永磁直流电动机开发培训资料一PPT学习教案

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1、会计学1永磁直流电动机开发培训资料一永磁直流电动机开发培训资料一2培培 训训 内内 容容1 电机开发应掌握的九大核心技术电机开发应掌握的九大核心技术2 永磁直流电动机的设计依据永磁直流电动机的设计依据3 基础知识基础知识 3.1 直流电动机的工作原理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结构4 永磁直流电动机的基本方程永磁直流电动机的基本方程5 永磁直流电动机的工作特性永磁直流电动机的工作特性6 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电枢绕组和电枢反应7 永磁直流电动机的材料永磁直流电动机的材料 7.1 电磁材料电磁材料 7.2 绝缘材料绝缘材料 7.3

2、 结构材料结构材料8 永磁直流电动机的磁路设计与计算永磁直流电动机的磁路设计与计算9 永磁直流电动机的磁场分析永磁直流电动机的磁场分析10 永磁直流电动机的齿槽转矩永磁直流电动机的齿槽转矩第1页/共69页3培培 训训 内内 容容11 永磁直流电动机的电磁设计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永磁直流电动机的设计特点 11.2 主要尺寸的确定主要尺寸的确定 11.3 永磁体尺寸的确定永磁体尺寸的确定 11.4 电枢冲片的设计电枢冲片的设计 11.5 换向器和电刷换向器和电刷 11.6 换向条件的校核换向条件的校核12 永磁直流电动机电磁计算程序和实例永磁直流电动机电磁计

3、算程序和实例13 利用利用ANSOFT MAXWELL软件进行永磁直流软件进行永磁直流 电动机电磁计算和仿真实例电动机电磁计算和仿真实例14 永磁直流电动机的电路和永磁直流电动机的电路和EMC设计设计15永磁直流电动机的永磁直流电动机的机械机械设计、零部件设计、设计、零部件设计、计算、计算、分析和仿真分析和仿真16 永磁直流电动机的制造工艺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设计和工艺的薄弱点及采取的措施 17.1 电机振动和噪声电机振动和噪声18 永磁直流电动机开发技巧永磁直流电动机开发技巧 18.1 电磁计算技巧一电磁计算技巧一19 19 综合实例：汽车玻璃升降器电

4、机开发指导书综合实例：汽车玻璃升降器电机开发指导书20 20 练习题练习题 ( (练习题一练习题一 练习题二练习题二 .).)第2页/共69页 强调电机设计能力、工程能力强调电机设计能力、工程能力；怎样设计电机；怎样设计电机，而不是只做样品而不是只做样品，即使即使这个样品能满足标准要求；要能对电机设计做这个样品能满足标准要求；要能对电机设计做工程计算和模拟工程计算和模拟( (仿真仿真) )。一、机械计算，包括：尺寸链计算和一、机械计算，包括：尺寸链计算和CPKCPK、材料选择（如怎样达到强度和温、材料选择（如怎样达到强度和温度的要求）等度的要求）等二、二、电磁计算，主要包括：磁通计算、转速和扭

5、矩计算等电磁计算，主要包括：磁通计算、转速和扭矩计算等三、三、电路和电路和EMCEMC设计设计四、四、机械分析和仿真，包括：有限元（强度）分析、塑料件注塑流变分析等机械分析和仿真，包括：有限元（强度）分析、塑料件注塑流变分析等五、电磁分析和仿真，包括：有限元分析、齿槽扭矩和纹波电流分析等五、电磁分析和仿真，包括：有限元分析、齿槽扭矩和纹波电流分析等六、六、工艺流程，包括检测和测试的所有系统工艺流程，包括检测和测试的所有系统七、七、设计和工艺的薄弱点及采取的措施设计和工艺的薄弱点及采取的措施（如某些结构的电机振动和噪声问题怎样解决）（如某些结构的电机振动和噪声问题怎样解决）八、相关的经验和教训八

6、、相关的经验和教训九、九、总结：将以上工程计算和模拟的结果以及所有总结：将以上工程计算和模拟的结果以及所有适用标准或性能以适用标准或性能以benchmark形式把以上形式把以上电机概念电机概念设计同设计同样品样品电机或类似电机进行对比电机或类似电机进行对比 第3页/共69页5Purpose:1.Enhance Design Standardization2.Improve Reliability of Product3.Ensure Design to Cost4.Be beneficial to administrateDevelopment Process第4页/共69页 一、一、永磁直流

7、电机的电磁设计是根据永磁直流电机的电磁设计是根据额定数据额定数据和和性能指标性能指标确定主要尺寸（电枢直径、电枢长度等）、永确定主要尺寸（电枢直径、电枢长度等）、永磁体尺寸、冲片尺寸、电枢绕组数据、换向器和电刷尺磁体尺寸、冲片尺寸、电枢绕组数据、换向器和电刷尺寸等，然后进行性能计算。若性能不满足要求，则调整寸等，然后进行性能计算。若性能不满足要求，则调整结构数据，重新进行性能计算，直至得到合格的设计方结构数据，重新进行性能计算，直至得到合格的设计方案。案。 额定数据：额定数据：额定功率、额定电压、额定转速额定功率、额定电压、额定转速等；等； 性能指标主要有：效率、温升和火花等级等，有性能指标主

8、要有：效率、温升和火花等级等，有时也可能给出时也可能给出起动转矩（堵转扭矩）、转速变化率起动转矩（堵转扭矩）、转速变化率等指等指标。标。 二、二、永磁直流电机的机械设计、电路及永磁直流电机的机械设计、电路及EMC设计设计和工艺设计的依据：和工艺设计的依据：相关标准相关标准。第5页/共69页 三、三、电机运行时，所有物理量与额定值相同电机运行时，所有物理量与额定值相同电机运行于电机运行于额定状态额定状态。电机的运行电流小于额定电。电机的运行电流小于额定电流流欠载运行欠载运行；运行电流大于额定电流；运行电流大于额定电流过载过载运行运行。长期欠载运行将造成电机浪费，而长期过载。长期欠载运行将造成电机

9、浪费，而长期过载运行会缩短电机的使用寿命。运行会缩短电机的使用寿命。电机最好运行于额定电机最好运行于额定状态或额定状态附近，此时电机的运行效率、工作状态或额定状态附近，此时电机的运行效率、工作性能等比较好性能等比较好。第6页/共69页客户经常给出如下设计依据：客户经常给出如下设计依据：在某测试环境下在某测试环境下的的堵转扭矩、最大电流和空载转速要求堵转扭矩、最大电流和空载转速要求第7页/共69页永磁直流电机典型特性曲线永磁直流电机典型特性曲线第8页/共69页3.1 直流电动机的工作原理（直流电动机的工作原理（1） 在介绍工作原理之前，在介绍工作原理之前， 我们先熟悉一下有关电磁现象的定律和法则

10、：我们先熟悉一下有关电磁现象的定律和法则：(A) 电动机为什么旋转？电动机为什么旋转？ 把通有电流的导体放置在磁场中，则作用在导体上的电磁力把通有电流的导体放置在磁场中，则作用在导体上的电磁力 F=BIL式中式中 F力（力（N）；）； B磁通密度（磁通密度（T； ）；）； I电流（电流（A）；）； L导体长度（导体长度（m）。）。该式表达了电动机的基本原理。该式表达了电动机的基本原理。2/mWb第9页/共69页3.1 直流电动机的工作原理（直流电动机的工作原理（2） 为了产生电磁力，必须同时存在电流和磁通。为了产生电磁力，必须同时存在电流和磁通。 在磁场中的带电导体之所以产生力，是由于磁通就像

11、拉紧的橡皮筋一样具有弹性，并力求通过最短距离，如下图：在磁场中的带电导体之所以产生力，是由于磁通就像拉紧的橡皮筋一样具有弹性，并力求通过最短距离，如下图：下图所示为用左手定则确定力的方向，电流、磁通和力三者互相垂直。下图所示为用左手定则确定力的方向，电流、磁通和力三者互相垂直。第10页/共69页3.1 直流电动机的工作原理（直流电动机的工作原理（3）(B) 佛莱明（英国）右手佛莱明（英国）右手 定则定则 向磁场内放置的导体施向磁场内放置的导体施加力，如果沿磁场正交的方加力，如果沿磁场正交的方向移动导体，在导体内向移动导体，在导体内就会就会产生感应电势产生感应电势。如果将导体。如果将导体短路，短

12、路，就会产生电流就会产生电流。伸开。伸开右手，使拇指与其余四指垂右手，使拇指与其余四指垂直，并在同一平面内，让磁直，并在同一平面内，让磁力线穿过掌心，让拇指指向力线穿过掌心，让拇指指向导体运动的方向，则导体运动的方向，则四指所四指所指的方向就是感应电动势的指的方向就是感应电动势的方向方向。第11页/共69页3.1 直流电动机的工作原理（直流电动机的工作原理（4）两条电流线之所以存在互作用力，是一条电流线产生的磁场，作用于另一条电流线的结果两条电流线之所以存在互作用力，是一条电流线产生的磁场，作用于另一条电流线的结果。(C) 法拉第（英国）电磁感应定律法拉第（英国）电磁感应定律 如果线圈中流过电

13、流，则在与线圈交链的方向上产生磁通，并且磁通与交链的线圈产生电动势。如果线圈中流过电流，则在与线圈交链的方向上产生磁通，并且磁通与交链的线圈产生电动势。(D) 毕奥毕奥-萨伐尔（法国）定律萨伐尔（法国）定律 电流周围产生磁场和这个电流之间的关系是：当匝数为电流周围产生磁场和这个电流之间的关系是：当匝数为N的线圈中流过的线圈中流过i(A)的电流时，则有的电流时，则有Ni=BL/=HL。式中的式中的B为磁感应强度为磁感应强度(T)， L为磁路长度为磁路长度(m)，为磁导率为磁导率(H/m)， H为磁场强度为磁场强度(A/m)。第12页/共69页3.1 直流电动机的工作原理（直流电动机的工作原理（5

14、）(E) 安培（法国）右手螺旋法则安培（法国）右手螺旋法则 (1) 通电直导线中的安培定则（安培定则一）：用右手握住通电直导线，让大拇指指向电流的方向，那么四指的指向就是磁感线的环绕方向；通电直导线中的安培定则（安培定则一）：用右手握住通电直导线，让大拇指指向电流的方向，那么四指的指向就是磁感线的环绕方向； (2) 通电螺线管中的安培定则（安培定则二）：用右手握住通电螺线管，使四指弯曲与电流方向一致，那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的通电螺线管中的安培定则（安培定则二）：用右手握住通电螺线管，使四指弯曲与电流方向一致，那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的N极。极。第13页/共69页3.1 直

15、流电动机的工作原理（直流电动机的工作原理（6）ab 在磁场作用下，在磁场作用下，N N极性下导体极性下导体abab受力方向从右向左受力方向从右向左，S S 极下导体极下导体cdcd受力方向从左向右受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，。当电磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋转电机转子逆时针方向旋转。第14页/共69页3.1 直流电动机的工作原理（直流电动机的工作原理（7）从以上分析可见，在直流电动机中，线圈中的从以上分析可见，在直流电动机中，线圈中的电流是交变的电流是交变的，但产生的，但产生的电磁转矩方向是恒定的电磁转

16、矩方向是恒定的。 ab第15页/共69页线圈始终逆时针方向旋转线圈始终逆时针方向旋转3.1 直流电动机直流电动机的工作原理（的工作原理（8） 实际直流电动实际直流电动机的电枢是机的电枢是根据实根据实际需要际需要有多个线圈。有多个线圈。线圈分布在电枢铁线圈分布在电枢铁心表面的不同位置，心表面的不同位置，按照一定的规律按照一定的规律连连接起来，构成电机接起来，构成电机的的电枢绕组电枢绕组。磁极。磁极也是根据需要也是根据需要N N、S S极交替旋转极交替旋转多对。多对。第16页/共69页3.1 直流电动机的工作原理（直流电动机的工作原理（9）这种同一台电机能作电动机或作这种同一台电机能作电动机或作发

17、电机运行的原理，在电机理论发电机运行的原理，在电机理论中称为可逆原理。中称为可逆原理。第17页/共69页19Head rest MotorRecliner MotorLift MotorSlide MotorLumbar MotorOil Pump MotorDEVELOPINGWindow Lift /SunroofSteering/Pedal AdjustorMotor ApplicationDEVELOPINGDEVELOPINGDEVELOPINGDEVELOPINGDEVELOPINGDEVELOPING第18页/共69页（A） 圆筒形磁极圆筒形磁极,径向磁路结构径向磁路结构 图中的

18、永磁体为圆筒形结构，磁通图中的永磁体为圆筒形结构，磁通从磁筒从磁筒N极极出来出来经过经过气隙气隙到到转子齿转子齿到到转子轭部转子轭部到到转子齿转子齿再到再到气隙气隙，经过磁筒，经过磁筒S极极，回到磁筒，回到磁筒N极极，形成一个闭合的磁，形成一个闭合的磁 回路，回路，2极结构。极结构。3.2 永磁直流电机的结构（永磁直流电机的结构（1）第19页/共69页 （B） 瓦片形磁极瓦片形磁极,径向磁路结构径向磁路结构 图中的永磁体为瓦片形结构，磁通图中的永磁体为瓦片形结构，磁通从磁瓦从磁瓦N极极出来出来经过经过气隙气隙到到转子齿转子齿到到转子轭部转子轭部到到转子齿转子齿再到再到气隙气隙，经过磁瓦，经过磁

19、瓦S极极，回到磁瓦，回到磁瓦N极极，形成一个闭合的磁，形成一个闭合的磁 回路，回路，4极结构。极结构。3.2 永磁直流电机的结构（永磁直流电机的结构（2）第20页/共69页SIMULATED FIELD OVERLAY OF FLUX DENSITY第21页/共69页SIMULATED FIELD OVERLAY OF FLUX DENSITY（Vector）第22页/共69页（C） 矩形磁极矩形磁极, 径向磁路结构径向磁路结构 图中所示的是带极靴、永磁体为矩形的结构图中所示的是带极靴、永磁体为矩形的结构,磁通磁通从磁轭的从磁轭的N极出来极出来经过经过气隙气隙到到转子齿转子齿再到再到转子轭部转

20、子轭部再经过再经过转子齿转子齿再经过再经过气隙气隙，回到磁轭的，回到磁轭的S极极,形成一个闭合的磁形成一个闭合的磁 回路回路,四极结构四极结构。3.2 永磁直流电机的结构（永磁直流电机的结构（3）第23页/共69页（D） 扇形永磁体扇形永磁体, 轴向磁路结构轴向磁路结构 图中所示的是轴向磁路图中所示的是轴向磁路,永磁体为扇形的结构永磁体为扇形的结构,磁通磁通从磁轭从磁轭N极出来极出来经过气隙经过气隙到右端盖到右端盖再经过气隙再经过气隙回到回到S极极形成一个闭合的磁形成一个闭合的磁 回路回路,六极结构。六极结构。3.2 永磁直流电机的结构（永磁直流电机的结构（4）第24页/共69页26Motor

21、 Exploded ViewMagnet 磁瓦Housing外壳Slide bushing方轴承Shaft sleeve轴套Shaft轴Iron Core铁心Commutator 整流子Bushing Retainer clip梅花叉Terminal插片Ball bushing球轴承Circuit breaker保护器Spring Cover扭簧座Carbon brush碳刷Inductor电感Capacitor电容Compressed Spring压缩簧Endcap端盖Copper wire coil绕组Varistor压敏电阻第25页/共69页 4.1 直流电动机的感应电动势直流电动机的感

22、应电动势Ea（1） 电枢感应电动势是指直流电机正负电刷之间的感应电动势，电枢感应电动势是指直流电机正负电刷之间的感应电动势，也就是电枢绕组里每条并联支路的感应电动势。也就是电枢绕组里每条并联支路的感应电动势。 的大小与电刷型号有关，一般的大小与电刷型号有关，一般0.52VbU Ia = 2IabIa 为电枢电流（为电枢电流（A） Iab 为电枢支路电流（为电枢支路电流（A）第26页/共69页 4.1 直流电动机的感应电动势直流电动机的感应电动势Ea（2）电动机电动机旋转产旋转产生的生的反反电势电势较较外加电外加电压小压小: Ea U 电动机电动机旋转旋转时，电枢时，电枢绕绕组组就切割就切割磁通

23、磁通，因而产生，因而产生感感应电动势应电动势。此电动势的方向。此电动势的方向与加在电动机端子的电压的与加在电动机端子的电压的方向相反方向相反，故成为，故成为反电势反电势。令：令：U 为外加电压（为外加电压（V）；）；Ea 为感应电动势（为感应电动势（V）；）；Ra 为绕组电阻（为绕组电阻（）；）；Ri 为测试线电阻（为测试线电阻（）；）；IN 为额定为额定(负载负载)电流电流 （A）；）；I0 为空载电流（为空载电流（A） ；Ik 为堵转电流（为堵转电流（A） ；电压平衡方程式电压平衡方程式:负载时，负载时，U=Ea+IN(Ra+Ri)+ Ub空载时，空载时， U=Ea+I0(Ra+Ri)+

24、Ub堵转时，堵转时， U=Ik(Ra+Ri)+ Ub第27页/共69页4.1 直流电动机的感应电动势直流电动机的感应电动势Ea（3）)(电动势常数电动势常数为电机的结构常数为电机的结构常数其中其中可见可见,直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及转速有关。直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及转速有关。性质性质: : 发电机发电机电源电势电源电势( (与电枢电流同方向与电枢电流同方向);); 电动机电动机反电势反电势( (与电枢电流反方向与电枢电流反方向) )。每个磁极下的气隙磁通（每个磁极下的气隙磁通（WbWb）；）；nn电机转速（电机转速（r/minr/min）；）；pp磁极对数；磁

25、极对数；NN电枢绕组总导体数电枢绕组总导体数aa电枢绕组并联支路对数电枢绕组并联支路对数apNCe6060aepNE nC naILfBBS 第28页/共69页 4.1 直流电动机的感应电动势直流电动机的感应电动势Ea（4） 我们来推导感应电动势方程我们来推导感应电动势方程 我们知道，一根导体中的感应电动势我们知道，一根导体中的感应电动势 式中：式中： v为导体运动线速度（为导体运动线速度（v= Dn / 60 ，单位，单位 m / s ，D为转子直径为转子直径 ，单位，单位m ），），B为平均磁通密度为平均磁通密度 (T) ，L为导体有效长度为导体有效长度 (m) 。一个磁极下的平均磁通密度

26、一个磁极下的平均磁通密度 B = / (L t) t)，则，则 BL = / t t ，则，则一根导体中的平均感应电势一根导体中的平均感应电势 式中，式中，t t 为磁极极距，为磁极极距，t = D / (2p) 。60aepNE nC na 因为一条支路里的串联总导体数是因为一条支路里的串联总导体数是所以每条并联支路的感应电动势为：所以每条并联支路的感应电动势为：v / t t = 2np / 60 所以：所以：aN2nCEea vLBE1 t t / v BLv E0 t t / v * (2a) /N Ea 第29页/共69页4.2 直流电动机的电磁转矩直流电动机的电磁转矩 Tem（1）

27、产生产生:电枢绕组中有电枢电流流过时电枢绕组中有电枢电流流过时, ,在磁场内受电磁力的作用在磁场内受电磁力的作用, , 该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。大小大小: :为电机的转矩常数，有为电机的转矩常数，有其中其中可见，制造好的直流电机，其电磁转矩与气隙磁通及电枢电流可见，制造好的直流电机，其电磁转矩与气隙磁通及电枢电流成正比。成正比。性质性质: : 发电机发电机制动制动( (与转速方向相反与转速方向相反) )； 电动机电动机驱动驱动( (与转速方向相同与转速方向相同) )。eTCC9.55aTaemICIa2pNT Ia 流经电刷的电流流经电刷的电流(

28、电枢电流电枢电流)apNCT2第30页/共69页 4.2 直流电动机的电磁转矩直流电动机的电磁转矩 Tem（2） 从电机的工作原理，我们知道：磁场中的从电机的工作原理，我们知道：磁场中的导体受力后，在导体中就能感应出电动势来。导体受力后，在导体中就能感应出电动势来。反过来讲，在磁场中的带电导体，又可以产生反过来讲，在磁场中的带电导体，又可以产生电磁力。电磁力。 导体所受的力，和所在磁场的磁感应强度导体所受的力，和所在磁场的磁感应强度B成正比，和导体的有效长度成正比，和电流的成正比，和导体的有效长度成正比，和电流的安培值成正比，用公式表述如下：安培值成正比，用公式表述如下： f1 = B L I

29、ab式中：式中： B - 磁极下的平均磁通密度；磁极下的平均磁通密度； L - 导体的有效长度；导体的有效长度； Iab - 导体中所通的电流（导体中所通的电流（支路支路电流电流）；）； f1 - 一根导体所受的电磁力。一根导体所受的电磁力。 因为因为B为平均磁密，为平均磁密，所以：所以：BL = / t t f1 = B L Iab = Iab / t t第31页/共69页 4.2 直流电动机的电磁转矩直流电动机的电磁转矩 Tem（3） 因此，一根导体所受的转矩因此，一根导体所受的转矩为：为：T1 = f1*D / 2= Iab D / (2 t t) 因为总导体数为因为总导体数为N，所以全

30、转，所以全转矩为：矩为： T = N Iab D / (2 t t) t t = D / (2p)， Iab = Ia / (2a)， 因此可以求得因此可以求得aTaemICIa2pNT 第32页/共69页aaaaemIEnIapNIapNnTnDnDTfvP 6023030605 . 0 aaaememIEnIapNnIapNTP 606022 emaaaaemTIapNIapNIEP 226060602 n 1.2.3.其中其中 是转子机械角速度（是转子机械角速度（rad / s）4.3 直流电动机的电磁功率直流电动机的电磁功率第33页/共69页biaaaURRIEU )(1P将电压平衡方

31、程式将电压平衡方程式 的两边同时乘以电枢电流的两边同时乘以电枢电流 I ，得：，得： 等式左边是输入功率，用等式左边是输入功率，用 表示；右边第一表示；右边第一项项 是电磁功率；第二项是电枢绕是电磁功率；第二项是电枢绕组铜损和测试线铜损之和，用组铜损和测试线铜损之和，用表示；第三项是电刷接触电阻损耗，用表示；第三项是电刷接触电阻损耗，用表示。因此有：表示。因此有：abiaaaaaIURRIIEUI )(2CuiCuapp 4.4 直流电动机的功率平衡方程直流电动机的功率平衡方程emaaPIE bpbCuiCuaempppPP 1第34页/共69页Fep从电磁功率中扣除铁耗从电磁功率中扣除铁耗

32、、机械摩擦、机械摩擦损耗损耗 后，得到电机的输出功率后，得到电机的输出功率 ，即即因此有：因此有：fwFeemppPP 22P4.5 直流电动机的输出功率直流电动机的输出功率fwpfwFebCuiCuafwFebCuiCuafwFeempppppPpppppPppPP 112)()()(思考：堵转情况下，思考：堵转情况下，换用不同材质的矽钢换用不同材质的矽钢片来测试电机的温升，片来测试电机的温升，会有变化吗？会有变化吗？第35页/共69页将将 两端同除以机械角两端同除以机械角速度速度 ，有，有式中，式中， 为电动机轴上的机械负载转矩（为电动机轴上的机械负载转矩（N . m）；）；fwFeemp

33、pPP 24.6 转矩平衡方程转矩平衡方程 02TTTem 2T fwFeppT0 为因电动机铁心中涡流、磁为因电动机铁心中涡流、磁滞损耗和机械损耗的存在而产的空载阻转矩（滞损耗和机械损耗的存在而产的空载阻转矩（N.m）第36页/共69页4.7 主要公式整理主要公式整理2emaTapNT IC IabiaaaURRIEU )(aaememIETP bCuiCuaempppPP 1fwFebCuiCuapppppPP 12fwFeemppPP 2BLIfvLBE11 60aepNE nC na第37页/共69页4.8 电磁参数电磁参数1. 线负荷线负荷aIDNAaa2 aD电枢直径（电枢直径（c

34、m）单位：单位：A / cm2. 电枢绕组电阻电枢绕组电阻式中，式中， 为绕组的电阻率（为绕组的电阻率（ ）；）； 为为电枢导体的截面积（电枢导体的截面积（ ）；）； 为电枢绕组的平均为电枢绕组的平均半匝长（半匝长（cm）。）。2)2( aLsNRavaa cmmm/.2 as2mmavL第38页/共69页5 永磁直流电动机的工作特性永磁直流电动机的工作特性 与电励磁直流电动机一样，永磁直流电动机的工作特性包括转速特性与电励磁直流电动机一样，永磁直流电动机的工作特性包括转速特性、转矩特性、机械特性和效率特性。、转矩特性、机械特性和效率特性。5.1 转速特性转速特性 转速特性为外加额定电压转速特

35、性为外加额定电压 时，转速时，转速与电枢电流之间的关系与电枢电流之间的关系 n = f ( )。由电压平衡方程式可得：由电压平衡方程式可得：NUNI ebiaNNCURRIUn)( 可以看出，负载电流增大时，可以看出，负载电流增大时， 增大，将使转速下降；同时每极磁通随电枢电增大，将使转速下降；同时每极磁通随电枢电流的增加而又略有下降，有使转速升高的趋势流的增加而又略有下降，有使转速升高的趋势，二者的影响相反，使电机转速变化很小。一，二者的影响相反，使电机转速变化很小。一般来讲，前者的影响大于后者，故转速特性是般来讲，前者的影响大于后者，故转速特性是略微向下倾斜的，如右图所示。略微向下倾斜的，

36、如右图所示。 电动机空载转速电动机空载转速 和额定转速和额定转速 之差之差与额定转速之比，称为电动机的转速变化率，与额定转速之比，称为电动机的转速变化率，以以)(iaNRRI 0nNnn %1000 NNnnnn表示，为表示，为第39页/共69页5.2 转矩特性转矩特性 转速特性为外加额定电压转速特性为外加额定电压 时，电动机的电磁转矩与电枢电流之间的关系时，电动机的电磁转矩与电枢电流之间的关系 。 由电磁转矩公式由电磁转矩公式NU)(NemIfT NTNemICIa2pNT 可知，当电枢电流增加时，若每极磁通可知，当电枢电流增加时，若每极磁通 不变，则电磁转矩为通过原点的直线。但每极磁通随电

37、枢电流的增加而略有减小，故不变，则电磁转矩为通过原点的直线。但每极磁通随电枢电流的增加而略有减小，故电磁转矩的增加比电流增加略慢电磁转矩的增加比电流增加略慢，如右图所示。，如右图所示。第40页/共69页5.3 机械特性机械特性 机械特性为外加额定电压机械特性为外加额定电压 时，电动机的转速与电磁转矩之间的关系时，电动机的转速与电磁转矩之间的关系 。 由公式由公式 和和NU)(emTfn TemNCTI 可知，当每极磁通可知，当每极磁通 不变时，机不变时，机械特性是一条下降的直线，如右图所示械特性是一条下降的直线，如右图所示。由于电枢电阻较小，机械特性的斜率。由于电枢电阻较小，机械特性的斜率很小

38、，特性硬。实际上，随着电磁转矩很小，特性硬。实际上，随着电磁转矩的增大，电枢反应的去磁作用略微增强的增大，电枢反应的去磁作用略微增强，磁通不是常数，机械特性不再是一条，磁通不是常数，机械特性不再是一条直线，而是在下端略有抬高。直线，而是在下端略有抬高。 ebiaNNCURRIUn)(emTeaebNTCCRCUUn2 得得第41页/共69页5.4 效率特性效率特性 效率特性为外加额定电压效率特性为外加额定电压 时，电动机的效率与时，电动机的效率与输出功率之间的关系输出功率之间的关系 ，即，即NU)(2Pf %100%1002212 pPPPP 式中，式中， 为电动机的总损耗（为电动机的总损耗（

39、W）。）。p 第42页/共69页5.5 永磁直流电动机的调速永磁直流电动机的调速由永磁直流电动机的机械特性方程由永磁直流电动机的机械特性方程emT 可知，当负载一定时，电磁转矩可知，当负载一定时，电磁转矩 与负载转与负载转矩相平衡，改变直流电动机转速的方法有以下三种矩相平衡，改变直流电动机转速的方法有以下三种：电枢回路串电阻调速、改变主磁通调速和改变电电枢回路串电阻调速、改变主磁通调速和改变电压调速压调速。emTeaebNTCCRCUUn2 第43页/共69页 18.1 永磁直流电动机电磁计算技巧一永磁直流电动机电磁计算技巧一如何快速通过调整样板电机的电磁参数和结构参数来达到客户指定的堵转扭矩

40、、堵转电流和空载转速要求如何快速通过调整样板电机的电磁参数和结构参数来达到客户指定的堵转扭矩、堵转电流和空载转速要求 在永磁直流电机开发和设计中，客户通常会指定某测试条件下（测试电压、测试线电阻值、环境温度等）的驱动器或电机的在永磁直流电机开发和设计中，客户通常会指定某测试条件下（测试电压、测试线电阻值、环境温度等）的驱动器或电机的堵转扭矩、堵转电流和空载转速堵转扭矩、堵转电流和空载转速要求。当然我们可通过完整的电磁计算来达到此设计要求。但为了提高工作效率，我们也可以要求。当然我们可通过完整的电磁计算来达到此设计要求。但为了提高工作效率，我们也可以选择一款可能与此设计要求接近的电机，通过调整电

41、磁参数和结构参数选择一款可能与此设计要求接近的电机，通过调整电磁参数和结构参数来达到指定的堵转扭矩、堵转电流和空载转速要求。前提是我们知道了被选定电机的性能（来达到指定的堵转扭矩、堵转电流和空载转速要求。前提是我们知道了被选定电机的性能（我们已设计过多款电机了，我们平常要准备的就是将已设计好的电机按电磁参数和结构参数进行汇总，要用时，就会非常方便）我们已设计过多款电机了，我们平常要准备的就是将已设计好的电机按电磁参数和结构参数进行汇总，要用时，就会非常方便）。第44页/共69页 下面，打开附件下面，打开附件永磁直流电动机电磁计算程序永磁直流电动机电磁计算程序，我们来看怎样通过，我们来看怎样通过

42、调整电磁参数和结构参数调整电磁参数和结构参数来达到指定的堵转扭矩、堵转电流和空载转速要求。来达到指定的堵转扭矩、堵转电流和空载转速要求。1. 根据测试结果选择尽量接近要求的电机；根据测试结果选择尽量接近要求的电机；2. 在在EXCEL表格里输入选定电机的测试条件（测试电压、测试线电阻）、测试数据（堵转扭矩、堵转电流和空载转速、空载电流）、负载力矩、结构参数和电磁参数；表格里输入选定电机的测试条件（测试电压、测试线电阻）、测试数据（堵转扭矩、堵转电流和空载转速、空载电流）、负载力矩、结构参数和电磁参数；3. 输入相关的计算公式，计算出输入相关的计算公式，计算出气隙磁通、气隙磁密、空载感应电动势、

43、负载感应电动势气隙磁通、气隙磁密、空载感应电动势、负载感应电动势（我们先暂时不管这些公式是怎样来的，带着疑问，以后再研究，针对性就强了）；（我们先暂时不管这些公式是怎样来的，带着疑问，以后再研究，针对性就强了）；4.通过调整电枢工作温度来计算出电刷的接触压降值，使空载、负载、堵转三种情况下电刷的接触压降值相等；通过调整电枢工作温度来计算出电刷的接触压降值，使空载、负载、堵转三种情况下电刷的接触压降值相等； 5. 以上计算中得到的气隙磁密和电刷的接触压降是我们下一步调整电磁参数和结构参数的重要依据。因为，以上计算中得到的气隙磁密和电刷的接触压降是我们下一步调整电磁参数和结构参数的重要依据。因为，

44、若不改变永磁体和电枢的结构和材料，电机的气隙磁密就是若不改变永磁体和电枢的结构和材料，电机的气隙磁密就是第45页/共69页恒定值，若不改变电刷的材料，则电刷的接触压降也是恒定值恒定值，若不改变电刷的材料，则电刷的接触压降也是恒定值（当（当然，我们可以改变电刷的材料，但电刷的接触压降值要随之改变）然，我们可以改变电刷的材料，但电刷的接触压降值要随之改变）。 这样，在电枢冲片尺寸和材料，永磁体厚度、宽度和材料，电这样，在电枢冲片尺寸和材料，永磁体厚度、宽度和材料，电枢绕线方式等不变的前提下，枢绕线方式等不变的前提下，可更改相应的参数（如可更改相应的参数（如电枢长度，漆电枢长度，漆包包 线线径，绕线

45、匝数，电刷材料，永磁体长度线线径，绕线匝数，电刷材料，永磁体长度等）以达到设计要等）以达到设计要求；求； 6. 若需改变电机的结构，但电枢绕线方式仍不变的前提下，也可若需改变电机的结构，但电枢绕线方式仍不变的前提下，也可以作出相应的更改（如以作出相应的更改（如电枢长度、直径及冲片尺寸和材料，漆包线电枢长度、直径及冲片尺寸和材料，漆包线线径，绕线匝数，电刷材料、永磁体的长度、厚度、宽度和材料线径，绕线匝数，电刷材料、永磁体的长度、厚度、宽度和材料等等）以达到设计要求，但）以达到设计要求，但其结果只能作为参考其结果只能作为参考，因为没有考虑，因为没有考虑磁路已磁路已经发生了变化经发生了变化，若要想

46、得到更准确的结果，则，若要想得到更准确的结果，则需要进行完整的电磁需要进行完整的电磁计算计算。具体实例具体实例: 若我们的客户要求在若我们的客户要求在 13.5 V，0.2 线电阻，线电阻，235的测试环境情况下，要满足堵转扭矩和空载转速的测试环境情况下，要满足堵转扭矩和空载转速 0.50 Nm / 3000 RPM，确定电机参数，确定电机参数第46页/共69页以下是具体步骤：以下是具体步骤： 选择尽量接近要求的电机及其测试数据选择尽量接近要求的电机及其测试数据第47页/共69页第48页/共69页 这里的这里的“额定额定点点”、“最大效最大效率点率点”和和“最大最大功率点功率点”是根据是根据以

47、上输入值自动以上输入值自动计算的计算的理想结果理想结果。 以后会讲这以后会讲这些计算公式是怎些计算公式是怎样来的。样来的。第49页/共69页 在这里输入电路参数在这里输入电路参数 计算出的是每极气隙磁通，由输入的堵转扭矩、堵转计算出的是每极气隙磁通，由输入的堵转扭矩、堵转电流以及并联支路对数、磁极对数和总导体数求得电流以及并联支路对数、磁极对数和总导体数求得第50页/共69页 在这里输入结构参数在这里输入结构参数 本例中，永磁体是圆环形，圆心角系数本例中，永磁体是圆环形，圆心角系数=360/180/2=1，但永磁体性能实际，但永磁体性能实际上达不到预定的理想值，经计算后得出的计算极弧系数等于上

48、达不到预定的理想值，经计算后得出的计算极弧系数等于0.71 在这里需在这里需要说明的是，要说明的是，计算极弧系数计算极弧系数与永磁体圆心与永磁体圆心角有一定关系角有一定关系，一般永磁体，一般永磁体圆心角越大，圆心角越大，计算极弧系数计算极弧系数就越大，一般就越大，一般取计算极弧系取计算极弧系数约等于数约等于圆心角系数圆心角系数=圆心角圆心角/180/p第51页/共69页 根据根据 和和 查附图得出查附图得出La，进而得出，进而得出 电枢计算长度电枢计算长度 LefML /Mh第52页/共69页 输入永磁体的性能参数输入永磁体的性能参数第53页/共69页 输入计算公式，得出相关参数，其中的气隙磁

49、密是我们输入计算公式，得出相关参数，其中的气隙磁密是我们 下一步调整电磁参数和结构参数的重要依据下一步调整电磁参数和结构参数的重要依据第54页/共69页 输入相应的参数，其中预计电枢工作温度需要不断地调整，直至使输入相应的参数，其中预计电枢工作温度需要不断地调整，直至使3种算法所得的电刷接触压降相等种算法所得的电刷接触压降相等第55页/共69页 输入计算公式，得出相关参数，其中的槽满率是重要参数，若调整其他参数，需考虑槽满率是否还合理输入计算公式，得出相关参数，其中的槽满率是重要参数，若调整其他参数，需考虑槽满率是否还合理第56页/共69页 下面开始调整参数：下面开始调整参数：第57页/共69

50、页 被选定电机的空载转速是被选定电机的空载转速是 3705rpm；现要求空载转速是；现要求空载转速是 3000rpm；故；故需要增加绕线匝数或将电枢长度加长需要增加绕线匝数或将电枢长度加长，先假设匝数为，先假设匝数为37第58页/共69页 将电枢长度加长至将电枢长度加长至 3.2cm；将永磁体轴向长度加长至；将永磁体轴向长度加长至3.6cm；第59页/共69页 根据根据 和和 查附图得出查附图得出La，进而得出，进而得出 电枢计算长度电枢计算长度 LefML /Mh第60页/共69页 将漆包线线将漆包线线径改为径改为0.32mm；带漆皮的线径带漆皮的线径相应地改为相应地改为0.35mm； 若仍

51、有足够空若仍有足够空间，则机座长度间，则机座长度不变，若空间不不变，若空间不够，则需增加相够，则需增加相应的长度；应的长度； 若仍用相同若仍用相同型号的电刷，则型号的电刷，则电刷接触压降不电刷接触压降不变，若要改变电变，若要改变电刷型号，则应输刷型号，则应输入相应的接触压入相应的接触压降值降值第61页/共69页 检查槽满率检查槽满率：调整参数后的电机槽满率：调整参数后的电机槽满率小于小于被参考电机的槽满率，被参考电机的槽满率，OK第62页/共69页 检查调整参数后的电机堵转扭矩和空载转速为检查调整参数后的电机堵转扭矩和空载转速为0.5109 Nm / 3010 RPM 跟客户的要求跟客户的要求

52、0.50 Nm / 3000 RPM 非常接近，非常接近，OK ！第63页/共69页 由此确定满足客户要求由此确定满足客户要求0.50 Nm / 3000 RPM的电机参数如下：的电机参数如下：第64页/共69页思考：思考：在我们日常工作中，我们能否总结出一在我们日常工作中，我们能否总结出一些可以提高工作效率的技巧或经验呢？些可以提高工作效率的技巧或经验呢？哪怕是一点点，日积月累就会聚少成多，积小成大的。哪怕是一点点，日积月累就会聚少成多，积小成大的。例如：如果你做某直流电动机想得到例如：如果你做某直流电动机想得到3000RPM的转速，的转速，现在的转速是现在的转速是4000RPM，12.0V

53、，0测试线阻，绕线测试线阻，绕线15匝，匝，你又不想进行电磁计算，还有什么简易方法呢？你又不想进行电磁计算，还有什么简易方法呢？又如：在进行零件设计时，一些关键配合尺寸及公差应又如：在进行零件设计时，一些关键配合尺寸及公差应如何快速给定呢？如何快速给定呢？第65页/共69页 20.1 练练习题习题一一 1. 请分别列出永磁直流电动机电压请分别列出永磁直流电动机电压U、电磁转矩、电磁转矩Tem和功率和功率Pem平衡方程式；平衡方程式； 2. 请分别推导和列出永磁直流电动机感应电动势请分别推导和列出永磁直流电动机感应电动势Ea、电磁转矩、电磁转矩Tem和电磁功率和电磁功率Pem方程；方程； 3.

54、请分别列出永磁直流电动机线负荷请分别列出永磁直流电动机线负荷A和电枢绕组电阻和电枢绕组电阻Ra计算公式。计算公式。 4. 试着自己推导永磁直流电动机电磁转矩试着自己推导永磁直流电动机电磁转矩Tem同线负荷同线负荷A、电枢铁心体积、电枢铁心体积V和磁负荷和磁负荷B的关系式。的关系式。第66页/共69页 20.2 练练习题二习题二 若我们的客户要求在若我们的客户要求在 13.5 V，0.15 线电阻，线电阻，235的测试环境情况下，要满足堵转扭矩和空载转速的测试环境情况下，要满足堵转扭矩和空载转速 0.45 Nm / 3000 RPM，请确定电机参数。，请确定电机参数。第67页/共69页这次的课程完成了，谢谢大家这次的课程完成了，谢谢大家！第68页/共69页