永磁直流电动机开发培训资料一学习资料

培训目的一 培训目的要明确 目标明确 瞄准目标 用对技能 才能一靶中的 二 此次培训目的是 加强学员们关于永磁直流电动机的理论知识 增强学员们用理论指导实践 用实践丰富理论的能力 提高学员们永磁直流电动机设计和开发能力 提高学员们的工作效率 减少或杜绝后期更改 少走弯路 2 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 1电机开发应掌握的九大核心技术 强调电机设计能力 工程能力 怎样设计电机 而不是只做样品 即使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 仿真 一 机械计算 包括 尺寸链计算和CPK 材料选择 如怎样达到强度和温度的要求 等二 电磁计算 主要包括 磁通计算 转速和扭矩计算等三 电路和EMC设计四 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 工艺流程 包括检测和测试的所有系统七 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 八 相关的经验和教训九 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benchmark形式把以上电机概念设计同样品电机或类似电机进行对比 5 Purpose EnhanceDesignStandardizationImproveReliabilityofProductEnsureDesigntoCostBebeneficialtoadministrate 2永磁直流电动机的设计依据 一 永磁直流电机的电磁设计是根据额定数据和性能指标确定主要尺寸 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案 额定数据 额定功率 额定电压 额定转速等 性能指标主要有 效率 温升和火花等级等 有时也可能给出起动转矩 堵转扭矩 转速变化率等指标 二 永磁直流电机的机械设计 电路及EMC设计和工艺设计的依据 相关标准 三 电机运行时 所有物理量与额定值相同 电机运行于额定状态 电机的运行电流小于额定电流 欠载运行 运行电流大于额定电流 过载运行 长期欠载运行将造成电机浪费 而长期过载运行会缩短电机的使用寿命 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 工作性能等比较好 客户经常给出如下设计依据 在某测试环境下的堵转扭矩 最大电流和空载转速要求 永磁直流电机典型特性曲线 3基础知识 3 1直流电动机的工作原理 1 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 A 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F BIL式中F 力 N B 磁通密度 T I 电流 A L 导体长度 m 该式表达了电动机的基本原理 3 1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 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 3 1直流电动机的工作原理 3 B 佛莱明 英国 右手定则向磁场内放置的导体施加力 如果沿磁场正交的方向移动导体 在导体内就会产生感应电势 如果将导体短路 就会产生电流 伸开右手 使拇指与其余四指垂直 并在同一平面内 让磁力线穿过掌心 让拇指指向导体运动的方向 则四指所指的方向就是感应电动势的方向 3 1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 C 法拉第 英国 电磁感应定律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 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N的线圈中流过i A 的电流时 则有Ni BL HL 式中的B为磁感应强度 T L为磁路长度 m 为磁导率 H m H为磁场强度 A m 3 1直流电动机的工作原理 5 E 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 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N极 直流电动机是将直流电能转变成机械能的旋转机械 把电刷A B接到直流电源上 电刷A接正极 电刷B接负极 此时电枢线圈中将电流流过 3 1直流电动机的工作原理 6 a b 在磁场作用下 N极性下导体ab受力方向从右向左 S极下导体cd受力方向从左向右 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 电机转子逆时针方向旋转 当电枢旋转到右图所示位置时 原N极性下导体ab转到S极下 受力方向从左向右 原S极下导体cd转到N极下 受力方向从右向左 该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩 线圈在该电磁力形成的电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转 3 1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 线圈中的电流是交变的 但产生的电磁转矩方向是恒定的 a b 直流电动机的工作原理示意图 线圈始终逆时针方向旋转 3 1直流电动机的工作原理 8 实际直流电动机的电枢是根据实际需要有多个线圈 线圈分布在电枢铁心表面的不同位置 按照一定的规律连接起来 构成电机的电枢绕组 磁极也是根据需要N S极交替旋转多对 3 1直流电动机的工作原理 9 直流电机的可逆性 一台直流电机原则上既可以作为电动机运行 也可以作为发电机运行 只是外界条件不同而已 如果用原动机拖动电枢恒速旋转 就可以从电刷端引出直流电动势而作为直流电源对负载供电 如果在电刷端外加直流电压 则电动机就可以带动轴上的机械负载旋转 从而把电能转变成机械能 这种同一台电机能作电动机或作发电机运行的原理 在电机理论中称为可逆原理 19 WindowLift Sunroof Steering PedalAdjustor DEVELOPING DEVELOPING DEVELOPING DEVELOPING DEVELOPING DEVELOPING A 圆筒形磁极 径向磁路结构图中的永磁体为圆筒形结构 磁通 从磁筒N极出来 经过气隙 到转子齿 到转子轭部 到转子齿 再到气隙 经过磁筒S极 回到磁筒N极 形成一个闭合的磁回路 2极结构 3 2永磁直流电机的结构 1 B 瓦片形磁极 径向磁路结构图中的永磁体为瓦片形结构 磁通 从磁瓦N极出来 经过气隙 到转子齿 到转子轭部 到转子齿 再到气隙 经过磁瓦S极 回到磁瓦N极 形成一个闭合的磁回路 4极结构 3 2永磁直流电机的结构 2 C 矩形磁极 径向磁路结构图中所示的是带极靴 永磁体为矩形的结构 磁通 从磁轭的N极出来 经过气隙 到转子齿 再到转子轭部 再经过转子齿 再经过气隙 回到磁轭的S极 形成一个闭合的磁回路 四极结构 3 2永磁直流电机的结构 3 D 扇形永磁体 轴向磁路结构图中所示的是轴向磁路 永磁体为扇形的结构 磁通 从磁轭N极出来 经过气隙 到右端盖 再经过气隙 回到S极 形成一个闭合的磁回路 六极结构 3 2永磁直流电机的结构 4 26 4永磁直流电动机的基本方程 4 1直流电动机的感应电动势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 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0 5 2V 思考 若将磁极N与S对换 Ea的方向会变吗 Ia 2Iab Ia为电枢电流 A Iab为电枢支路电流 A 4 1直流电动机的感应电动势Ea 2 电动机旋转产生的反电势较外加电压小 Ea U 电动机旋转时 电枢绕组就切割磁通 因而产生感应电动势 此电动势的方向与加在电动机端子的电压的方向相反 故成为反电势 令 U为外加电压 V Ea为感应电动势 V Ra为绕组电阻 Ri为测试线电阻 IN为额定 负载 电流 A I0为空载电流 A Ik为堵转电流 A 电压平衡方程式 负载时 U Ea IN Ra Ri DUb 空载时 U Ea I0 Ra Ri DUb 堵转时 U Ik Ra Ri DUb 4 1直流电动机的感应电动势Ea 3 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 性质 发电机 电源电势 与电枢电流同方向 电动机 反电势 与电枢电流反方向 每个磁极下的气隙磁通 Wb n 电机转速 r min p 磁极对数 N 电枢绕组总导体数a 电枢绕组并联支路对数 思考 气隙磁通能测量吗 4 1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知道 一根导体中的感应电动势式中 v为导体运动线速度 v Dn 60 单位m s D为转子直径 单位m B为平均磁通密度 T L为导体有效长度 m 一个磁极下的平均磁通密度B Lt 则BL t 则一根导体中的平均感应电势式中 t为磁极极距 t D 2p 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 v t 2np 60所以 4 2直流电动机的电磁转矩Tem 1 产生 电枢绕组中有电枢电流流过时 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 大小 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 性质 发电机 制动 与转速方向相反 电动机 驱动 与转速方向相同 Ia 流经电刷的电流 电枢电流 4 2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 又可以产生电磁力 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 和电流的安培值成正比 用公式表述如下 f1 BLIab式中 B 磁极下的平均磁通密度 L 导体的有效长度 Iab 导体中所通的电流 支路电流 f1 一根导体所受的电磁力 因为B为平均磁密 所以 BL t f1 BLIab Iab t 4 2直流电动机的电磁转矩Tem 3 因此 一根导体所受的转矩为 T1 f1 D 2 Iab D 2t 因为总导体数为N 所以全转矩为 T NIab D 2t t D 2p Iab Ia 2a 因此可以求得 1 2 3 其中是转子机械角速度 rad s 4 3直流电动机的电磁功率 将电压平衡方程式的两边同时乘以电枢电流I 得 等式左边是输入功率 用表示 右边第一项是电磁功率 第二项是电枢绕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 因此有 4 4直流电动机的功率平衡方程 从电磁功率中扣除铁耗 机械摩擦损耗后 得到电机的输出功率 即 因此有 4 5直流电动机的输出功率 思考 堵转情况下 换用不同材质的矽钢片来测试电机的温升 会有变化吗 将两端同除以机械角速度 有式中 为电动机轴上的机械负载转矩 N m 4 6转矩平衡方程 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 N m 4 7主要公式整理 4 8电磁参数 1 线负荷 电枢直径 cm 单位 A cm 2 电枢绕组电阻式中 为绕组的电阻率 为电枢导体的截面积 为电枢绕组的平均半匝长 cm 5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 转矩特性 机械特性和效率特性 5 1转速特性转速特性为外加额定电压时 转速与电枢电流之间的关系n f 由电压平衡方程式可得 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 一般来讲 前者的影响大于后者 故转速特性是略微向