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。

1833年，法国发明家皮克西制成了第一台旋转磁极式直流发电机，主要利用了磁铁和线圈之间的相对运动和一个换向装置，这就是现代直流发电机的雏形。楞次已经证明了电机的可逆原理。

1834年，俄国物理学家雅可比设计并制成了第一台实用的直流电动机。 1838年，雅可比把改进的直流电动机装在一条小船上。

1845年，英国人惠斯通用电磁铁代替天然磁铁矿石，用于制造电机并取得了专利权。1857年，他发明了自励的电励磁发电机，开创了电励磁方式的新纪元。19世纪70年代，爱迪生发明了电灯，开始了商业目的的直流发电机的研制。1871年，凡．麦尔准发明了交流发电机。

1879年，拜依莱（Bailey）首次用电的办法获得了旋转磁场，采用依次变动四个磁极上的励磁电流的方法，如果在四个磁场的中间放一个铜盘，由于感应涡流的作用，铜盘将随着磁场的变动而旋转，这就是最初的感应电动机。

1888年，特斯拉发明了三相异步电机，并申请了专利。

1900年，可靠的卷铁芯式变压器的问世，开创了长距离输电的新纪元。

1967年，钐钴永磁材料的出现，开创了永磁电机的新纪元。由于稀土钴永磁材料价格昂贵，研究重点是航空航天等要求高性能而价格不是主要因素的高科技领域。

1983年，磁性能更高而价格相对较低的钕铁硼永磁材料问世后永磁电机的研究转移到了工业和民用电机上。

进入20世纪90年代，随着永磁材料性能的不断提高和完善，和永磁电机研究开发经验的逐步成熟，永磁电机在日常生活的各个方面获得了越来越广泛的应用。现今，永磁直流电机广泛应用于各种便携式的电子设备或器具中，如录音机、VCD 机、电唱机、电动按摩器及各种玩具，也广泛应用于汽车、摩托车、干手器、电动自行车、蓄电池车、船舶、航空、机械等行业，在一些高精尖产品中也有广泛应用，如录像机、复印机、照相机、手机、精密机床、银行点钞机、捆钞机等。

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

永磁有刷直流电动机主要有机壳、定子、转子、机械换向器、轴、前后端盖、轴承等组成。定子由机壳内圆镶嵌或粘贴永磁体磁极构成。如图3.1所示。

图3.1

(1)永磁有刷直流电动机的结构

a.机壳是支撑整个电动机重量的部件，并且永磁体磁极就镶嵌或粘贴在机

壳内圆壁上面构成电动机的定子。机壳也是定子永磁体磁极的磁路的磁

导体。W级微、小型永磁有刷直流电动机的机壳多为低碳钢板冲压拉伸

成型，前端盖又是电动机的固定座。对于KW级永磁有刷直流电动机的

机壳和前后端盖可以用铸铁铸成或低碳钢片焊接而成。

b.永磁有刷直流电动机的转子为了减少附加损耗转子铁心采用

0.5mm~1.0mm的硅钢片冲压成并叠在一起组成转子铁心，在转子铁心硅

钢片上冲由转子槽，转子槽型如图3.2所示。

图3.2 槽子槽内嵌由转子绕组，绕组形式有多种。转子绕组连接机械换向器，

由机械换向器不断地有规律地改变转子绕组的电流方向从而变换绕组

磁极的极性，使其于定子永磁体磁极相互作用使电动机的转子转动。

c.机械换向器的结构有多种形式，图3.3所示为其中的一种。玻璃纤维酚

醛树脂（或环氧树脂）将换向铜头与后V形钢座和前V形钢座粘接在一

起并起到绝缘的作用，同时与转子轴套过盈配合后将两个V型钢座用卡

簧（档圈）限位，整体再过盈安装再转子轴上。铜头径向彼此绝缘用云

母或酚醛树脂。

图3.3

d.电刷是直流电通往转子绕组并于换向铜头一起工作改变直流电进入转

子绕组电流方向的重要部件。微型永磁有刷直流电动机的电刷往往用弹

性较好的铜片制成并用绝缘板固定再机壳上，以铜片自身的弹性压在换

向器的铜头上。小型及KW级的永磁有刷直流电动机的电刷，高转速的

用电化石墨制成，低转速大电流的用金属石墨制成。电刷装在刷握里被

压力弹簧压在换向器的铜头上，压力弹簧的压力可以通过螺栓进行调整。

刷握和刷架固定再绝缘板上在固定在机壳上。

(2)永磁有刷直流电动机的起动

永磁有刷直流电动机的定子磁极是永磁体磁极，而其转子磁极是在转子槽内嵌入绕组输入通过换向器的交变的直流电形成的。当转子未移动时，转子绕组内的反电动势为零，所以起动时，转子绕组的电流很大，转子会立刻以很高的转矩转动，会造成转子的很大冲击。微、小型永磁有刷直流电动机由于转子绕组励磁电流小，往往可以直接起动。对于KW级的，由于功率大，起动电流会达到额定电流的10-20倍，为此，常在电源与换向器之间安装一个供起动用的可变电阻。未起动时可将可变电阻跳到最大值，起动时使起动电流为额定电流的1.5-2.5倍，当电动机起动后，可将可变电阻调到0.这种起动方式称作降压起动。

(3)永磁有刷直流电动机的反转

永磁有刷直流电动机的定子磁极时永磁体磁极，其极性不会改变。只有改变转子绕组的极性才会使电动机反转，这需要将直流电源接到电刷的极性改变，即原来接电源正极的电刷接到电源的负极上，将原来接电源负极的电刷接到电源正极上，电动机就会反转。

(4)永磁有刷直流电动机的转动机理

永磁有刷直流电动机的定子磁极是永磁体磁极，转子铁心有槽，槽可为偶数，也可为奇数。为了起动方便和减少谐波附加损耗，转子槽和转子轴线可以成一定斜角。转子槽内按一定绕组形式嵌入绕组。当电动机运行时，机械换向

器的电刷和换向铜头不断地改变转子绕组地电流方向，使转子绕组的电流磁场地磁力与定子永磁体地磁力相互作用从而使转子转动，转子轴对外输出转矩做做功，将输入电动机的直流电能转变成机械能。图3.4所示两级8槽永磁有刷直流点当即转子转动机理示意图。

图3.4 在磁场中的载流导体会受到磁场力的作用而移动，可以用左手定则来判断载流导体的运动方向。在图3.4中，接近定子永磁体N极的转子绕组的导体的电流方向从纸面流出，用左手定则判定转子按顺时针转动；接近定子永磁体s极的转子绕组的导体的电流方向是进入纸面，而左手定则判定转子按顺时针方向转动。当转子转到换向位置时，换向器中的电刷和转子上的换向铜头将直流电的方向改变，电流进入纸面改为从纸面流出，从纸面流出的变为进入纸面，转子就不停地按着顺时针方向转动。转子槽内地绕组即为载流导体，在定子永磁体磁场中地载流导体会移动地实质是什么？导体通以直流电时，在导体周围就会有不变的绕着导体的环形磁场；当给导体通以交流电时，在导体周围就会由交变的绕着导体的环形磁场。载流导体形成的磁场方向可以用右手定则来判定。图3.4b所示为接近定子永磁体N极的转子铁心内的绕组导体电流从纸面流出时的导体环形磁场的方向。图3.4c所示定子永磁体的磁力Fm和转子绕组导体磁场的磁力Fa及它们的合力F是使转子顺时针转动的力。同理，接近永磁体S极的转子绕组的磁力与永磁体磁极的磁力的合力使转子顺时针转动。永磁有刷直流电动机转子转动的机理使定子永磁体磁极的磁力与转子绕组导体所形成的磁场的磁力相互作用使其转子转动。

2.永磁有刷直流电动机的反电动势和转矩、转速、调速范围

(1)永磁有刷直流电动机的反电动势

在永磁有刷直流电动机中，定子励磁磁极是永磁体磁极，定子永磁体磁极的气隙磁密是不变的，而转子磁极则是通过电刷和换向铜头给转子绕组提供电流方向按换向频率变化的电流。在电动机未转动时、转子绕组没有切割定子永磁体磁极的磁通，在转子绕组中不会产生反电动势；当转子转动时，定子永磁体磁极的磁通切割转子绕组，在转子绕组产生反电动势。转子绕组的反电动势方向由定子永磁体磁极的磁通方向和转子旋转的方向来决定。两者之中，任何一个方向改变，反电动势的方向也随之改变。在永磁有刷直流电动机中，反电动势的方向与转子电流的方向相反。

反电动势E(V)为：①

②

③

④

式中p----永磁有刷有槽直流电动机的定子永磁体磁极的极对数；

N----永磁有刷直流电动机转子绕组的总导体数；

a----转子绕组并联支路对数；

n----转子转速，单位r/min；

----每极磁通，单位为Wb；

----气隙磁密，单位为T；

-----定子永磁体的磁极面积，单位为或

----永磁体磁极的弧长，单位为m或mm；

----永磁体磁极的有效长度，单位为m或mm

----矩形永磁体磁极面的端面系数，

----漏磁系数；

-----矩形永磁体矩形极面的短边长，单位为m或mm，在永磁体有刷直流电动机中，即为极弧长度，当极弧长较长时会使永磁体中心磁感应强度

比周边的磁感应强度低，这是由于永磁体的集肤效应，应对永磁体磁极进行径向拼接，拼接的几块永磁体不能彼此接触，应彼此离开1-2mm。

----矩形永磁体矩形极面的长边长，单位为m或mm。在永磁体有刷直流电动机中，；

-----系数， =

电源电压与反电动势之间的关系为： = E + +

式中：

----转子绕组电路中外加直流电源电压，单位为V；

E-----永磁有刷直流电动机的反电动势，单位为V；

-----转子绕组的电阻，单位为Ω；

----绕组的电流，单位为A；

----电刷与换向铜头接触电压降，单位为V，通常取0.5-2V，电压高取大值，电压低取小值。

(2)永磁有刷直流电动机的电磁转矩

在永磁有刷直流电动机中，电磁转矩由转子绕组电流磁场的磁力与定子永磁体的磁力作用而形成的。电磁转矩使转子转动对外输出转矩，将电能转换为机械能。电磁转矩的方向由定子永磁体磁通和转子绕组电流的方向来决定的，由于永磁体磁极的磁通的方向式固定的，因此改变转子电流的方向就

改变了电磁转矩的方向。在永磁有刷直流电动机中，电磁转矩的方向与转子旋转的方向相同。

给出电磁转矩的计算公式：

(3)永磁有刷直流电动机的转速和调速范围

a)永磁有刷直流电动机的转速n(r/min)为：

式中：----电机系数，;

----电动机系数，；

a----电动机转子绕组并联支路对数。

b)调速范围：后续。。。。。

3.永磁有刷直流电动机的功率和效率

永磁有刷直流电动机的输入功率式额定输出功率的各种损耗之和。损耗功率包括转子绕组的铜损耗、转子铁心的铁损耗、轴承的摩擦损耗及风阻损耗等。永磁有刷直流电动机的效率是其输出功率与输入功率的百分比。

(1)永磁有刷直流电动机的额定输出功率

额定功率的(W)的计算公式为：

----永磁有刷直流电动机的额定输出转矩，单位为N·m；

----永磁有刷直流电动机转子旋转的角速度，单位为rad/s；

----额定转速；单位r/min；

(2)永磁有刷直流电动机的输入功率

永磁有刷直流电动机的输入功率是其额定功率与电动机各种损耗之和，其输入功率P1(W)计算公式如下：

=

----永磁有刷直流电动机转子绕组的铜损耗，单位W

----永磁有刷直流电动机转子铁心的贴损耗，单位为W

----永磁有刷直流电动机轴承摩擦损耗和风阻损耗，单位W

-----永磁有刷直流电动机电刷和换向铜头的铜损耗，单位W

-----电刷与换向铜头之间的摩擦损耗，单位W

永磁有刷直流电动机的铜损耗、电刷损耗=

b.永磁有刷直流电动机的电刷与铜头接触，由电压降，也有电阻，因此，

其铜损耗

----电刷与换向铜头接触的电阻，单位为Ω

c.永磁有刷直流电动机的电刷与铜头之间的摩擦损耗(W)为

----电刷与换向铜头之间的摩擦系数，通常取=0.2-0.3；

----电刷的弹簧压力，通常取

----一个电刷与换向铜头的接触面积，即电刷的工作面积，单位为

----换向铜头的圆周速度，单位为m/s

d.永磁有刷直流电动机的铁损耗

永磁有刷直流电动机在运行时，在转子铁心中会产生感应电流，这个感应电流称作涡流，由涡流产生的损耗称作涡流损耗。转子用硅钢片做铁心就是为了减小涡流损耗。同时在转子铁心中还存在由于磁场的变化引起的磁滞损耗。转子铁心中的涡流损耗和磁滞损耗统称转子铁心的铁损耗。

(3)永磁有刷直流电动机的效率

永磁有刷直流电动机的效率通常为额定功率与输出功率的百分比。在这种通常的计算中，没有将定子永磁体磁极做功计算在内，这也不是永磁有刷直流电动机的真实效率。

三.永磁有刷直流电动机的设计

题目设计要求：

1、额定功率200W，直流侧电压48 VDC；

2、额定转速3000 r/min；

3、额定效率要求大于75%；

4、调速范围2000~4000 r/min

1.永磁有刷直流电动机主要尺寸的确定

(1)确定永磁有刷直流电动机转子外径

永磁有刷直流电动机的主要尺寸是转子直径Da和转子铁心的有效长度。

首先要初步确定电动机的转子直径Da，在初步确定转子直径后，可以参考同功率的并励直流电动机的相关资料初步确定永磁有刷直流电动机的转子直径Da。根据题目要求的200W，查找相关资料，得到同类的永磁电动机的转子直径

Da=55mm。所以初步确定要设计的电动机的Da为55mm。

(2)确定永磁有刷直流电动机转子的工作长度

在永磁有刷直流电动机转子直径Da初步确定以后，根据选定电动机的线负荷A和定子永磁体磁极气隙磁密来计算电动机转子的工作长度。

永磁有刷直流电动机转子工作长度(m)计算公式为：

式中：

----永磁有刷直流电动机转子绕组的总导体数

a----转子绕组并联支路对数；

----计算极弧系数，通常取=0.637-0.78；

通过计算的值为？？？，通过电动机的尺寸比来校验是否适合。，式中---直流电动机的极距离，单位为m，。通常取0.6-1.2，如果计算结果超出这个范围，则重新选择转子铁心直径Da或转子长度，使用在应取

的范围内。通过计算得出的值为？？？，则符合要求。

(3)确定永磁有刷直流电动机的极数

永磁有刷直流电动机的转速与极数没有固定的数学关系，电动机的转速只与换向频率有关系。通常永磁有刷直流电动机W级的以两级居多，KW级的有四级的。在永磁有刷直流电动机中，在转子直径Da和气隙磁密确定以后，气隙总磁通量是一个定值，当极数增加时，每级的磁通量变小可缩短换向器与转子绕组的端部长度，使铜耗量减少并可缩短电动机的寸尺。但技术增加会使转子铁心中交变磁化频率增大，从而使转子铁心铁损耗级附加损耗增加，也会使电动机的温升提高。

(4)永磁有刷直流电动机定子永磁体的极弧长及磁极长度

永磁有刷直流电动机的极距(m)为

式中：----永磁有刷直流电动机的定子永磁体磁极的内径，单位为m；

2p----永磁有刷直流电动机的极数

定子永磁体磁极的极弧长度为

式中-----定子永磁体磁极的极弧系数，通常取

(5)永磁有刷直流电动机气隙长度的选择

永磁有刷直流电动机的气隙长度对电动机的性能有一定影响。气隙很小，可以减小转子绕组的安匝数，会增加电动机的功率，但也会增加电动机的磁噪声，还会使电动机换向不良造成电动机运行不稳定，同时也增加了加工和安装的难度，但气隙也不能太大，太大虽然有利于加工安装你，但会降低电动

机的功率。通常W级永磁有刷直流电动机的气隙长度为，KW 级通常取；

(6)永磁有刷直流电动机得利用系数。永磁直流电动机得利用系数表示电动机单位体积、单位额定转速得计算功率得多少，它代表了永磁有刷直流电动机材料得利用程度，它是电动机设计得一个重要得比较参数。

永磁系数有刷直流电动机得利用系数c（KW·min/）计算公式如下：

(7)永磁有刷直流电动机的发热系数。是衡量永磁有刷直流电动机在运行时的发热程度，它是电动机线负荷A与转子绕组电流密度的乘积。

发热系数(A/cm)计算公式如下：

式中 A----永磁有刷直流电动机的线负荷，单位为A/cm；

----转子绕组的电流密度，单位为A/。通常取。发热系数与永磁有刷直流电动机的冷却和定子永磁体磁极的物理性质有关。发热

系数通常取1500~2000A/cm、A/。

电动机尺寸确定：

①在此，我们采用2个磁极，即磁极对数为1，因为在单叠绕组中，并联支路对数与磁极对数相等，所以并联支路对数a = 1；

②取转子绕组直径Da=55mm；

③永磁体采用am×bm=48mm×70mm的钕铁硼N45，通过查表1-1，取=1.02，查

表1-2得Br=1.32，根据公式可求得=1.05

④根据发热系数计算：取=5，取、,可求得

⑤=3000r/min，取0.7，将各变量带入公式可得 70mm

⑥将 70mm代入和中，得在0.6-1.2范围内，因此=70mm 取值合理。

2.永磁直流电动机的绕组设计

在永磁有刷直流电动机中，载流的转子绕组的磁力与定子永磁体磁极的磁力相互作用，产生电磁转矩，使转子转动对外输出转矩，将直流电能转换成机械能。因此，永磁有刷直流电动机转子绕组在电动机电能转换成机械能的过程中起到了重要作用。

(1)永磁有刷直流电动机转子绕组的总导体数由转子绕组的由转子绕组的反电动

势E(V)求出转子绕组的总导体数N

其中

反电动势E(V)用转子回路中电气损耗占总损耗的1/3来计算出反电动势E

(2)永磁有刷直流电动机转子每槽导体数

转子绕组总导体数为N，则每槽导体数由下式得出

z----转子槽数

永磁有刷导体数Ns求出之后，应圆成证书，而后在重新计算总导体数N。

永磁有刷有槽直流电动机的转子绕组是由多个元件组成的，绕组元件嵌放在转子槽内，并以一定规律将元件与换向器接成闭合回路。由这些元件组成的闭合回路通过换向器被正负电刷分成若干个并联支路，并通过电刷与直流电源连接。每一个支路各元件的对应边通常都处于相同极性的磁场下，以获得支路最大的电磁转矩。转子绕组每个元件的匝数可以是单匝、多匝，也可以是分数匝。

通过验证总导体数，则符合设计要求。

根据题目要求：额定效率大于75%，取额定效率为80%；并且直流侧电压为48VDC，则U=48V。可计算，根据上文计算结果，可得出每极磁通

wb，由此可得出总导体数N=202。

取转子槽数z为8槽，通过计算验证，最终确定总导体数N=200

(4)永磁有刷直流电动机转子绕组电流及绕组导体

a.永磁有刷直流电动机转子绕组总电流是指给电刷进入转子绕组的电流，转

子绕组的总电流(A)计算公式为：

b.转子绕组并联支路中每个支路的电流(A)为

c.转子绕组中每根导线的截面积是指导体导电的截面积

式中----电流密度，单位为。通常永磁有刷直流电动机的电流密度取=3~7，功率大取大值，功率小取小值，根据题目要求的200W，所以取.

每根导体可以是一根导线，电流大时，可以是几根导线并绕，则每根导线的截面积为

式中n----n根导线并绕组成一个导体

---每根导线导电截面积，单位

d----每根导线导电的直径，单位为mm

由以上公式可得，，

3.永磁有刷直流电动机换向器的设计

永磁有刷直流电动机的换向器是通过电刷在转子转动的过程中按一定规律经换向器铜头不断地改变转子绕组地电流方向的重要部件。换向器的结构根据电动机的转数、功率的不同，有多种结构形式。

(1)换向器主要由换向铜头、电刷、握刷及刷架等组成，图4.1所示为环氧树脂

或酚醛树脂增强塑料作为粘合剂和绝缘的换向器换向铜头结构示意图。换向器铜头由换向铜头、增强塑料及转子绕组端头的压紧孔等组成。在铜头之间的绝缘也有云母的。

图4.1

(2)换向器的尺寸

1.换向铜头与电刷的接触面积是电刷将直流电经过换向铜头送入转子绕组

所必须经过的导电面积，换向铜头的面积要比电刷接触铜头的面积大。换向铜头与电刷接触面积

式中：

----电刷与换向铜头的接触长度，单位mm

----换向铜头的轴向长度，单位为mm

----一个换向铜头的宽度，单位为mm。也就是换向铜头的弧长。

b.永磁有刷直流电动机所采用的绕组形式不同，电刷宽度也不同。对于单波、

单叠式绕组通常其覆盖的换向铜头数位1.5~2.5，电刷宽度(mm)为

式中----电刷宽度，单位为mm

----换向铜头宽度，单位为mm

d.换向器换向铜头的直径Dk(mm)应小于转子槽底直径，即

式中----转子铁心外径，单位mm

h----转子槽深，单位为mm

各参数计算计算结果：

反电动势E(V)=44.8V

绕组电流

转子绕组的电阻

电磁转N·m

四．磁路计算

后续。。。。。。。。

五.个人设计总结

通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关永磁有刷直流电动机方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，加上和组内成员的深入讨论，最终还是解决各种难题，这同时也暴露出了我在电动机方面知识的欠缺和经验的不足。，，，，，，，，，

参考文献

[1] 王秀和等.永磁电机[M].北京：中国电力出版社

[2]《永磁电动机理、设计及应用》机械工业出版社

[3][6] 李建超．永磁同步电机直接转矩控制技术的研究[D] ．哈尔滨工业大学硕士,论文，2007

附加:

表1-1

表1-2

进入21世纪的十几年里我国钕铁硼永磁体的性能