永磁直流电动机开发培训资料二讲解

1,培 训 内 容 电机开发应掌握的九大核心技术 永磁直流电动机的设计依据 基础知识 3.1 直流电动机的工作原理 3.2 永磁直流电动机的结构 永磁直流电动机的基本方程 永磁直流电动机的工作特性 永磁直流电动机的电枢绕组和电枢反应 永磁直流电动机的材料 7.1 电磁材料 7.2 绝缘材料 7.3 结构材料 永磁直流电动机的磁路设计与计算 永磁直流电动机的磁场分析 永磁直流电动机的齿槽转矩,2,培 训 内 容 11 永磁直流电动机的电磁设计 11.1 永磁直流电动机的设计特点 11.2 主要尺寸的确定 11.3 永磁体尺寸的确定 11.4 电枢冲片的设计 11.5 换向器和电刷 11.6 换向条件的校核 永磁直流电动机电磁计算程序和实例 利用ANSOFT MAXWELL软件进行永磁直流电动机电磁计 算和仿真实例 14 永磁直流电动机的电路和EMC设计 永磁直流电动机的机械设计、计算、分析和仿真 16 永磁直流电动机的制造工艺 17 设计和工艺的薄弱点及采取的措施 17.1 电机振动和噪声 18 永磁直流电动机开发技巧 18.1 电磁计算技巧一 19 综合实例：汽车玻璃升降器电机开发指导书 20 练习题 (.练习题三 练习题四 .),上堂课主要内容回顾：,6 永磁直流电动机的电枢绕组和电枢反应,6.1 直流电机的电枢绕组,6.1.1 概述,电枢绕组是直流电机的一个重要部分，直流电机的转子也称为电枢。当电枢绕组中有电流流过时，会产生电枢磁动势，它与气隙磁场相互作用，又产生电磁转矩。当电枢在磁场中旋转时，电枢绕组中会感应电动势。电动势与电流相互作用，吸收或放出电磁功率。电磁转矩与转子转速相互作用，吸收或放出机械功率。二者同时存在，构成电磁能量与机械能量的相互转换，完成直流电机的基本功能。,由上分析可知，电枢绕组在直流电机中起着重要的作用。电机中能量的变换就是通过电枢绕组而实现的。而电枢绕组的结构对电机基本参数和性能都有影响，因此对电枢绕组提出了一定的要求，这就是在允许通过规定的电流和产生足够的电动势的前提下，尽可能地节省材料并且要结构简单、运行可靠。,根据不同的联结方法，电枢绕组可分为：（1）单波绕组；（2）单叠绕组；（3）复波绕组；（4）复叠绕组；（5）混合绕组等。它们的主要差别在于从电刷外看进去，电枢绕组联结成了不同数目的并联支路，以满足不同额定电压和电流的要求，其中的单波绕组和单叠绕组是两种基本的型式。,电枢绕组虽然有不同类型，但在结构上有共同的特点：它们都是由结构形状相同的绕组元件按一定的规律联结而成。,元件：构成绕组的线圈称为绕组元件（简称元件）。一台电机电枢的总元件数用S表示。每一元件有两个放在槽中能切割磁通感生电动势的有效边称元件边。元件在槽外的部分不切割磁通，不感生电动势，称为端部。元件分单匝元件和多匝元件两种，前者的元件边只有一根导体，后者元件边则有多根导体串联绕制而成，元件匝数以 表示。,元件的首末端：每一个元件（线圈）均引出两端与不同的换向片相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。,6.1.2 直流电枢绕组基本知识,元件的上下层边：元件被嵌放在电枢铁心的槽内，它的一个元件边被放在槽的上层，称上层边，另一边被嵌放在另一槽的下层，称下层边。,绕组的各元件之间通过换向片相互联结起来，这样就必须在同一换向片上，既连有一个元件的首端，又连有另一元件的尾端，使整个电枢绕组的元件数S和换向片数K相等，即S=K。 若同一槽上下二层放置了不同元件的有效边，而一个元件也只有两个边，这样电枢的槽数Q就应该等于元件数S，即Q=S=K。 但在实际的电机中，为了提高槽的利用率和制造工艺简单起见，常常在槽的上下层嵌放多个元件边。为了确切说明每一个元件边所处的具体位置，引入虚槽的概念，如果槽内上层有u个元件边，每个实际槽就包含u个虚槽。所以电机的实槽数Q和虚槽数 有如下关系： 。 而电机的虚槽数应等于元件数，亦等于换向片数，即,为了正确地把绕组嵌放在槽内并与换向片相联结，首先应了解电枢和换向器上各种绕组元件的节距。 节距相关的两个元件边之间的距离，通常以所跨过的槽数或换向片数来表示，如下图：,极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用 表示。,t,第一节距 ：同一个元件的两个有效边之间的距离，以虚槽数来计算。为了使元件感应出最大电动势，就要使 等于一个极距 。,t,其中p是电机的极对数。满足 的元件称 为整距元件。,在 不是整数时，由于 必须是一个整数，则应该取与 相近的一个整数，即,其中 是使 凑成整数的一个分数。当 时，称为 短距元件。当 时，称为长距元件。,由于叠绕组元件短距时的端部长度比长距时的短，因此，在既可长距又可短距的情况下，通常取短距。,叠绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。,波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串联起来，象波浪式的前进。,换向节距 ：同一元件首末端连接的换向片之间的距离，以换向片数表示。 的大小应使串接元件的电动势方向一致，以免方向相反相互抵消。,第二节距 ：连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的下层边与第二个元件的上层边间的距离，以虚槽数计算。,合成节距 ：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离，以虚槽数计算。y与 的关系为：,6.1.3 单叠绕组,单叠绕组的特点是：相邻元件(线圈)相互叠压,合成节距与换向节距均为1,即： 。,在本节及下节单波绕组中，均先介绍表述绕组联结规律的节距、绕组展开图、元件联结图和并联支路图。这四个方面是分析直流电机电枢绕组的基本方法，彼此互相关联。,下面用一台 的直流电机作例子，构成单叠绕组。,绕组的节距 y和 是正数，表示是向由的跨距， 是负数，表示是向左的跨距， 为1，表示是单叠绕组，取正数表示元件联结顺序是从左向右，构成一个右行绕组。若 取-1，则联成一个左行绕组，但一般不用。,2. 单叠绕组的展开图,单叠绕组的展开图是把放在铁心槽里、构成绕组的所有元件取出来展开画在一张平面图里，展示元件相互间的电气连接关系及主磁极、换向片、电刷间的相对位置关系。用展开图可清楚表示各元件如何通过换向片联结成绕组。 下页图中标出了换向片号及放置元件的虚槽号，为方便起见，通常将虚槽画成为沿电枢表面均匀分布，虚槽中的上层元件边用实线表示，下层边用虚线表示，元件边上下的斜线表示端部。图中画出了某一瞬间各磁极的位置，这些磁极在圆周上的位置彼此相距一个极距而均匀分布，每极的宽度也是相等的。由于电枢是旋转的，磁极相对各元件的位置不断变动，画图时可以自由选定。我们可以找出对称的位置，画起来比较方便。电刷在换向器圆周上的位置也必须是对称的，其宽度可取为等于或小于一个换向片宽。,单叠绕组的展开图,思考： 为什么有些元件没画电流？,电刷位置相对磁极位置有一定的关系，不能随意放置。在对称元件的情况下，一般应将电刷的中心线对准磁极中心线，这时被电刷所短路的元件中感应电动势是最小的，因为元件的两个有效边这时差不多处在两个磁极之间的位置上，它们的感应电动势接近为零。这种情况也能使得正负电刷间获得最大感应电动势。 图中所表示的磁极是在电枢表面的上边。因此N极的磁力线在气隙中的方向是离读者进入纸面。当知道了电枢的旋转方向后，可以根据右手定则决定各元件边中感应电动势的方向，如元件上的箭头所示，顺着各串联元件中电动势的方向，可以定出各电刷的极性。由上页图中可以看出，电枢向左旋转时，位于N极下的电刷为正极性。 还可知道，当电刷在图示位置时，相邻电刷间串联各元件的电动势都是相加的，因此电刷间的感应电动势最大。假如电刷不对准磁极中心线，而是移到其他位置上，正负电刷的电动势将会减小。,单叠绕组的元件联结次序,由上上页图中的节距，可以直接看出绕组各元件之间是如何联结起来的。第1虚槽的上层元件边经过 接到第5虚槽的下层元件边，形成第1个元件。它的首端和尾端分别接到第1和第2个换向片。第5虚槽的下层元件边经过 接到第2虚槽的上层元件边，这样与第2个元件联结起来。以此类推，从左到右把各个元件依次联结起来。各元件的联结关系可以用下图来表示。数字表示元件边所在的虚槽号，上层的数字还表示元件的号数。从第1元件开始，绕电枢一周，将全部元件边都联了起来，重又回到起始点1。可见单叠绕组自成一个闭合回路。,4. 单叠绕组的并联支路电路图,单叠绕组的的特点：,1）同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极数与支路数相同，即a=p。当电枢旋转时，电刷位置不动，并联支路图中的整个电枢绕组在移动，每个元件不断地顺次移到它前面一个元件的位置上，但总的支路情况不变。,2）电刷位置应使感应电动势最大，电刷间电动势等于并联支路电动势。,3）电枢电流等于各支路电流之和。,思考：采用单叠绕组时电刷可以省略吗？,由单叠绕组的展开图可以画出如下所示的并联支路电路图:,4极10槽单叠绕组,6.1.4 单波绕组,1. 单波绕组的节距,单波绕组元件第一节距 的决定原则与单叠绕组是一样的，区别是在换向器节距 上。应使两个串联元件放在相同极性的磁极下差不多相对应的位置上，空间位置相距约两个极距，这两个元件感应电动势的方向相同，可以把它们串联在一个支路中。其次，沿电枢圆周向一个方向绕一周经过了p个串联的元件以后，其末尾所联的换向片必须落在与起始的换向片相邻的位置，才能使第二周继续往下联结，即应满足 因此，单波绕组元件的换向器节距,式中正负号的选择，首先要满足 是一个整数。当取负号时，绕组联结成为左行绕组，取正号时，可得右行绕组。在取正负号都能得到整数的 时，一般都取负号，这时端接可稍微短些。由上式可以看出，两个相串联的元件，虽然处在相同极性的磁极下面，但它们在磁场中的相对位置，实际上是不相同的。这时因为，这两个元件之间相距的虚槽数为 其大小不等于两倍极距 ，而是相差一个数值 。就是说， 相串联的两个元件在磁场中的位置有一个相对位移，等于 个虚槽数。这个场移现象在波绕组中是必然有的。,下页图是一个4极单波绕组的展开图，它的数据如下：,2. 单波绕组的展开图,图中磁极、电刷位置以及电刷极性判断均与单叠绕组中相同。,单波绕组的展开图,试画出 的展开图,上页图的绕组，按照它的节距，列出元件联结次序表，如下图所示：,3. 单波绕组的元件联结次序,4. 单波绕组的并联支路图,上页图的绕组，按照元件串联的顺序及短路的元件，可以画出单波绕组的并联支路如下页图所示。由图可以看出，单波绕组把所有N极下面的元件全部串联起来组成一个支路；再把所有S极下面的元件串联起来组成另一个支路。它也是一个闭合绕组，通过电刷与外部产生联系，它的支路对数与极对数多少无关，总是a=1。,单波绕组的并联支路图:,则支路对数仍为1。即使两支路的串联元件数不相等，但由于电动势相差很小，同时这种元件数不等的现象是轮番交替的；即一会儿上一支路多一元件；一会儿下一支路多一元件，频率甚高。因此，对支路电流的平衡分布也没什么影响。但是，由于电刷下的平均电流密度有一定的限制，当电刷减少后，为了要通过同样的电流，剩下的电刷必须增加其与换向器间的接触面积，从而将增加电机换向器的轴向尺寸。因此，单波绕组一般仍装全额电刷，即电刷组数等于极数。,由左图还可看到，单波绕组如不采用全额电刷，对支路情况并无影响。例如，在上图中，少去电刷 ，,单波绕组的特点,1）同极性下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为1，与磁极对数无关；,2）当元件的几何形状对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线，支路