直流电机设计详细版

1、直流电机设计1.电机主要尺寸与功率，转速的关系：与异步电机相似，肓流电机的功率,转速之间的关系是：d22*lg=6. l*10s*p" /(ap*a*bg*ky*n) (1)d2电枢直径(cm)电机初设计时的主要尺寸lg电枢计算长度(cm)根据电机功率和实际需要确定p，计算功率(、¥) p" =e*ia=(l+2 n )*pn/3 ne 二 ce* *n*ky 二(p*n/60*a) * 2*n*ky* 10 sce电势系数a 支路数在小功率电机中取a=2p 极数在小功率电机中取p=2n 电机总导体数n 电机额定转速ky电枢绕组短矩系数 小功率永磁电机p二2吋，采

2、用单叠绕组 ky=sin (y】/ t ) * n /2刃绕组第一节距ap极弧系数一般取/二0. 60. 75正弦分布时ap=0. 637 每极磁通 二8p*t*lg*bgt 极距(cm) t = ji *d2/pbg 气隙磁密(gs)又称磁负荷 对铝镰bg二(0.50.7) br 对铁氧体 bg二(0. 7085) br, br为剩磁密度a电枢线负荷a二ia*n/(a*兀*d2)ia电枢额定电流 对连续运行的永磁电动机, 一般取a= (3080) a/cm另外电机负荷二ia/(a*sd),其中sd二n *ct/4 d为导线直径为了保证发热因子a*a w1400 (a/cm*a/mm2 )通常

3、以电枢直径d2和电枢 外径la作为电机主要尺寸,而把电动机的输出功率和转矩为电机的主耍性能，在 主要尺寸和主要性能的基础上，我们就可以设计电机了.在(1)式的基础上 经过变换可为：d22*lg*n/p =(6. 1*108/ n2)*l/(ap*bg*a) =ca由上式可以看，g的值并不取决于电机的容量和转速，也不直接与电枢直径和长 度有关，它仅取决于气隙的平均磁密及电枢线负荷，而bg和a的变化很小,它近似 为常数，通常称为电机常数，它的道数kfl/g二(p /n)/(d22*lg)sa*bg*a称为 电机利用系数，它是正比于单位电枢有效体积产生的电磁转矩的一个比例常数.2.直流电机定子的确定

4、2.1磁钢内径根据电机电枢外径d2确定磁钢内径dmi=d2+2g+2hp其中g为气隙长度，小功率直流电机g=0. 02-0. 06cm ,铁氧体时g可取得大 些,铝鎳钻磁缸电机可取得较小，因铁氧体隹较大气隙对电机的性能有很大的影响, 较小的g可以使电枢反应引起的气隙磁场畸变加剧，使电机的换向不良加剧，及 电机运行不稳定,主极表面损耗和噪咅加剧，以及电枢绕组加人，较人的气隙，使 电机效率下降，温升提高.有时电机磁钢采用极靴,这样可以起聚磁作用，提高气隙磁密,还可调节极靴 形状以改善空载气隙磁场波形，负载时交轴电枢反应磁通经极靴闭，和对永磁磁 极的影响较小.但这样会使磁钢结构复杂，制造成本增加，漏

5、磁系数较大，外形尺 寸增加，负载时气隙磁场的畸变较大而无极靴时永磁体直接面向气隙，漏磁系数 小，能产牛较多的磁通，材料利用率高，气隙磁场畸变,而且结构简单，便於生产. 其缺点是容易引起不可逆退磁现象.hp极靴高(cm)无极靴结构时hp二02. 2磁钢外径dmo=dmi+2hm （瓦片形结构）hni永磁体磁路长度，它的尺寸应从满足(1)有足够的气隙磁密(产生不可 逆退磁)，(2)在要求的任何情运行状态下会形成永久性退磁等方面来确定，一般 llm=(515)g ihn越大，则气隙磁密也越大，否则，则气隙磁密也越小2. 3磁钢截面积sm对于铁氧体由于br小，则sm取较大值,而对于铝银钻来说，br较大

6、，则sm取小 值.环形铁氧体磁钢截面积sm=ap*p* (dm i +hm) lg/p (cm)瓦片形铁氧体磁钢面积：sm=ap*p* (dmi+hm) lm/p (cm)瓦片形铁氧体弧度角：b=180° *2/p2.4磁钢轴向长度lm对铁氧体由于br小，为了增加磁钢截面sm,则lm=(l. t1. 2)la2. 5磁钢的选择：2.5. 1磁钢的材质在永磁直流电机中，磁钢相当于串激电中的定子线圈中，它在定子铁壳中产 生磁场，它和其它电机一样，是利用电磁感应原理在磁场媒质中进行能量转 换的,磁场在能量转换过程中起媒介作用，在永磁直流电机中产牛磁场的磁 源是充过磁的永磁体，也叫磁钢)充过

7、磁的磁石性能对电机的性能有很大的 影响.在现代电机制造屮，磁钢的材料有下列几种:铁氧体铝银钻合金，稀士合 金，钱铁硼等.由于各种材料自身特点和本厂的实际,一般选用铁氧体作为 永磁材料2.5. 2永磁材料的磁性能磁钢的退磁曲线如下:£b<t>磁滯回曲線與磁化曲線|b<t>磁滯回曲線與磁化曲線永磁材料的磁性能可以用磁滞冋线来反映和描述.即用b=f (h)曲线来反映永磁 体的磁感应强度随磁场强度来降改变的特性,该回线包含的面积随最大充磁磁场 强度hmax增大而增大，当hmx达到hs i寸冋线面积渐近地达到一个最犬值，而且 这时磁性能也较稳定，面积最大的回线被称为磁滞

8、回线.磁滞回线在第二象限的 部分称为退磁曲线，它是永磁材料的基本特性曲线，退磁曲线屮磁感应强度bm为 正值而磁场强度hm为负值，在退磁曲线过程中，永磁体相当于一个磁源退磁曲 线的两个极限们位置是表征永磁材料磁性能的两个重要参数(br, he)退磁曲线 上任一点磁通密度与磁场强度的乘积被称为磁能积，在退磁曲线中有一个最大值, 这一最大值称为最大磁能积(bh)max单位为j/m3 ,它是永磁材料磁性能的一个 重要参数.br对电机性能的影响很大，使用较大br值的磁钢可以增加扭矩，但会 使电机空载转速降低2. 6永磁材料的选择.2. 6永磁材料的选择.2.6. 1应保证电机气隙中有中足够的气隙磁密和规

9、定的电机性能指标2. 6. 2在规定的环境条件.温度条件和使用条件下电机性能稳定2. 6. 3磁石要有良好的机械性能以便加工和装配2.6.4另外要经济性2. 6. 5尽量选择最大磁能积大的磁钢2. 6. 6根据对电机性能的影响，选择磁石的br值2. 7永磁直流电动机的充磁三种充磁方式：1）电磁式充磁电源2）电容式充磁电源3）半周期式充磁电源2.7. 1电磁式充磁特点：1）能产生很长的脉冲进行铝襟钻充磁2）由于充磁电流小，为了使充磁磁场达到要求，需增加 充磁线圈匝数3）不能有效地使充磁质量达到要求2. 7. 2半周期式充磁特点：1）它能在很快的循环速度下产生脉冲磁场2）它能给充磁夹具提供大电流，

10、且受交流电流承载 能力的限制.3）通常电源是一个固定装置，因此该电器必须与较接近的变电场所和较大的变压器用犬功率电线连接.4) 交流电压110v600v单相50hz或60hz2.7.3电容式充磁特点：1) 电容箱中的能量可以在一个很短的时间内释放出一 个很大幅值的电流脉冲(5000a)这些电流能够产生很大的磁场2) 对于充磁材料的几何尺寸或形状限制了充磁夹具中 的线圈数量，利用电容式充磁电源可以满足.3) 费用较高.要使电机有较小的充磁电压，一般使用电容式充磁，但费用 较高，故根据实际情况而定.同样磁钢采用取半圆内充磁时，可以使气 隙磁密的波形为正弦波，双半圆内充磁磁头的尺寸如下：b 二90。

11、 115。a=dmi-(0. 1、0 2) mmr二(0. 50. 7)a 环形r二(0. 70. 78)a 瓦形0=180° *2p/(p/2)二 135°l二lm+(24)mmlm为磁钢轴向长度(cm)dm i磁钢内径(cm)充磁夹具屮的条形极,，硅钢片或碳钢的绝缘用合成的玻璃纤维缠绕 或环绕氧树脂通过流化进行环氧树脂处理而成.充磁夹具按要求的循环速率和运 行条件进行常规的四个小时的常规测试，它是通过安装铜散热片或钢制条形极上 开通风口并在其中通入水或空气来进行冷却的.充磁夹具的绝缘耐压试验：2倍 工作电压+1000v2. 8永磁电机定子铁壳的选择2.8.1机壳厚度h,

12、选取时要考虑不应使定子轨部磁密bk太高一般应使 bk二1518t则机壳厚度hjhj 二 o * / (h*bk)h机壳长度 根据主要尺寸和实际需要确定,一般为0. co. 3cmbk机壳磁密如若弘太高,則增大hj以减小bk值,有些屯机使用增磁环，就是这一道理每极磁通即气隙磁通o 磁钢漏磁系数。二1 广132. & 2机壳外径 dj=dmo+2hj3. 电机电枢的选择3. 1电枢尺寸的确定电枢外径和长度根据同型号电机或根据电机功率确定3. 2槽数选择根据d2选择槽数q.q通常为奇数，因为奇数槽能减小由电枢齿产生的主磁通脉动，有利於减少定位力 矩但在大批量生产中，一般采用偶数槽偶数槽有利於

13、转子绕线，减小生产成本.槽数选择一般从以下几个方面考虑：1. 元件总数一定时，选择较多的槽数,可以减小每槽元件数从而降低槽 中各换向元件的电抗电动势，有利於换向，同时槽数增多后，绕组接触铁 心的面积增加，有利于散热.但q增加，槽绝缘和应增加,使槽面积利用 率低，改善电机的换向，减小由脉动磁通引起的损耗和噪音2. q增加，电枢齿矩严減小齿根容易损坏，齿矩一般控制在当d2<30cm, 12>1. 5cm,当 da>30cm, t2>2. ocm3. 电枢槽数应符合绕组的绕制规则和对称条件.4. 根据同号选择3. 3电机线负荷和电磁负荷对电机的影响电机线负荷a二la*n/ （

14、a* n *d2）（a/cm）la电枢额定电流电机电磁负荷是指气隙磁密最大值，其值为bg= e/ dp*t*lg （ t）3. 3.1选用较高的电磁负荷，可以节约材料，缩小电机体积，a过高，会产生不利 影响，电抗电动势增加，使电机换向性能恶化，电枢反应增强，使电机工作特性 变差；若电密不娈，将使电机用铜量增加，铜耗和温升增高等，bg增大，使空气 隙及电枢磁场所需的励磁安匝增加，从而增加了铜耗，也使电枢电损耗增加，效 率降低，并使电机的温升升高.所以在选择a和bg值时，都不宜选得过高，需要综合考虑.选择电磁负荷 值，除应考虑a和bg夕卜，还应考虑a, bg的乘积以及a, bg的比例关系， 由于电

15、机的电抗电动势正比於电负荷，所以常用较小的a值和较大bg值，以改善 电机的换向性能，同吋a值的减小也使电枢的用铜量降低,对於低转速直流电机 铁损耗较小，bg可选用较大值，而对於高转速电机，铁损耗较大会，bg应选用较 小值.3. 3. 2电磁负荷对电机性能和对经济性的影响3. 3. 2. 1线负荷a较高，气隙磁密b g不变（1）电机的尺寸和体积将变小，可节省钢铁材料.（2） bg 一定时，由於铁心重 量减小，铁耗随之减小.（3）绕组用钢（铝）量将增加,这是由于电机的尺寸小了, 在b g不变的条件下，每极磁通将变小，为了产生一定的感应电势，绕组匝数必须 增多.（4）增大了电枢单位表面上的钢（铝）耗

16、，使绕组温升增高.（5）影响电机参数与电机特性.3. 3. 2. 2气隙磁密b g较高,线负荷a不变（1）电机的尺寸和体积将较小,可以节省钢铁材料.（2）使电枢铁耗增大.这 是因为bg提高後在其它条件不变吋,虽会使d2lg与电枢铁心重量减小，但因电 枢铁心中的磁密与bg间有一定的比例关系，铁内磁密将相应增加，铁的比损耗 （即单位重量铁心屮的损耗）是与铁内的磁密的平方成正比的因此随着eg的提 高，比损耗增加的速度比电影枢铁重量减小的速度为快而电枢的基本铁耗却等 于其铁心重量和损耗的乘积，因此bg提高後，将导致电枢铁耗加，效率降低，在 泠却条件不变时，温升也将升高.气隙磁位降和磁路的饱和程度将增加

17、.b g提高後，一方面直接增大了气隙磁位降的数值;另一方面.由于铁内磁密增大而 使磁路饱和程度增加.这样，对于育流电机和同步电机，会因励磁磁势增大而引起 励磁绕组用铜量与励磁损耗增加，效率降低;在冷却条件不变吋使励磁绕组温升 增高还会因为励磁绕组体积过大而使布置发生困难（内极式电机）或导致磁极与 电机外形尺寸加大（外极式电机）对于感应电机，会因励磁电流增加而使功率因 数变坏. 影响电气参数与电机特性，随着bg的增大，绕组电抗的标麽值将 减小，从而影响电机的起动特性和运行特性.3. 3. 2. 3电机所用的材料与绝缘结构的等级也直接影响电磁负荷的选择所用绝缘结构的耐热等级越高，电机允许的温升也越

18、高.电磁负荷可选高些; 导磁材料（包括兼起磁路作用的某些结构部件的材料）性能越好，允许选用的磁密 也越高，电枢绕组釆用铝线时，由于其电阻率较大,为保证足够的安全放空间以 免电损耗过大，往往采用比铜线时较低的电磁负荷.3. 3.2.4 a, bg的选择和电机的功率及转速有关确切地说是与电枢直径（或极距）及转子的园周速度有关园周速度较高的 电机其转子与气隙中泠却介质的相对速度较大，因而泠却条件有所改善，a, bg 可选取得大些.电枢直径（或极距）越小，所选取的a和b g也应越小.3. 3. 2. 5 a, bg的选择和电枢槽的关系在内电枢的电机（如直流电机）中，电枢直径越小，则在平行槽壁时，为保

19、证一定的槽空间.齿根将越窄;在平行齿壁时，为保证一定的齿截面积，槽尺寸将 受限制因此，当电机功率较小时（通常直径也越小），若为平行槽壁，则b g的数 值将因受齿根磁密限制而不能取得过高，因为通常齿部磁密最人值有一定限制， 超过此值後，励磁电流和铁耗将迅速增加；同时，还因齿根磁密的限制而使槽不能 太深,从而限制了槽空间的大小和线负荷a的数值若为平行齿槽则在齿距齿宽 和槽深一定的情况下，直径小的电机中，槽的空间比直径大的电机要小,a也就选 得较小.3. 3. 2. 6电枢的外径和线负荷，电磁负荷间的关如图:对绝缘等级较高的电机，在不影响电机的换向的情况下，可高於图异曲线 值约 10%20%电机线负

20、荷与电枢直径的关系:ooo1002003004气隙磁密与电枢直径的关系:da (cm)102030405060 603. 4直流电机换向器的计算3.4.1换向器直径的计算dc= (0. 50 9)02d2电枢直径de的选取应考虑换向器表面圆周速度不大于50m/s.即vc 二 p*dc*nn*102/6(k (5055)m/s3.4. 2换向片数kk 二(1-3)q微型电机取k二q3.4. 3换向片宽bebc=tc-s c (cm)tc=兀 *dc/k5 c=0. 40 5 (mm)3.4. 4换向器长度一般电机 lc=lb+ 仃、2. 5) cmlb电刷长度(cm)4. 直流电机用电刷4. 1

21、屯刷截面积sb 二 2*in/p*zb (cm2)式屮ab-一电流密度，当采用金属石墨电刷时ab可取为1520a/cn?4.2电刷宽度bb二(广2.5)tc (cm)在少槽电机中为了限制换向区宽度bb<tc控制 bbo. 20. 25 t c t c 为换向器极距 t c二 n *dc/p电刷长度lb=sb/bb4. 3电刷材料电刷材料一般有三种:石墨电刷，电化石墨电刷，金属石墨电刷4. 3. 1石墨电刷这种电刷适用于换向条件正常，负载均匀的电机.4. 3. 2电化石墨电刷这种电刷耐磨性良好易于加工，适用于广泛场合.4. 3. 3金属石墨电刷这种电刷具有良好的导屯性，电刷与换向器的接触压

22、降小，适用于低 电压电机，常用于un<12v电机屮.由于电刷材质与电机性能和电机换向有很大的关系，所以在选用电刷时一 定要小心.5. 永磁直流微型电机噪音分类及产生部位5. 1机械噪音5.1.1转子不平衡振动5. 1.2转子轴向窜动5. 1. 3电刷与换向器或滑环之间摩擦噪声5. 14轴承噪声或轴承不良5. 1. 5定子与转子加工精度差,不同轴度超差5. 1.6装配不良5. 2电磁噪音产生原因5.2. 1.低频主波噪音5. 2. 2齿谐波及高次谐波噪音5. 2. 3定子磁极位置不对称或两块磁瓦性能不一致5. 2. 4直槽转子径向磁力过大5. 2. 5转子两端调整垫圈分布不当，轴向磁场分力

23、过大.5. 2. 6机壳表而辐射或共振5. 3空气动力噪音5. 3. 1齿槽哑铃声5. 3. 2气流道哨声5. 3.4.自冷风扇涡流声（小电机不存在）6. 永磁屯动机的转矩脉动和低速平稳性在某些场合，常要求电动机在低速时输出较大的转矩，且运行平稳，影响 它的因素是转矩脉动1换向引起的转矩脉动2.齿槽效应引起的脉动.6. 1为了减小换向引起的转矩脉动，主要在结构上采取措施：6. 1. 1采用多槽6. 1. 2增加元作数和换向片数6. 1.3使电刷的宽度减小6.1.4电枢绕组采用单波绕组（多极电机）6. 2对於由电枢齿槽引起的转矩脉动,可采取下列措施加以改善：6. 2. 1尽可增加电枢槽数，适当加

24、大电动机气隙，以降低气隙磁阴不 均匀度，减小由此产生转矩脉动6. 2. 2减小槽口宽度，采用磁性槽楔，以减磁阻的变化，削弱磁阻转矩.6. 2. 3用奇数槽，削弱电转动时引起的电动机磁场场的波，动减小的转动.6. 2. 4釆用斜槽.以削弱消或削除齿谐波磁场所引起的转矩脉动7.直流电机的换向7. 1改善直流电机换向的方法7. 1. 1移刷：发电机应顺转向移刷.电动机应逆转向移刷.采用移 刷换向相时,换向区内的气隙磁场将随电枢电流的增加而减弱某一刷位只能在 某一特定负载的情况下，才能获得较好的换向.7. 1. 2采用适合性能z换向极的光洁度7.1. 3选用接触电降较大，特别是伏安性陡的电刷，可以有效

25、地改善 换向对额定电压较向的电机使用.7.1.4采用偏心气隙空气隙由主极中心线两侧逐渐大，使电枢 磁动势较大处相应具有较大的气隙，可降低由电枢反应所引起的磁场畸变程度, 使片间电压最大值减小.7.1.5采用极尖削角的方法&直流电机的工作特性8. 1起动力矩tst 二 km*ini(牛米)式中：km=(0. 16*p*n* )/a（牛.米/安）lm=(un-aukb)/r2 c)（安）e气隙磁通 n电枢总导体数aukb电刷电压降一般取0. 52.0v&加o 根据电枢线径选择电枢转子电阻电枢转子电阻和电枢线径间的关系:铜铝线标称 直径（毫米）漆包线肓流电阻（欧/米）20。c铜铝线标

26、称肓 径（毫米）漆包线直流电阻（欧/ 米）20。c铜铝铜铝0. 1002. 4663. 9930.5300. 082310. 13310. 1102.0193. 2680.5600. 073570. 11910. 1201.6382. 7240. 6000. 063940. 10350. 1301.4242.0360.6300. 057900. 093740. 1401. 2211.9970. 6700. 051090. 082720. 1501.0591. 7140. 6900. 048130.077930. 1600. 92641.5000.7100. 046080.074600. 1700.81751.3320. 7500. 041200. 066700. 1800. 72671. 1170. 7700.039040.063210. 1900. 65031.0530. 800. 036120. 058470. 2000. 58530.94760. 8300.033510. 054250.2100. 52960.80380. 8500. 031920.051680. 2300.