串激對于電機設計串激對于電機設計串激對于電機設計家用電器及電動工具用串激電機設計第一章概括1-1單相串激電機設計進展1．單相串激電機的設計研究概括：為適應電動工具以及小型家用電器之應用需要，串激電機設計獲得了長足進步。2．電磁設計上的進展：據預計每隔十年，單位重量專心提升20%~30%，可概括以下：(1)提升電機轉速;(2)增大轉子直徑，提升定子/轉子外徑比，使定轉子溫升趨于均衡；D2D。由提升到1(3)采納深槽定子，受益于采納了自動繞線機，可以采納較大的轉子外經并縮短定子匝長。可提升電機效率10%~20%；(4)提升電磁密度，適合提升激磁安匝?？梢詼p小構造尺寸，有益換向，提升電機硬度；(5)減少沖片規格，提升通用性。降低成本，適應自動化批量生產；1-2單向串激電機的設計要求1．電機設計的基本要求（1）功率要求，適入采納功率，綜合均衡效率、溫升、及體積之要求；（2）效率和攻率因數的要求；（3）其余額定指標，包含啟動轉矩，最小轉矩，最大轉矩等；2．單相串激電機的設計特色及要求（1）額定工作點，額定輸出轉矩時電機應不低于額定轉速；（2）控制換向火花，因換向沒法計算，故要求嚴格控制火花有關的各設計參數；（3）其余設計要求；第二章主要尺寸及電磁參數采納2-1主要要尺寸及電磁負荷1．主要尺寸D1,D2及L確立電機主要尺寸，一般從計算D2L2下手：22DLPi6B2An4103（cm）P——電磁內功率（即平常所說的電磁功率），可有后式預計i——極弧系數，取B———氣隙磁密（T），可按（圖1—2）采納A——線負荷（A/cm），可按（圖1—2）采納

n——轉速(r/min)從上式看出，AB取值越大，電機尺寸越小，但AB取值受其余要素限制，詳見后述。轉速n越大，電機尺寸也越小，電機轉速相同遇到機械，換向等要素的限制。在此處，可用額定轉速代入式中作計算。電磁功率可用下邊經驗公式計算：P為經過氣隙磁場，從定子側傳達到轉子的功率i1PiP當η≤H245PiP當η＞H9第1頁共22頁家用電器及電動工具用串激電機設計上式中pH為輸出功率，可按額定輸出功率帶入計算。為電機效率，可按額定效率代入計算，當需要計算者確準時，可按（圖1—1）采納，此為目前生產連續定額E,B級絕緣的平均效率曲線。η率效8070605040302010004080120160200240280320360400440480520560600640680720760800（圖1—1）效率與額定輸出功率之關系輸出功率PH（W)對于短時運轉定額的電機或采納耐熱等級更高絕緣的電機，效率值應降落。確立D2L2后，接著可確立電樞沖片的D2值，應綜合考慮電機使用條件，通用性及派生的要求，同時考慮適合的長徑比LD，平常為之間。較大的值使電機修長，銅2利用率較高，可是制造工藝性較差，繞組撓度大，冷卻差，漏抗大換向不利。確立以方便確實定斷念疊長L。D后可2D2D的比值可在之間采納，較大值適合于深槽轉子，進而確立定子外徑1D。12．線負荷A及氣隙磁密B電樞線負荷A表示電樞外徑圓周單位長度上的安匝，A越大則尺寸越小，銅耗增大，線匝增添而致使換向惡化。因此A增大是有限制的。2從8-1式來看,D2L一準時，AB也是定值，B獲得大則A可取小，反之亦然。但兩者取值都是受其余要素限制的，初步設計時可參照（圖1—2）采納，該曲線是用于連續負載E,B級絕緣單相串激電機，對于短時定額可適合提升A100~145(A/cm)B0.35~(T)2-2磁路參數采納1.定轉子安匝比和斷念各部分磁密8W1定轉子匝比是一個重要的磁路控制參數，NW為一個極的定子線圈匝數，N為電樞總1導體數，匝比大小表示定、轉子磁場的相對強弱狀況，其值對電機性能、換向狀況、機械特性硬度以及耗費效率都有影響，簡單分析以下：匝比大，定子主磁場強，電樞相對弱，則磁場畸變小，有益換向。匝比大，定子主磁場強，磁路飽和度高，利于堅固轉速，提升機械硬度。匝比大，銅耗增大，溫升增高，效率降落，定子電抗增大而功率因數降低。實質上，匝比應保持合理范圍，過大沒存心義。當磁場足夠飽和時，在增添定子激磁安匝，定子磁場不會顯然加強，因此失掉了踴躍方面的意義，反倒使銅耗增添了。定轉子安匝比介紹范圍為。功率小取大值，功率大（400W以上）取較小的值。磁路的飽和程度是由斷念各部分磁密大小來決定的，因為構造的需要，各部分磁密不一樣樣。正常設計的電機，各部分磁密范圍一般以下：第2頁共22頁家用電器及電動工具用串激電機設計定子極身磁密Bp0.6~0.9（T）（T）深槽定子定子軛部磁密B（T）c1電樞齒部磁密B（T）tBT（）c2電樞軛部磁密2.極弧系數平易隙長度極弧系數是極弧長度和極距的比值。極弧系數越大，電機尺寸越小。但極弧系數過大則影響到換向地區，對火花不利。）mc/A(A2）0-1×T(δB160150140130120圖1-2110當定子磁勢為矩形波時，從傅麗葉級數分100析，可看出各重量諧波隨值的變化狀況（圖線負荷A1-3）。從圖可見，當為時，3次重量為0(見圖1-3)，因此一般取，9080Bδ若氣隙采納不均勻設計時，可放大。70氣隙長度也是磁路重要參數，氣隙中所60分擔的激磁磁勢占所有激磁磁勢的40%~50%。50越長，磁勢耗費越多，使定子繞組匝數增添，

銅耗增添，并因定子電感增大，而使功率因數4030降落。增大也有益處，可減弱電樞反響，有20利換向，而且也減弱齒槽效應，降低耗費，弱10化定轉子偏愛帶來不利的影響。單相串激電機0平常取為0.3mm~0.9mm,小電機取較小值。選用計算式以下：0102030405060708090100PH/n(W/r/min）.AB410(cm)值%波基60504030201001-10-203次諧波-305次諧波-407次諧波-50-60圖1-3極弧系數αD22極距（cm）A,B可按圖1－2采納為了改良換向，可采納非均勻氣隙。非均勻氣隙經過極弧偏愛來實現（如圖1－4）。其偏愛量由下式計算：第3頁共22頁家用電器及電動工具用串激電機設計21e（cm）1cos

2不均勻氣隙的等效氣隙按下式計算'2KK11（cm）2K1δ1δ2圖1-4不均勻氣隙表示圖2-3繞組溫升控制電機繞組溫升都有限制的規定,它是依據所使用的絕緣資料的耐熱等級和使用壽命的需要而制定的。經過熱計算來控制溫升,則計算頻頻且正確性差,因此工程上經過控制和繞組溫升有關的參數來間接控制溫升,實踐證明是合理可行的。1.限制A2值來控制電樞繞組溫升電樞繞組銅耗直接影響電機發熱，因此線負荷A和電流密度2的乘積可以用來控制繞組溫升。為了控制溫升不超出某一數值，只需控制A2值不超出某一值即可。為了給電磁設計供給合理的A2值，應依據電機主要尺寸來計算A2的限制。下式是計算A值的經驗公式：2AA24A2KADLn10（22cmmmD單位（cm）2）L單位（cm）n值單位（r/min）此中系數K可依據額定輸出功率PH從圖1－5中采納，此曲線合用于連續運轉定額溫A升不超出70K扇冷構造電機。第4頁共22頁家用電器及電動工具用串激電機設計應當指出，在實質工程中，溫升控制參數宜低于限值并留有裕度，以適應批量生產中的失散性。2r2.限制I1的數值以控制定子繞組溫升直接影響定子溫升的要素是定子銅耗1I,I是電機主電流,r1是定子電阻。因此只需2r控制定子銅耗就能控制定子溫升。定子繞組溫升常常低于轉子溫升，這是正常的，是由電機構造和散熱特色所決定的。但兩者不可以相差過大，不然說明資料利用不合理。相同可用電機主要尺寸來計算定子銅耗的限值，計算式以下：I2rKD2Ln10412S（W）系數K可依據定子外徑D1從圖1－6采納。此曲線合用于連續運轉定額及溫升不超出S60K扇冷構造電機。AK圖1-552

48

44

40

36

322824201612840KA1001502002503003504004505005506006507007508008509009501000PH(W)sK1圖1-6Ks4567891011D1(cm)第三章單相串激電動機的電磁設計程序3-1校算分析程序、設計綜合程序和優化設計程序目前，常用的各樣電機設計程序，多半校算分析程序。電機設計計算變量眾多，且拘束不夠，因此只好做出一系列假定，在必定的假定下計算出一套結果，再返回去和假定條件比較，看能否符合。假如符合，則結果可信，反之需要從頭調整假定，再次計算。這樣循環，漸漸迫近，最后獲得正確答案。校算分析程序存在多解狀況，因此，設計者經驗對設計結果存在很大影響。3-2單相串激電動機電磁設計程序第5頁共22頁家用電器及電動工具用串激電機設計1.程序簡介本程序主要用于輸出功率為60-1200W、負載轉速為6000-18000r/min的單相串激電機的設計計算。經實質使用考證，擁有較高的計算正確性，但超出合用范圍使用時，計算正確性會遇到必定影響。本程序屬于校算分析程序，設計者經對設計方案的利害會有影響。本程序在步驟安排上，已考慮了盡可能減少計算上的頻頻，為此第一計算出轉子，進而計算磁通，此后進行磁路計算，耗費計算，端電壓校算，功率因數校算，功率校算。詳盡的設計計算方法及詳盡說明在程序中介紹。2.電磁設計程序額定數據1額定輸出功率P(W)H2額定轉速n（r/min）H3額定輸出轉矩M(N.m)H(MPHHnH)4額定電壓U(V)H5額定頻次f(HZ)H6額定效率H7額定功率因數cosH額定數據是對計算任務所提出的要求，電磁計算的最后結果，就是在保證達到額定數據要求的前提下，確立定轉子繞組及有關的構造參數。構造參數（拜見圖2-1）圖2-11定子外徑D（cm）12定子內徑D（cm）123轉子外徑D（cm）24轉子內徑第6頁共22頁家用電器及電動工具用串激電機設計D（cm）225鐵芯長度L（cm）

6氣隙長度（cm）7定子極寬b（cm）p8定子極高h（cm）p9定子軛高h（cm）c1(如非平行軛，10定子槽寬h取湊近最狹處的13處的軛高)e1H'（cm）

11轉子槽口寬度b（cm）012轉子槽上部寬b（cm）113轉子槽口高度h（cm）014轉子槽楔厚度h（cm）

15轉子槽上部深h（cm）116轉子槽芯深度h（cm）217轉子槽底半徑R（cm）

18轉子齒寬t（cm）（對非平行齒，t取湊近最狹處的13處的軛高）19轉子槽數z20換向器外徑D（cm）c21換向器片數K22電刷長度a（cm）b23電刷寬度b（cm）b構造參數是依據上章所述的設計原則以及運用幾何、三角的計算公式而提出的，經過電磁計算，聯合繞組參數的設計，最后確立構造參數。在電磁計算過程中，發現已提出的構造參數不可以符合原來假想的設計原則，不可以保證額定數據的要求時，則要改正原來提出的構造參數，如改正定、轉子槽形，放長鐵芯等等。構造參數也可能因為通用化的要求而提出的，如需要通用定轉子沖片，此時，在電磁計算中，不一樣樣意改變沖片的任何尺寸，只好改變鐵芯第7頁共22頁家用電器及電動工具用串激電機設計長度來知足額定數據的要求。計算1負載電流IUHPHcosHH(A)2轉子繞組線規d2'd2(mm/mm)d'絕緣導線外徑2d銅線直徑2（聯合下步要計算的電流密度2和槽滿率fs的設計要求，按計算程序附表一可初步選定繞組導線線規。）3轉子導線截面2S（mm）24轉子繞組電密2I2S22（A/mm）5轉子線負荷A（A/cm）（按對A2設計要求算得）6轉子總導體數N2DI2A7轉子每槽導體數NSNz8轉子槽滿率fs12b2R122Nd'10S2h1h222R為槽絕緣厚度＋空隙（cm）

一層槽絕緣空隙為（f應不大于，如用自動繞線機繞制則不宜大于）s9轉子繞組均勻半匝長l2LKeD(cm)2K(當D2小于4cm)eK1(當D2大于4cm)e10轉子繞組電阻N25r210（）S211耗費比率系數2r2IPHa1HH第8頁共22頁家用電器及電動工具用串激電機設計（此a數值僅用于初算P）i12內功率（電磁功率）PHPi1a1(W)HH13旋轉電勢EPi(V)I14電機常數C22DLnHPi15極距D22(cm)16極弧系數17計算極距0(cm)18實槽節距ysz219短距系數Ksinpysz18020磁通d602ENKnpH(Wb)21虛槽節距y1K2Kz22前節距y2y1123換向器線速度Dn2cHv10(m/s)c6024轉子線速度Dn210H2v(cm)a6025換向器片距Dctc(cm)K26換向地區寬度Kbcb'Uzy11tc'(cm)b2第9頁共22頁家用電器及電動工具用串激電機設計UzKzb'bbbDD2cD2t'tcDc

c核算b＜c027電刷電密bIabbb2）（A/cm28轉子齒距tmD2Z29轉子外齒寬t1tmb（cm）030轉子槽寬tsD22h0zh1t平行齒（cm）4tsD22h0h1t非平行齒（cm）331轉子槽形系數tsKs0.96

t32轉子單位漏磁導Dtm20.92log2Keb2RLb1033轉子每元件匝數W2N2K34換向元件中電抗電勢6ex2W2LAva10(V)35換向元件中變壓器電勢et4.44fW2(V)Hd36換向元件中電樞反響電勢WALva2106e(V)a037轉子軛高D2h2D2212hc2R(cm)

231(轉軸復有絕緣層)56(轉軸不復絕緣層)38定子軛部磁密1.07d4Bc110（T）hLc1第10頁共22頁家用電器及電動工具用串激電機設計39電樞軛部磁密d4Bc210（T）Lc240定子極身磁密d4Bp10(T)0.96bLp41氣隙磁密Bd4(T)10L042電樞齒部磁密Btm4Bt10(T)

0.96t43定子軛磁場強度at(A/cm)c1（按Bc1查設計程序附表二）44定子極磁場強度at(A/cm)p（按B查設計程序附表二）p45轉子軛磁場強度at(A/cm)c2（按Bc2查設計程序附表三）46轉子齒磁場強度at(A/cm)c（按B查設計程序附表三。當Bt＞時按31項槽形系數Ks查設計程序附表四）t47定子軛磁路長度Dhb1c1pl（cm）c1248轉子軛磁路長度Dh22c2l(cm)c221(轉軸復有絕緣層)56(轉軸不復絕緣層)49轉子齒磁路長度lt22hR(cm)350氣隙系數Ktmt1101051氣隙激磁磁勢4ATK10(A)52定子軛激磁磁勢ATcatl(A)1c1c153定子極激磁磁勢第11頁共22頁家用電器及電動工具用串激電機設計ATp2ath(A)pp54轉子軛激磁磁勢ATcatl(A)2c2c255轉子齒激磁磁勢ATcatl(A)ct56借偏去磁磁勢ATKDA2(A)K(虛三槽電機)K(虛兩槽電機)電刷偏離幾何中心線的角度，單位為弧度。當采納接線借偏方式時，按下式計算2sK（弧度）s為接線借偏片數57換向增磁磁勢2bbAT0.069exeaWI（A）ctc58電樞反響磁勢ATa2xy03xyA(A)x,y數值從過渡特色曲線ATATtBf中求得。畫曲線時，可用標幺值來畫，2以磁通為d時的B值，計算出此時的12ATATt，以此作為計算標幺值時的基值（分母）。ddd1.25ddB*BBtattATtAT2ATATtATATt*20A2第12頁共22頁家用電器及電動工具用串激電機設計*A02Byx0A0Ad時的B值BfAT22ATt212ATATt利用畫過渡特色曲線ATATtBf的方法來求得電樞反響安匝，這是常用的方2法。因為電樞反響，也即轉子磁場的作用，使得定子極下一側增磁，一側去磁，同時因為磁路飽和的原由，增磁抵消不了去磁，進而使得總磁通量降低。因此要增添一部分定子磁勢，稱為電樞反響磁勢。利用ATATtBf曲線來求取電樞反響磁勢是有好多假定條件的，它假定轉子2所產生的磁勢，只影響氣隙磁勢和轉子齒磁勢。實質上也影響定子軛與轉子軛，特別是當軛部磁密較高時，因此只考慮AT,AT，是不夠精準的。畫曲線時，發現t0A2比值比較大，甚至其標幺值（A0AT）大于1，也是這個原由。但經過好多設計事例與實樣比較，ATt這個誤差對整體設計結果影響不大，故在此不做修正。59總激磁安匝ATATATcATATATATATAT1c2tpac60定子每極匝數ATW1（取整數）I61定子線圈線規'd1d1（mm/m）m'd絕緣導線外徑1d銅線直徑1（聯合下步要計算的電流密度1或定子銅耗的限值要求，查對定子線圈寬度bm在定子槽內部署的可能性，按設計計算程序附表一可初步選定導線線規。）62定子導線截面2）s（mm163定子線圈電密第13頁共22頁家用電器及電動工具用串激電機設計I1s12）（A/mm64定轉子安匝比fw8W1N65定子線圈線模寬amDKsin90(mm)取整數1012mK3（當D12小于3cm）mK5（當D12大于3cm）m66定子線圈線模長Lm10L2r2（mm）銅線標稱直徑d1（mm）r（mm）H小于34大于5L1r67定子線圈線模高H10H'1（mm）68定子線模每層匝數LmHW'(取的整數)''d1Bm''d取，當1＞''d取，當1＜69定子線圈寬度W11''bmd（mm）1W'(查驗定子窗口能否部署)70定子線圈均勻每匝長度l12amL4r2rb（mm）mm71定子繞組電阻l115r110（Ω）s172定子繞組電阻壓降Ur1Ir（V）173轉子繞組電阻壓降Ur2Ir（V）274定子漏抗壓降Ix1fHW1（V）d75轉子漏抗壓降Ix2fNLIH8（V）2102z76定子繞組自感電勢Ed8.88fW1（V）Hd77電樞繞組自感電勢第14頁共22頁家用電器及電動工具用串激電機設計22fLINH8Eq10（V）K78定子軛部質量3Wc1DhhL10（kg）1c1c179定子極身質量3Wp14.8hpbpL10（kg）80轉子軛部質量23Wc2DhhcL10（kg）22181轉子齒部質量3Wt.（kg）7zth2L10482轉子旋轉頻次nHf（Hz）26083定子軛和極身單位鐵耗2ffHHp2（W/kg）c110010084轉子軛單位鐵耗2ff22pc2（W/kg）210010085轉子齒單位鐵耗2ff22pt3（W/kg）10010086定子極身鐵耗2PppBWcpp1（W）87定子軛部鐵耗2PcpBW（W）1c1c1c188轉子軛部鐵耗]2PcpBW（W）2c1c2c289轉子齒部鐵耗2PtpBWttt（W）90總鐵耗PFePP1P2P（W）pcct91磁通相角正弦值sinKPPcFec1EdIPpK當nH10000r/mincK0.15當nH＞10000r/minc92磁通相角余弦值cos12sin93端電壓有功重量UrUr1UrEdsinEcos(V)2第15頁共22頁家用電器及電動工具用串激電機設計94端電壓無功重量UxIx1IxEqEdcosEsin(V)295計算端電壓22U'UrUx(V)（與U誤差應不大于1%，不然調整E等有關參數從頭計算）H96計算功率因數cos'UrU'（與cos誤差應不大于2%，不然調整有關參數從頭計算）H97定子銅耗2P1IrCu(W)198轉子銅耗2PCu2Ir(W)299風摩機械耗P(W)m（采納軸流式電扇時，可依據電扇外徑Dv按計算程序附圖一查取。當采納離心式電扇時，應將查的數乘以）100總耗費PPCu1P22.4IP(1Kc)P(W)CumFe101計算效率UIcosP'HHUIcosHH（與H誤差應不大于1%，不然調整有關參數從頭計算）102硅鋼片質量3WFe10(kg)103定子繞組用銅量6WCu1sl10(kg)111104轉子繞組用銅量5WCu2l10(kg)22第16頁共22頁家用電器及電動工具用串激電機設計附表一高強度聚酯漆包銅圓線規格表銅線標稱直徑dQZ-2線絕緣外經d'銅面積2)（mm銅線標稱直徑dQZ-2線絕緣外經d'銅面積2)（mm0.28(0.69)(0.27)(0.77)(0.29)(0.83)0.351第17頁共22頁家用電器及電動工具用串激電機設計附表二D22表硅鋼片溝通50Hz磁化特色曲線BfHB00.0534567891011111.61214161718.4.20222426.728556069717375778083B單位：[T]H單位：[A/cm]第18頁共22頁家用電器及電動工具用串激電機設計附表三D22表硅鋼片溝通200Hz磁化特色曲線BfHB0811214161820212222.523261293235384144475053565865737577798183858789919499108130B單位：[T]H單位：[A/cm]第19頁共22頁家用電器及電動工具用串激電機設計附表四D22表硅鋼片溝通200Hz修正磁化特色曲線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單位：[T]H單位：[A/cm]第20頁共22頁家用電器