nm/A之间。
假设我们选择一个转矩常数为0.04Nm/A的永磁直流电机。
根据功率和转矩常数的关系，我们可以计算出电机的额定电流为500/0.04=12.5A。
接下来，我们需要确定电机的磁路尺寸和磁路材料。
磁路尺寸决定了电机的体积和重量，而磁路材料的选择直接影响电机的性能和效率。
常见的磁路材料包括硅钢片、铁氧体和软磁合金等。
这里我们选择硅钢片作为磁路材料。
根据电机的功率和额定电流，我们可以计算出电机的额定转矩为500/12.5=40Nm。
接下来，我们需要根据额定转矩和转矩常数计算出永磁体的磁通。
磁通是永磁体产生的磁场大小，它与电机的转矩和电压密切相关。
磁通的计算公式为磁通=转矩/转矩常数=40/0.04=1000Wb。
接下来，我们需要计算出电机的磁场密度和磁力线密度。
磁场密度表示单位面积内的磁场大小，而磁力线密度表示单位长度内的磁场线条数。
根据磁场强度和磁路材料的磁导率，我们可以计算出磁场密度和磁力线密度。
最后，我们需要设计电机的线圈和定子参数。
根据额定电流和电压，我们可以计算出电机的线圈匝数和线圈直径。
定子参数的计算需要根据电机的磁通和磁场密度来决定。
综上所述，永磁直流电机的电磁设计是一个复杂的过程，需要根据电机的功率、转矩和工作条件来选择合适的磁路材料和定子参数。
设计过程需要综合考虑电机的性能、效率和成本等因素，从而确保电机的稳定运行和长寿命。
永磁无刷直流电机设计实例
永磁无刷直流电机设计实例永磁无刷直流电机（Brushless DC Motor，BLDC）是一种形式先进的电机，具有高效率、长寿命、高功率密度、高控制精度等优点，已广泛应用于机床、机器人、电动工具等领域。
在本文中，我们将介绍永磁无刷直流电机的设计实例。
1. 电机参数计算在进行永磁无刷直流电机设计之前，首先需要计算出电机的一些参数，包括额定功率、额定转速、额定电压、额定电流等。
这些参数将作为电机设计的基础。
1.1 标称功率Pn = Tmax × ωnPn 为电机标称功率，Tmax 为电机最大扭矩，ωn 为电机额定转速。
1.2 额定转速永磁无刷直流电机的额定转速通常由应用需求决定。
对于电动工具来说，需要较高的额定转速，而对于机床来说，需要较低的额定转速。
通常情况下，可以根据应用的要求来选择适当的额定转速。
永磁无刷直流电机的额定电压通常由电源系统决定。
通常情况下，可以选择电压稳定器或直流电源来提供稳定的电压。
根据实际需求和电源系统的限制，可以确定电机的额定电压。
2. 永磁体设计永磁体是永磁无刷直流电机中最重要的组件之一，其设计将直接影响电机的性能。
永磁体的设计包括永磁体的形状、尺寸以及选用的材料。
2.1 形状与尺寸永磁体的形状和尺寸对电机的输出特性有着重要的影响。
通常情况下，可以选择方形、圆形、椭圆形等形状，并根据电机设计参数计算出永磁体的尺寸。
2.2 材料选择永磁体选用的材料决定了电机的性能。
目前常用的永磁体材料有 NdFeB、SmCo、AlNiCo 等。
不同的永磁体材料具有不同的磁性能、机械性能和耐温性能，应根据实际应用需求进行选择。
3. 绕组设计绕组是永磁无刷直流电机中的另一个关键组件，在电机的输出特性和效率上起着重要作用。
绕组的设计涉及到绕组的形状、导线直径、匝数和线材材料等方面。
绕组的形状通常与永磁体相对应，可以根据永磁体的形状来确定绕组的形状。
3.2 导线直径导线直径直接影响到电机的电阻和电感，对电机的输出特性和效率有着重要影响。
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永磁直流電機設計1.電機主要尺寸與功率,轉速的關系:與異步電機相似,直流電機的功率,轉速之間的關系是:D22*Lg=6.1*108*p’/(αP*A*Bg*Ky*n) (1)D2 電樞直徑(cm) 電机初設計時的主要尺寸Lg 電樞計算長度(cm) 根據電机功率和實際需要確定p’計算功率(w) p’=E*Ia=(1+2η)*P N/3ηE=Ce*Φ*n*Ky=(P*N/60*a)*Φ2*n*Ky*10-8Ce 電勢系數a 支路數在小功率電機中取a=2p 极數在小功率電機中取p=2N 電樞總導体數n 電机額定轉速Ky 電樞繞組短矩系數小功率永磁電机p=2時,采用單疊繞組Ky=Sin[(y1/τ)*π/2] y1繞組第一節矩αP 極弧系數一般取αP=0.6~0.75 正弦分布時αP=0.637Φ每極磁通Φ=αP*τ*Lg*Bgτ極矩(cm) τ=π*D2/PBg 氣隙磁密(Gs) 又稱磁負荷對鋁鎳Bg=(0.5~0.7) Br 對鐵氧体Bg=(0.7~0.85) Br, Br為剩磁密度A 電樞線負荷 A=Ia*N/(a*π*D2)Ia電樞額定電流對連續運行的永磁電動机,一般取A=(30~80)A/cm另外電機負荷Δ= Ia/(a*Sd),其中Sd=π*d2/4 d為導線直徑.為了保証發熱因子A*Δ≦1400 (A/cm*A/mm2 )通常以電樞直徑D2和電樞外徑La作為電机主要尺寸,而把電動機的輸出功率和轉睦為電机的主要性能,在主要尺寸和主要性能的基礎上,我們就可以設計電機了.在(1)式的基礎上經過變換可為:D22*Lg*n/P’=(6.1*108/π2)*1/(αP*Bg*A)=C A由上式可以看, C A的值並不取決於電機的容量和轉速,也不直接與電樞直徑和長度有關,它僅取決於氣隙的平均磁密及電樞線負荷,而Bg和A的變化很小,它近似為常數,通常稱為電機常數,它的導數K A=1/C A=(p’/n)/(D22* Lg)∞αP*Bg*A 稱為電機利用系數,它是正比於單位電樞有效体積產生的電磁轉矩的一個比例常數.2.直流電機定子的確定2.1磁鋼內徑根據電機電樞外徑D2確定磁鋼內徑Dmi=D2+2g+2Hp其中g為氣隙長度,小功率直流電機g=0.02-0.06cm ,鐵氧體時g可取得大些,鋁鎳鈷磁鋼電機可取得較小,因鐵氧體H C較大.氣隙對電機的性能有很大的影響,較小的g可以使電樞反應引起的氣隙磁場畸變加劇,使電機的換向不良加劇,及電機運行不穩定,主極表面損耗和噪音加劇,以及電樞撓度加大,較大的氣隙,使電機效率下降,溫升提高.有時電機磁鋼采用極靴,這樣可以起聚磁作用,提高氣隙磁密,還可稠節極靴形狀以改善空載氣隙磁場波形,負載時交軸電樞反應磁通經極靴閉,合對永磁磁極的影響較小.但這樣會使磁鋼結構复雜,制造成本增加,漏磁系數較大,外形尺寸增加,負載時氣隙磁場的畸變較大.而無極靴時永磁體直接面向氣隙,漏磁系數小,能產生較多的磁通,材料利用率高,氣隙磁場畸變,而且結構簡單,便於生產.其缺點是容易引起不可逆退磁現象.Hp 極靴高(cm) 無極靴結構時Hp=02.2磁鋼外徑Dm0=Dmi+2Hm (瓦片形結構)Hm 永磁體磁路長度,它的尺寸應從滿足(1)有足夠的氣隙磁密(產生不可逆退磁),(2)在要求的任何情運行狀態下會形成永久性退磁等方面來確定,一般Hm=(5~15)g Hm越大,則氣隙磁密也越大,否則,則氣隙磁密也越小.2.3磁鋼截面積Sm對于鐵氧體由于Br小,則Sm取較大值,而對于鋁鎳鈷來說, Br較大,則Sm取小值.環形鐵氧體磁鋼截面積:Sm=αP*π*(Dmi+Hm)Lg/P (cm)瓦片形鐵氧體磁鋼面積:Sm=αP*π*(Dmi+Hm)Lm/P (cm)瓦片形鐵氧體弧度角:β=180︒*αP*2/P2.4 磁鋼軸向長度Lm對鐵氧体由于Br小,為了增加磁鋼截面Sm,則Lm=(1.1~1.2)La2.5磁鋼的選擇:2.5.1磁鋼的材質在永磁直流電機中,磁鋼相當于串激電中的定子線圈中,它在定子鐵殼中產生磁場,它和其它電機一樣,是利用電磁感應原理在磁場媒質中進行能量轉換的,磁場在能量轉換過程中起媒介作用,在永磁直流電機中產生磁場的磁源是充過磁的永磁體,也叫磁鋼)充過磁的磁石性能對電機的性能有很大的影響.在現代電機制造中,磁鋼的材料有下列幾種:鐵氧體.鋁鎳鈷合金,稀士合金,釹鐵硼等.由于各種材料自身特點和本廠的實際,一般選用鐵氧體作為永磁材料.2.5.2永磁材料的磁性能磁鋼的退磁曲線如下:永磁材料的磁性能可以用磁滯回線來反映和描述.即用B=f(H)曲線來反映永磁體的磁感應強度隨磁場強度來降改變的特性,該回線包含的面積隨最大充磁磁場強度H MAX增大而增大,當H MAX達到H S時回線面積漸近地達到一個最大值,而且這時磁性能也較穩定,面積最大的回線被稱為磁滯回線. 磁滯回線在第二象限的部分稱為退磁曲線,它是永磁材料的基本特性曲線,退磁曲線中磁感應強度Bm為正值而磁場強度Hm為負值,在退磁曲線過程中,永磁體相當于一個磁源.退磁曲線的兩個極限們位置是表征永磁材料磁性能的兩個重要參數(Br,Hc) 退磁曲線上任一點磁通密度與磁場強度的乘積被稱為磁能積,在退磁曲線中有一個最大值,這一最大值稱為最大磁能積(BH)MAX單位為J/m3 ,它是永磁材料磁性能的一個重要參數. Br對電機性能的影響很大,使用較大Br值的磁鋼可以增加扭矩,但會使電機空載轉速降低2.6永磁材料的選擇.2.6.1應保證電機氣隙中有中足夠的氣隙磁密和規定的電機性能指標2.6.2在規定的環境條件.溫度條件和使用條件下電機性能穩定2.6.3磁石要有良好的機械性能以便加工和裝配2.6.4另外要經濟性2.6.5盡量選擇最大磁能積大的磁鋼2.6.6根據對電機性能的影響,選擇磁石的Br值2.7永磁直流電動機的充磁三種充磁方式:1)電磁式充磁電源2)電容式充磁電源3)半周期式充磁電源2.7.1電磁式充磁特點:1)能產生很長的脈沖進行鋁鎳鈷充磁2)由于充磁電流小,為了使充磁磁場達到要求,需增加充磁線圈匝數3)不能有效地使充磁質量達到要求2.7.2半周期式充磁特點:1)它能在很快的循環速度下產生脈沖磁場2)它能給充磁夾具提供大電流 ,且受交流電流承載能力的限制.3)通常電源是一個固定裝置,因此該電器必須與較接近的變電場所和較大的變壓器用大功率電線連接.4)交流電壓110V~600V 單相50Hz或60Hz2.7.3電容式充磁特點:1)電容箱中的能量可以在一個很短的時間內釋放出一個很大幅值的電流脈沖(5000A) 這些電流能夠產生很大的磁場2)對于充磁材料的几何尺寸或形狀限制了充磁夾具中的線圈數量, 利用電容式充磁電源可以滿足.3)費用較高.要使電機有較小的充磁電壓,一般使用電容式充磁,但費用較高,故根据實際情況而定.同樣磁鋼采用雙半圓內充磁時,可以使氣隙磁密的波形為正弦波,雙半圓內充磁磁頭的尺寸如下:β=90°~115°A=Dmi-(0.1~0.2)mmR=(0.5~0.7)A 環形R=(0.7~0.78)A 瓦形β=180°*2p/(p/2)=135°L=L M+(2~4)mmL M 為磁鋼軸向長度(cm)Dmi 磁鋼內徑(cm)充磁夾具中的條形極,,硅鋼片或碳鋼的絕緣用合成的玻璃纖維纏繞或環繞氧樹脂通過流化進行環氧樹脂處理而成.充磁夾具按要求的循環速率和運行條件進行常規的四個小時的常規測試,它是通過安裝銅散熱片或鋼制條形極上開通風口并在其中通入水或空氣來進行冷卻的.充磁夾具的絕緣耐壓試驗: 2倍工作電壓+1000V2.8永磁電機定子鐵殼的選擇2.8.1機殼厚度h j選取時要考慮不應使定子軛部磁密B K太高一般應使B K=1.5~1.8T 則機殼厚度h jh j =σ*Φ/(l k*B k)l k機殼長度根据主要尺寸和實際需要確定,一般為0.1~0.3cmB k 機殼磁密如若B K太高,則增大h j以減小B K值,有些電機使用增磁環,就是這一道理.Φ每極磁通即氣隙磁通σ磁鋼漏磁系數σ=1.1~1.32.8.2機殼外徑D j=Dm0+2h j3.電機電樞的選擇3.1電樞尺寸的確定電樞外徑和長度根据同型號電機或根椐電機功率確定3.2槽數選擇根据D2選擇槽數Q. Q通常為奇數,因為奇數槽能減小由電樞齒產生的主磁通脈動,有利於減少定位力矩.但在大批量生產中,一般采用偶數槽.偶數槽有利於轉子繞線,減小生產成本.槽數選擇一般從以下几個方面考慮:1.元件總數一定時,選擇較多的槽數,可以減小每槽元件數.從而降低槽中各換向元件的電抗電動勢,有利於換向,同時槽數增多后,繞組接触鐵心的面積增加,有利于散熱. 但Q增加,槽絕緣相應增加,使槽面積利用率低,改善電機的換向, 減小由脈動磁通引起的損耗和噪音.2. Q增加,電樞齒矩t2減小齒根容易損坏, 齒矩一般控制在當D2<30cm,t2>1.5cm, 當Da>30cm, t2>2.0cm3.電樞槽數應符合繞組的繞制規則和對稱條件.4.根據同號選擇3.3電機線負荷和電磁負荷對電機的影響電機線負荷A=Ia*N/(a*π*D2) (A/cm)Ia 電樞額定電流電機電磁負荷是指氣隙磁密最大值，其值為Ｂg＝Φ／αp＊τ＊Ｌg（Ｔ）3.3.1選用較高的電磁負荷，可以節約材料，縮小電机体積,Ａ過高,會產生不利影響，電抗電動勢增加，使電機換向性能惡化,電樞反應增強，使電機工作特性變差；若電密不孌，將使電機用銅量增加,銅耗和溫升增高等,Ｂg增大，使空氣隙及電樞磁場所需的勵磁安匝增加，從而增加了銅耗，也使電樞電損耗增加，效率降低，並使電機的溫升升高．所以在選擇Ａ和Ｂg值時，都不宜選得過高，需要綜合考慮．選擇電磁負荷值，除應考虙Ａ和Ｂg外，還應考虙Ａ，Ｂg的乘積以及Ａ，Ｂg的比例關系，由于電機的電抗電動勢正比於電負荷,所以常用較小的A值和較大Ｂg值,以改善電機的換向性能,同時A值的減小也使電樞的用銅量降低,對於低轉速直流電機鐵損耗較小,Ｂg可選用較大值,而對於高轉速電機,鐵損耗較大會,Ｂg應選用較小值.3.3.2電磁負荷對電機性能和對經濟性的影響3.3.2.1線負荷A較高,氣隙磁密Ｂg不變(1)電機的尺寸和体積將變小,可節省鋼鐵材料. (2)Ｂg一定時,由於鐵心重量減小,鐵耗隨之減小. (3)繞組用鋼(鋁)量將增加,這是由于電機的尺寸小了,在Ｂg不變的條件下,每极磁通將變小,為了產生一定的感應電勢,繞組匝數必須增多. (4)增大了電樞單位表面上的鋼(鋁)耗,使繞組溫升增高. (5)影響電機參數與電機特性.3.3.2.2氣隙磁密Ｂg較高,線負荷A不變(1)電機的尺寸和體積將較小,可以節省鋼鐵材料. (2)使電樞鐵耗增大.這是因為Ｂg提高後在其它條件不變時,雖會使D2Lg與電樞鐵心重量減小,但因電樞鐵心中的磁密與Ｂg間有一定的比例關系,鐵內磁密將相應增加,鐵的比損耗(即單位重量鐵心中的損耗)是與鐵內的磁密的平方成正比的.因此隨著Ｂg的提高,比損耗增加的速度比電影樞鐵重量減小的速度為快.而電樞的基本鐵耗卻等于其鐵心重量和損耗的乘積,因此Ｂg提高後,將導致電樞鐵耗加,效率降低,在泠卻條件不變時,溫升也將升高. (3)氣隙磁位降和磁路的飽和程度將增加.Ｂg提高後,一方面直接增大了氣隙磁位降的數值;另一方面.由于鐵內磁密增大而使磁路飽和程度增加.這樣,對于直流電機和同步電機,會因勵磁磁勢增大而引起勵磁繞組用銅量與勵磁損耗增加,效率降低;在冷卻條件不變時使勵磁繞組溫升增高.還會因為勵磁繞組體積過大而使布置發生困難(內極式電機)或導致磁極與電機外形尺寸加大(外極式電機).對于感應電機,會因勵磁電流增加而使功率因數變壞. (4)影響電氣參數與電機特性,隨著Ｂg 的增大,繞組電抗的標麼值將減小, 從而影響電機的起動特性和運行特性.3.3.2.3電機所用的材料與絕緣結構的等級也直接影響電磁負荷的選擇所用絕緣結構的耐熱等級越高,電機允許的溫升也越高.電磁負荷可選高些; 導磁材料(包括兼起磁路作用的某些結構部件的材料)性能越好,允許選用的磁密也越高, 電樞繞組采用鋁線時,由于其電阻率較大,為保證足夠的安全放空間以免電損耗過大,往往采用比銅線時較低的電磁負荷.3.3.2.4 A,Ｂg的選擇和電機的功率及轉速有關確切地說是與電樞直徑(或極距)及轉子的園周速度有關.園周速度較高的電機其轉子與氣隙中泠卻介質的相對速度較大,因而泠卻條件有所改善, A,Ｂg可選取得大些. 電樞直徑(或極距)越小,所選取的A和Ｂg也應越小.3.3.2.5 A,Ｂg的選擇和電樞槽的關系在內電樞的電機(如直流電機)中,電樞直徑越小,則在平行槽壁時,為保證一定的槽空間.齒根將越窄;在平行齒壁時,為保證一定的齒截面積,槽尺寸將受限制.因此,當電機功率較小時(通常直徑也越小),若為平行槽壁,則Ｂg的數值將因受齒根磁密限制而不能取得過高,因為通常齒部磁密最大值有一定限制,超過此值後,勵磁電流和鐵耗將迅速增加;同時,還因齒根磁密的限制而使槽不能太深,從而限制了槽空間的大小和線負荷A的數值.若為平行齒槽.則在齒距齒寬和槽深一定的情況下,直徑小的電機中,槽的空間比直徑大的電機要小,A也就選得較小.3.3.2.6電樞的外徑和線負荷,電磁負荷間的關如圖:對絕緣等級較高的電機,在不影響電機的換向的情況下,可高於圖異曲線值約10%~20%電機線負荷與電樞直徑的關系:氣隙磁密與電樞直徑的關系:10 20 30 40 50 60 603.4直流電機換向器的計算3.4.1換向器直徑的計算Dc=(0.5~0.9)D2D2 電樞直徑Dc的選取應考慮換向器表面圓周速度不大于50m/s.即Vc= *Dc*Nn*10-2/60<(50~55)m/s3.4.2換向片數KK=(1-3)Q微型電機取K=Q3.4.3換向片寬bcbc=tc-δc (cm)tc=π*Dc/kδc=0.4~0.5 (mm)3.4.4.換向器長度一般電机Lc=Lb+(1~2.5)cmLb 電刷長度 (cm)4.直流電機用電刷4.1電刷截面積Sb=2*IN/P*△b (cm2)式中△b----電流密度,當采用金屬石墨電刷時△b可取為15~20A/cm24.2電刷寬度bb=(1~2.5)tc (cm) 在少槽電機中為了限制換向區寬度bb<tc控制bb<0.2~0.25τc τc為換向器极距τc=π*Dc/p電刷長度Lb=Sb/bb4.3電刷材料電刷材料一般有三種:石墨電刷,電化石墨電刷,金屬石墨電刷4.3.1石墨電刷這種電刷適用于換向條件正常,負載均勻的電機.4.3.2電化石墨電刷這種電刷耐磨性良好易于加工,適用于廣泛場合.4.3.3金屬石墨電刷這種電刷具有良好的導電性,電刷與換向器的接觸壓降小,適用于低電壓電機,常用于UN<12V電機中.由于電刷材質與電機性能和電機換向有很大的關系,所以在選用電刷時一定要小心.5.永磁直流微型電機噪音分類及產生部位5.1機械噪音5.1.1轉子不平衡振動5.1.2轉子軸向竄動5.1.3電刷與換向器或滑環之間摩擦噪聲5.1.4軸承噪聲或軸承不良5.1.5定子與轉子加工精度差,不同軸度超差5.1.6裝配不良5.2電磁噪音產生原因5.2.1.低頻主波噪音5.2.2齒諧波及高次諧波噪音5.2.3定子磁極位置不對稱或兩塊磁瓦性能不一致5.2.4直槽轉子徑向磁力過大5.2.5轉子兩端調整墊圈分布不當,軸向磁場分力過大.5.2.6機殼表面輻射或共振5.3空氣動力噪音5.3.1齒槽啞鈴聲5.3.2氣流道哨聲5.3.4.自冷風扇渦流聲(小電機不存在)6.永磁電動機的轉矩脈動和低速平穩性在某些場合,常要求電動機在低速時輸出較大的轉矩,且運行平穩,影響它的因素是轉矩脈動. 1.換向引起的轉矩脈動 2.齒槽效應引起的脈動.6.1為了減小換向引起的轉矩脈動,主要在結构上采取措施:6.1.1采用多槽6.1.2增加元作數和換向片數6.1.3使電刷的寬度減小6.1.4電樞繞組采用單波繞組(多极電机)6.2對於由電樞齒槽引起的轉矩脈動,可采取下列措施加以改善:6.2.1盡可增加電樞槽數,適當加大電動機氣隙,以降低氣隙磁陰不均勻度,減小由此產生轉矩脈動6.2.2減小槽口寬度,采用磁性槽楔,以減磁阻的變化,削弱磁阻轉矩.6.2.3用奇數槽,削弱電轉動時引起的電動機磁場場的波,動減小的轉動.6.2.4采用斜槽.以削弱消或削除齒諧波磁場所引起的轉矩脈動7.直流電機的換向7.1改善直流電機換向的方法7.1.1移刷: 發電機應順轉向移刷. 電動機應逆轉向移刷. 采用移刷換向相時,換向區內的氣隙磁場將隨電樞電流的增加而減弱.某一刷位只能在某一特定負載的情況下,才能獲得較好的換向.7.1.2采用適合性能之換向極的光潔度7.1.3選用接觸電降較大,特別是伏安性陡的電刷,可以有效地改善換向對額定電壓較向的電機使用.7.1.4采用偏心氣隙空氣隙由主極中心線兩側逐漸大, 使電樞磁動勢較大處相應具有較大的氣隙, 可降低由電樞反應所引起的磁場畸變程度,使片間電壓最大值減小.7.1.5采用極尖削角的方法。