1、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
2、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,3,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、零部件设计、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
3、 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 (练习题一 练习题二 .),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
4、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: Enhance Design Standardization Improve Reliability of Product Ensure Design to Cost Be beneficial to administrate,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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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）,
10、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
11、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,Window Lift /Sunroof,Steering/Pedal Adjustor,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,
12、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
13、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0.52V,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
14、 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
15、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 = / (L t)，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（
16、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 = B L Iab 式中：B - 磁极
17、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 = B L Iab = 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 / (2 t)因为总导体数为N，所以全转矩为：T = N Iab D / (2 t) 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
18、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
19、,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
20、向下倾斜的，如右图所示。电动机空载转速 和额定转速 之差与额定转速之比，称为电动机的转速变化率，以,表示，为,5.2 转矩特性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 。由电磁转矩公式,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，如右图所示。,5.3 机械特性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 。由公式 和,可知，当每极磁通 不变时，机械特性是一条下降的直线，如右图所示。由于电枢电阻较小，机械特性的斜率很小，特性硬。实际上，随着电磁转矩的增大，电枢反
21、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直线，而是在下端略有抬高。,得,5.4 效率特性效率特性为外加额定电压 时，电动机的效率与输出功率之间的关系 ，即,式中， 为电动机的总损耗（W）。,5.5 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,可知，当负载一定时，电磁转矩 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：电枢回路串电阻调速、改变主磁通调速和改变电压调速。,18 永磁直流电动机开发技巧,18.1 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、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
22、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（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）。,下面，打开附件永磁直流电动机电磁计算程序，我们来看怎样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。 1. 根据测试结果选择尽量接近要求
23、的电机；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；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、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）； 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，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,恒定值，若不改变电刷的材料，则电刷的接触压
24、降也是恒定值（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）。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，可更改相应的参数（如电枢长度，漆包 线线径，绕线匝数，电刷材料，永磁体长度等）以达到设计要求； 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，漆包线线径，绕线匝数，电刷材料、永磁体的长度、厚度、宽度和材料等）以达到设计要求，但其结果只能作为参考，因为没有考虑磁路已经发生了变化，若要想得到更准确的结果，则需要进行完整的电磁计算。,具体实例: 若我们的客户要求在 13.5 V，0
25、.2 线电阻，235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,以下是具体步骤： 选择尽量接近要求的电机及其测试数据, 这里的“额定 点”、“最大效 率点”和“最大 功率点”是根据 以上输入值自动 计算的理想结果。以后会讲这 些计算公式是怎 样来的。, 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 电流以及并联支路对数、磁极对数和总导体数求得, 在这里输入结构参数,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0.71,在这里需要说明的是，
26、计算极弧系数与永磁体圆心角有一定关系，一般永磁体圆心角越大，计算极弧系数就越大，一般取计算极弧系数约等于 圆心角系数 =圆心角/180/p, 根据 和 查附图得出La，进而得出电枢计算长度 Lef, 输入永磁体的性能参数, 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, 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, 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, 下面开始调整参数：, 被选定电机的空载转速是 3705rpm；现要求空载转速是 3000rpm；故需
27、要增加绕线匝数或将电枢长度加长，先假设匝数为37, 将电枢长度加长至 3.2cm；将永磁体轴向长度加长至3.6cm；, 根据 和 查附图得出La，进而得出电枢计算长度 Lef, 将漆包线线径改为0.32mm；带漆皮的线径相应地改为0.35mm；,若仍有足够空间，则机座长度不变，若空间不够，则需增加相应的长度；,若仍用相同型号的电刷，则电刷接触压降不变，若要改变电刷型号，则应输入相应的接触压降值, 检查槽满率：调整参数后的电机槽满率小于被参考电机的槽满率，OK, 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0.50 Nm / 3000 RPM 非
28、常接近，OK ！, 由此确定满足客户要求0.50 Nm / 3000 RPM的电机参数如下：,思考：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？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3000RPM的转速，现在的转速是4000RPM，12.0V，0测试线阻，绕线15匝，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如何快速给定呢？,20 练习题,20.1 练习题一,1. 请分别列出永磁直流电动机电压U、电磁转矩Tem和功率Pem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Ea、电磁转矩Tem和电磁功率Pem方程；3. 请分别列出永磁直流电动机线负荷A和电枢绕组电阻Ra计算公式。4. 试着自己推导永磁直流电动机电磁转矩Tem同线负荷A、电枢铁心体积V和磁负荷B的关系式。,20.2 练习题二,若我们的客户要求在 13.5 V，0.15 线电阻，235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。,这次的课程完成了，谢谢大家！,
