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串激电机设计
串激电机设计
第一章概述
1-1单相串激电机设计进展
1.单相串激电机的设计研究概述:
为适应电动工具以及小型家用电器之应用需要,串激电机设计得到了长足进步。
2.电磁设计上的进展:
据估计每隔十年,单位重量出力提高20%~30%,可归纳如下:
(1)提高电机转速;
(2)增大转子直径,提高定子/转子外径比D2D1。
由0.52~0.56提高到0.54~0.59,
使定转子温升趋于平衡;
(3)采用深槽定子,得益于采用了自动绕线机,可以采用较大的转子外经并缩短定
子匝长。
可提高电机效率10%~20%;
(4)提高电磁密度,适当提高激磁安匝。
可以缩小结构尺寸,有利换向,提高电机
硬度;
(5)减少冲片规格,提高通用性。
降低成本,适应自动化批量生产;
1-2单向串激电机的设计要求
1.电机设计的基本要求
(1)功率要求,适当选取功率,综合平衡效率、温升、及体积之要求;
(2)效率和攻率因数的要求;
(3)其它额定指标,包括启动转矩,最小转矩,最大转矩等;2.单相串激电机的设计特点及要求
(1)额定工作点,额定输出转矩时电机应不低于额定转速;
(2)控制换向火花,因换向无法计算,故要求严格控制火花相关的各设计参数;(3)其它设计要求;
第二章主要尺寸及电磁参数选取
1.主要尺寸D1,D2及L
2-1主要要尺寸及电磁负荷2
确定电机主要尺寸,一般从计算D2L入手:
Pi×6×2×104
DL=
αBδAn
22
(cm)
3
α——极弧系数,取0.6~0.7
Bδ
———
,可有后式估算Pi——电磁内功率(即通常所说的电磁功率)
气隙磁密(T),可按(图1—2)选取
n——转速(r/min)
A——线负荷(A/cm),可按(图1—2)选取
后述。
转速n越大,电机尺寸也越小,电机转速同样受到机械,换向等因素的制约。
在此处,可用额定转速代入式中作计算。
电磁功率Pi为通过气隙磁场,从定子侧传递到转子的功率可用下面经验公式计算:
从上式看出,ABδ取值越大,电机尺寸越小,但ABδ取值受其他因素制约,详见
⎛1+η⎞
Pi=PH⎜⎜2η⎟⎟
⎝⎠
当η≤0.5
⎛4+5η⎞
Pi=PH⎜⎜9η⎟⎟
⎝⎠
当η>0.5
上式中pH为输出功率,可按额定输出功率带入计算。
η为电机效率,可按额定效率代入计
算,当需要计算者确定时,可按(图1—1)选取,此为当前生产连续定额E,B级绝缘的平
均效率曲线。
效率η
[***********]
40
[***********][***********][***********]00
(图1—1)效率与额定输出功率之关系
输出功率PH(W)
生的要求,同时考虑合适的长径比LD,通常为0.5~1.5之间。
较大的值使电机细长,铜利用率较高,但是制造工艺性较差,绕组挠度大,冷却差,漏抗大换向不利。
确定D后可
以方便的确定铁心叠长L。
DD的比值可在0.54~0.59之间选取,较大值适合于深槽转子,从而确定定子外径D。
B2.线负荷A及气隙磁密电枢线负荷A表示电枢外径圆周单位长度上的安匝,A越大则尺寸越小,铜耗增大,
对于短时运行定额的电机或采用耐热等级更高绝缘的电机,效率值应下降。
2
确定D2L后,接着可确定电枢冲片的D2值,应综合考虑电机使用条件,通用性及派
2
2
2
1
1
δ
线匝增多而导致换向恶化。
因此
2
A增大是有限制的。
A可取小,反之亦然。
但
从8-1式来看,D2L一定时,ABδ也是定值,Bδ取得大则
二者取值都是受其他因素制约的,初步设计时可参照(图1—2)选取,该曲线是用于连续负载E,B级绝缘单相串激电机,对于短时定额可适当提高
A=100~145(A/cm)
Bδ=0.35~0.55(T)
2-2磁路参数选取
1.定转子安匝比和铁心各部分磁密定转子匝比
8W1
是一个重要的磁路控制参数,W1为一个极的定子线圈匝数,N为电枢
总导体数,匝比大小表示定、转子磁场的相对强弱情况,其值对电机性能、换向情况、机械特性硬度以及损耗效率都有影响,简单分析如下:
匝比大,定子主磁场强,电枢相对弱,则磁场畸变小,有利换向。
匝比大,定子主磁场强,磁路饱和度高,利于稳定转速,提高机械硬度。
匝比大,铜耗增大,温升增高,效率下降,定子电抗增大而功率因数降低。
实际上,匝比应维持合理范围,过大没有意义。
当磁场足够饱和时,在增加定子激磁安
匝,定子磁场不会明显增强,因而失去了积极方面的意义,反倒使铜耗增加了。
定转子安匝比推荐范围为0.85~1.3。
功率小取大值,功率大(400W以上)取较小的值。
磁路的饱和程度是由铁心各部分磁密大小来决定的,由于结构的需要,各部分磁密不同。
正常设计的电机,各部分磁密范围一般如下:
定子极身磁密Bp0.6~0.9(T)
1.0~1.4(T)深槽定子定子轭部磁密Bc11.6~1.75(T)电枢轭部磁密Bc21.35~1.65(T)
A(A/cm)
Bδ(T×10-2)
电枢齿部磁密Bt1.65~1.8(T)
2.极弧系数α和气隙长度δ
极弧系数α是极弧长度和极距的比值。
极弧系数越大,电机尺寸越小。
但极弧系数过大则影响到换向区域,对火花不利。
当定子磁势为矩形波时,从傅丽叶级数分析,可看出各分量谐波随α值的变化情况(图1-3)。
从图可见,当α为0.667时,3次分量为0(见图1-3),所以一般α取0.667~0.7,若气隙采用不均匀设计时,α可放大。
气隙长度δ也是磁路重要参数,气隙中所分担的激磁磁势占全部激磁磁势的40%~50%。
δ越长,磁势消耗越多,使定子绕组匝数增多,铜耗增加,并因定子电感增大,而使功率
δ增大也有好处,因数下降。
可减弱电枢反应,
有利换向,并且也减弱齿槽效应,降低损耗,弱化定转子偏心带来不利的影响。
单相串激电机δ通常取为0.3mm~0.9mm,小电机取较小值。
选用计算式如下:
[***********]100908070
图1-2
PH/n(W/r/min)
基波%值
[1**********]00-10-20-30-40-50-60
图1-3
极弧系数α
τ.A−−4
δ=0.⋅10
Bδ
(cm)
90
100
[1**********]
20
30
40
50
70
80
10
60
60
τ=
2
2
极距(cm)
A,Bδ可按图
e=
1-2选取为了改善换向,可采用非均匀气隙。
非均匀气隙通过极弧偏心
(cm)
来实现(如图1-4)。
其偏心量由下式计算:
1−cos
δ2−δ1
2
不均匀气隙的等效气隙按下式计算
δ'=
Kδ=
2Kδ
δ1
Kδ+1
(cm)
δ2
δ1
δ1
图1-4不均匀气隙示意图2-3绕组温升控制
电机绕组温升都有限制的规定,它是按照所使用的绝缘材料的耐热等级和使用寿命的需要而制定的。
通过热计算来控制温升,则计算反复且正确性差,所以工程上通过控制和绕组温升相关的参数来间接控制温升,实践证明是合理可行的。
1.限制AΔ2值来控制电枢绕组温升电枢绕组铜耗直接影响电机发热,所以线负荷A和电流密度Δ2的乘积可以用来控制绕组温升。
为了控制温升不超过某一数值,只需控制AΔ2值不超过某一值即可。
为了给电磁设计提供合理的AΔ2值,应按照电机主要尺寸来计算AΔ2的限制。
下式是计算AΔ2值的经验公式:
2
AΔ2=KAD2Ln⋅10−4
(
AA
)⋅2
cmmm
D2单位(cm)
其中系数KA可根据额定输出功率PH从图1-5中选取,此曲线适用于连续运行定额温升不超过70K扇冷结构电机。
应该指出,在实际工程中,温升控制参数宜低于限值并留有裕度,以适应批量生产中的离散性。
2.限制Ir1的数值以控制定子绕组温升
直接影响定子温升的因素是定子铜耗Ir是定子电阻。
因此只要控1,I是电机主电流,r1
制定子铜耗就能控制定子温升。
定子绕组温升往往低于转子温升,这是正常的,是由电机结构和散热特点所决定的。
但二者不可相差过大,否则说明材料利用不合理。
同样可用电机主要尺寸来计算定子铜耗的限值,计算式如下:
2
I2r1=KSD2Ln⋅10−4
n值单位(r/min)
L单位(cm)
2
2
(W)
系数KS可根据定子外径D1从图1-6选取。
此曲线适用于连续运行定额及温升不超过60K扇冷结构电机。
家用电器及电动工具用串激电机设计----2002.2
第三章单相串激电动机的电磁设计程序
3-1校算分析程序、设计综合程序和优化设计程序
目前,常用的各种电机设计程序,多数校算分析程序。
电机设计计算变量繁多,且约束
不够,因而只能做出一系列假设,在一定的假设下计算出一套结果,再返回去和假设条件比较,看是否相符。
如果相符,则结果可信,反之需要重新调整假设,再次计算。
如此循环,逐渐逼近,最终得到正确答案。
校算分析程序存在多解情况,因而,设计者经验对设计结果存在很大影响。
3-2单相串激电动机电磁设计程序
1.程序简介
本程序主要用于输出功率为60-1200W、负载转速为6000-18000r/min的单相串激电机的设计计算。
经实际使用验证,具有较高的计算正确性,但超出适用范围使用时,计算正确性会受到一定影响。
本程序属于校算分析程序,设计者经对设计方案的优劣会有影响。
本程序在步骤安排上,已考虑了尽可能减少计算上的反复,为此首先计算出转子,从而推算磁通,然后进行磁路计算,损耗计算,端电压校算,功率因数校算,功率校算。
具体的设计计算方法及详细说明在程序中介绍。
2.电磁设计程序额定数据
1额定输出功率
(W)PH=
2额定转速
(r/min)nH=
3额定输出转矩
(N.m)MH=
(MH
=
9.56PH
)nH
4额定电压
(V)UH=
5额定频率
(HZ)fH=
6额定效率
ηH=
7额定功率因数
cosϕH=
额定数据是对计算任务所提出的要求,电磁计算的最终结果,就是在保证达到额定数据要求的前提下,确定定转子绕组及有关的结构参数。
结构参数(参见图2-1)
图2-1
1定子外径
D1=2定子内径
D12=3转子外径
(cm)(cm)
D2=4转子内径
D22=5铁芯长度
(cm)(cm)(cm)(cm)
L=
6气隙长度
δ=7定子极宽
bp=
8定子极高
(cm)(cm)
(cm)
hp=
9定子轭高
hc1=
(如非平行轭,he1取靠近最狭处的13处的轭高)10定子槽宽
H'=(cm)11转子槽口宽度
b0=
(cm)
12转子槽上部宽
(cm)b1=
13转子槽口高度
h0=
(cm)
14转子槽楔厚度
h=(cm)15转子槽上部深
(cm)h1=
16转子槽芯深度
(cm)h2=
17转子槽底半径
R=(cm)18转子齿宽
t=(cm)
(对非平行齿,t取靠近最狭处的13处的轭高)19转子槽数
z=
20换向器外径
Dc=
(cm)
21换向器片数
K=22电刷长度
ab=
23电刷宽度
(cm)(cm)
bb=
结构参数是根据上章所述的设计原则以及运用几何、三角的计算公式而提出的,通过电
磁计算,结合绕组参数的设计,最后确定结构参数。
在电磁计算过程中,发现已提出的结构参数不能符合原先设想的设计原则,不能保证额定数据的要求时,则要修改原先提出的结构参数,如修改定、转子槽形,放长铁芯等等。
结构参数也可能由于通用化的要求而提出的,如需要通用定转子冲片,此时,在电磁计算中,不允许改变冲片的任何尺寸,只能改变铁芯长度来满足额定数据的要求。
计算
1负载电流
I=
PH
UHηHcosϕH
(A)
2转子绕组线规
d2'd2
(mm/mm)
d2'绝缘导线外径d2铜线直径
(结合下步要计算的电流密度Δ2和槽满率fs的设计要求,按计算程序附表一可初步选定绕组导线线规。
)
3转子导线截面
2
(mm)S2=
4转子绕组电密
IΔ2=
2S2
(A/mm)
2
5转子线负荷
A=(A/cm)(按对A⋅Δ2设计要求算得)6转子总导体数
2πD2A
N=
I
7转子每槽导体数
NS=
N
z
8转子槽满率
NSd2'2⋅10−2
fs=2
2b1+2R−2Δh1−h−2Δ+1.57R−Δ为槽绝缘厚度+间隙一层槽绝缘间隙为0.005
Δ
(cm)
(fs应不大于0.76,如用自动绕线机绕制则不宜大于0.65)9转子绕组平均半匝长
l2=L+KeD2
(cm)
Ke=0.95(当D2小于4cm)Ke=1(当D2大于4cm)
10转子绕组电阻
r2=
N5.35Nl2
⋅10−5
S2
(Ω)
11损耗比例系数
⎞⎛2.3I2r2+2.4I
⎟⎜ηH0.034+⎟⎜PH⎠a=⎝
1−ηH
(此a数值仅用于初算Pi)12内功率(电磁功率)
Pi=
PH
ηH
[1−a(1−ηH)]
(W)
13旋转电势
E=
Pi
I
(V)
14电机常数
2D2LnH
C=
Pi
15极距
τ=
πD2
2
(cm)
16极弧系数
α=17计算极距
τ0=ατ
18实槽节距
ys=
z
−ε2
19短距系数
⎛y⎞
Kp=sin⎜s⋅180D⎟
⎝z⎠
20磁通
(cm)
φd=
602E
KpnHN
KK−⋅ε2z
(Wb)
21虚槽节距
y1=
22前节距
y2=y1−123换向器线速度
πDcnH
vc=⋅10−2
60
24转子线速度
πD2nH
⋅10−2va=
60
25换向器片距
πDc
tc=K
26换向区域宽度
(m/s)
(cm)
(cm)
K⎛⎞
bc=bb'+⎜Uz+−y1−1⎟tc'(cm)
2⎝⎠
Uz=
K
z
D2
DcDtc'=tc2
Dcbb'=bb
1.2τ−τ0核算bc<
27电刷电密
()
Δb=
I
abbb
πD2
Z
(A/cm)
2
28转子齿距
tm=
29转子外齿宽
30转子槽宽
π(D2−2h0−h1)ts=−t平行齿
z
s
2
1
(cm)4⎞⎛t=π⎜D−2h−h⎟−t非平行齿(cm)3⎝⎠31转子槽形系数tK=
0.96t32转子单位漏磁导s
s
t1=tm−b0
(cm)
λ=
πt1.2h2D
+Ke2+0.92logm
b1+2RLb0
N
2K
33转子每元件匝数
W2=
34换向元件中电抗电势
ex=2W2LλAva⋅10−6
35换向元件中变压器电势
(V)(V)
et=4.44fHW2φd
ea=
36换向元件中电枢反应电势
0.8πW2AτLva
⋅10−6
τ−τ0
(V)
37转子轭高
hc2=
D2−(2h2+ψD22)1
+R(cm)
23
ψ=1(转轴复有绝缘层)
ψ=56(转轴不复绝缘层)
38定子轭部磁密
Bc1=
1.07φd
⋅104
1.92hc1L
(T)
39电枢轭部磁密
Bc2=
φd
1.92hc2L
⋅104
(T)
40定子极身磁密
Bp=
1.08φd
⋅104
0.96bpL
(T)
41气隙磁密
Bδ=
φd
⋅104τ0L
(T)
42电枢齿部磁密
Bt=
Bδtm
⋅1040.96t
(T)
43定子轭磁场强度
atc1=(按Bc1查设计程序附表二)
44定子极磁场强度
(A/cm)
atp=
(按Bp查设计程序附表二)45转子轭磁场强度atc2=
(按Bc2查设计程序附表三)46转子齿磁场强度
(A/cm)(A/cm)(A/cm)
atc=
1.8T时按31项槽形系数Ks查设计程序附表四)(按Bt查设计程序附表三。
当Bt>
47定子轭磁路长度
lc1=
lc2=
π(D1−hc1)−bp
2
(cm)
48转子轭磁路长度
π(ψD22+hc2)
2
(cm)
ψ=1(转轴复有绝缘层)
ψ=56(转轴不复绝缘层)
49转子齿磁路长度
2
lt=2h1+R
3
50气隙系数
(cm)
Kδ=
tm+10δ
t1+10δ
51气隙激磁磁势
ATδ=1.6BδKδδ⋅104
52定子轭激磁磁势
(A)(A)(A)(A)
(A)(A)
ATc1=atc1lc1
53定子极激磁磁势
ATp=2atphp
54转子轭激磁磁势
ATc2=atc2lc2
55转子齿激磁磁势
ATc=atclt
56借偏去磁磁势
ATβ=KβD2βA
Kβ=0.33(虚三槽电机)Kβ=0.625(虚两槽电机)
β电刷偏离几何中心线的角度,单位为弧度。
当采用接线借偏方式时,β按下式计算
β=
2πsβK
(弧度)
sβ为接线借偏片数
57换向增磁磁势
⎛bb⎞ATc=0.069⎜⎜t⎟⎟(ex+ea)WI
⎝c⎠
58电枢反应磁势
2
2x−y)τ0A
ATa=
3x+y
(A)
(A)
x,y
数值从过渡特性曲线Bδ=f⎜
⎛ATδ+ATt⎞
⎟中求得。
画曲线时,可用标幺值来2⎝⎠
画,以磁通为φd时的Bδ值,计算出此时的2(AT+ATt),以此作为计算标幺值时的基
δ
φd时的Bδ
利用画过渡特性曲线Bδ=f⎜
⎛ATδ+ATt⎞
⎟的方法来求得电枢反应安匝,这是常用的方2⎝⎠
法。
由于电枢反应,也即转子磁场的作用,使得定子极下一侧增磁,一侧去磁,同时由于磁路饱和的原因,增磁抵消不了去磁,从而使得总磁通量降低。
所以要增加一部分定子磁势,称为电枢反应磁势。
利用Bδ=f⎜
⎛AT+AT⎞
δ
t
⎝
2
⎟曲线来求取电枢反应磁势是有很多假设条件的,它假定转子
⎠
所产生的磁势,只影响气隙磁势和转子齿磁势。
实际上也影响定子轭与转子轭,尤其是当轭部磁密较高时,所以只考虑ATδ,ATt,是不够精确的。
画曲线时,发现甚至其标幺值(
τ0比值比较大,
τ0A
ATδ
+ATt)大于1,也是这个原因。
但经过较多设计案例与实样对比,
这个偏差对整体设计结果影响不大,故在此不做修正。
59总激磁安匝
AT=ATδ+ATc1+ATc2+ATt+ATp+ATβ+ATa−ATc
60定子每极匝数
W1=
AT
2.828I
(取整数)
61定子线圈线规
d1'
d1
(mm/mm)
d1'绝缘导线外径
d1铜线直径
(结合下步要计算的电流密度Δ1或定子铜耗的限值要求,核对定子线圈宽度bm在定子槽内安放的可能性,按设计计算程序附表一可初步选定导线线规。
)
62定子导线截面
2
(mm)s1=
63定子线圈电密
Δ1=
Is1
(A/mm)
2
64定转子安匝比
8W1
fw=N
65定子线圈线模宽
am=(10D12+Km)sin90D⋅α
()(mm)取整数
Km=3
Km=5
(当D12小于3cm)(当D12大于3cm)
(mm)
66定子线圈线模长
L
=10L+2r−2
'
ε'取0.05,当10.5ε'取0.03,当d1<
69定子线圈宽度
W+1'
d1+ε'bm=1
W'
(检验定子窗口能否安放)70定子线圈平均每匝长度
()
(mm)
l1=2(am+Lm−4r)+π(2r+bm)
r1=
4.28W1l1
⋅10−5s1
(mm)
71定子绕组电阻
(Ω)
72定子绕组电阻压降
Ur1=Ir1
73转子绕组电阻压降
Ur2=Ir2
74定子漏抗压降
(V)(V)
Ix1=0.5fHW1d
75转子漏抗压降
(V)
Ix2=
πfHN2λLI
2z
⋅10−8
(V)
76定子绕组自感电势
Ed=8.88fHW1φd
77电枢绕组自感电势
(V)
0.0472fHτLIN2α2Eq=⋅10−8
Kδδ
78定子轭部质量Wc1
(V)
=15.5(D1−hc1)hc1L⋅10−3
(kg)(kg)(kg)(kg)
79定子极身质量
Wp=14.8hpbpL⋅10−3
80转子轭部质量
2
Wc2=5.8(D2−h2)hc1L⋅10−3
81转子
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