永磁直流電機設計
1.電機主要尺寸與功率,轉速的關系:
與異步電機相似,直流電機的功率,轉速之間的關系是:
D22*Lg=6.1*108*p’/(αP*A*Bg*Ky*n) (1)
D2 電樞直徑(cm) 電机初設計時的主要尺寸
Lg 電樞計算長度(cm) 根據電机功率和實際需要確定
p’計算功率(w) p’=E*Ia=(1+2η)*P N/3η
E=Ce*Φ*n*Ky=(P*N/60*a)*Φ2*n*Ky*10-8
Ce 電勢系數
a 支路數在小功率電機中取a=2
p 极數在小功率電機中取p=2
N 電樞總導体數
n 電机額定轉速
Ky 電樞繞組短矩系數小功率永磁電机p=2時,采用單疊繞組Ky=Sin[(y1/τ)*π/2] y1繞組第一節矩
αP 極弧系數一般取αP=0.6~0.75 正弦分布時αP=0.637
Φ每極磁通Φ=αP*τ*Lg*Bg
τ極矩(cm) τ=π*D2/P
Bg 氣隙磁密(Gs) 又稱磁負荷對鋁鎳Bg=(0.5~0.7) Br 對鐵氧体Bg=(0.7~0.85) Br, Br為剩磁密度
A 電樞線負荷 A=Ia*N/(a*π*D2)Ia電樞額定電流對連續運行的永磁電動机,一般取A=(30~80)A/cm另外電機負荷Δ= Ia/(a*Sd),其中Sd=π*d2/4 d為導線直徑.為了保証發熱因子A*Δ≦1400 (A/cm*A/mm2 )通常以電樞直徑D2和電樞外徑La作為電机主要尺寸,而把電動機的輸出功率和轉睦為電机的主要性能,在主要尺寸和主要性能的基礎上,我們就可以設計電機了.
在(1)式的基礎上經過變換可為:
D22*Lg*n/P’=(6.1*108/π2)*1/(αP*Bg*A)=C A
由上式可以看, C A的值並不取決於電機的容量和轉速,也不直接與電樞直徑和長度有關,它
僅取決於氣隙的平均磁密及電樞線負荷,而Bg和A的變化很小,它近似為常數,通常稱為電機
常數,它的導數K A=1/C A=(p’/n)/(D22* Lg)∞αP*Bg*A 稱為電機利用系數,它是正比於單位電
樞有效体積產生的電磁轉矩的一個比例常數.
2.直流電機定子的確定
2.1磁鋼內徑
根據電機電樞外徑D2確定磁鋼內徑
Dmi=D2+2g+2Hp
其中g為氣隙長度,小功率直流電機g=0.02-0.06cm ,鐵氧體時g可取得大些,鋁鎳鈷磁
鋼電機可取得較小,因鐵氧體H C較大.氣隙對電機的性能有很大的影響,較小的g可以使電樞
反應引起的氣隙磁場畸變加劇,使電機的換向不良加劇,及電機運行不穩定,主極表面損耗和
噪音加劇,以及電樞撓度加大,較大的氣隙,使電機效率下降,溫升提高.
有時電機磁鋼采用極靴,這樣可以起聚磁作用,提高氣隙磁密,還可稠節極靴
形狀以改善空載氣隙磁場波形,負載時交軸電樞反應磁通經極靴閉,合對永磁磁
極的影響較小.但這樣會使磁鋼結構复雜,制造成本增加,漏磁系數較大,外形尺
寸增加,負載時氣隙磁場的畸變較大.而無極靴時永磁體直接面向氣隙,漏磁系數小,能產生較多的磁通,材料利用率高,氣隙磁場畸變,而且結構簡單,便於生產.
其缺點是容易引起不可逆退磁現象.
Hp 極靴高(cm) 無極靴結構時Hp=0
2.2磁鋼外徑
Dm0=Dmi+2Hm (瓦片形結構)
Hm 永磁體磁路長度,它的尺寸應從滿足(1)有足夠的氣隙磁密(產生不可逆退磁),(2)在要求的任何情運行狀態下會形成永久性退磁等方面來確定,一般Hm=(5~15)g Hm越大,則氣隙磁密也越大,否則,則氣隙磁密也越小.
2.3磁鋼截面積Sm
對于鐵氧體由于Br小,則Sm取較大值,而對于鋁鎳鈷來說, Br較大,則Sm取小值.
環形鐵氧體磁鋼截面積:
Sm=αP*π*(Dmi+Hm)Lg/P (cm)
瓦片形鐵氧體磁鋼面積:
Sm=αP*π*(Dmi+Hm)Lm/P (cm)
瓦片形鐵氧體弧度角:
β=180︒*αP*2/P
2.4 磁鋼軸向長度Lm
對鐵氧体由于Br小,為了增加磁鋼截面Sm,則Lm=(1.1~1.2)La
2.5磁鋼的選擇:
2.5.1磁鋼的材質
在永磁直流電機中,磁鋼相當于串激電中的定子線圈中,它在定子鐵殼中產生磁場,它和其它電機一樣,是利用電磁感應原理在磁場媒質中進行能量轉換的,磁場在能量轉換過程中起媒介作用,在永磁直流電機中產生磁場的磁源是充過磁的永磁體,也叫磁鋼)充過磁的磁石性能對電機的性能有很大的影響.
在現代電機制造中,磁鋼的材料有下列幾種:鐵氧體.鋁鎳鈷合金,稀士合金,釹鐵硼等.由于各種材料自身特點和本廠的實際,一般選用鐵氧體作為永磁材料.
2.5.2永磁材料的磁性能
磁鋼的退磁曲線如下:
永磁材料的磁性能可以用磁滯回線來反映和描述.即用B=f(H)曲線來反映永磁體的磁感應強度隨磁場強度來降改變的特性,該回線包含的面積隨最大充磁磁場強度H MAX增大而增大,當H MAX達到H S時回線面積漸近地達到一個最大值,而且這時磁性能也較穩定,面積最大的回線被稱為磁滯回線. 磁滯回線在第二象限的部分稱為退磁曲線,它是永磁材料的基本特性曲線,退磁曲線中磁感應強度Bm為正值而磁場強度Hm為負值,在退磁曲線過程中,永磁體相當于一個磁源.退磁曲線的兩個極限們位置是表征永磁材料磁性能的兩個重要參數(Br,Hc) 退磁曲線上任一點磁通密度與磁場強度的乘積被稱為磁能積,在退磁曲線中有一個最大值,這一最大值稱為最大磁能積(BH)MAX單位為J/m3 ,它是永磁材料磁性能的一個重要參數. Br對電機性能的影響很大,使用較大Br值的磁鋼可以增加扭矩,但會使電機空載轉速降低
2.6永磁材料的選擇.
2.6.1應保證電機氣隙中有中足夠的氣隙磁密和規定的電機性能指標
2.6.2在規定的環境條件.溫度條件和使用條件下電機性能穩定
2.6.3磁石要有良好的機械性能以便加工和裝配
2.6.4另外要經濟性
2.6.5盡量選擇最大磁能積大的磁鋼
2.6.6根據對電機性能的影響,選擇磁石的Br值
2.7永磁直流電動機的充磁
