黃 其，羅 玲，白婭梅，李小勇

(1．西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072;2．深圳東勝電機(jī)集團(tuán)，廣東深圳518104)

0引 言

串勵(lì)電動(dòng)機(jī)具有轉(zhuǎn)速高、體積小、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大的性能特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電動(dòng)工具、家用電器、醫(yī)療器械、小型機(jī)床等小功率電氣設(shè)備中［1］。隨著機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)的提高，國(guó)內(nèi)很多工廠(chǎng)逐漸生產(chǎn)內(nèi)繞式深槽串勵(lì)電動(dòng)機(jī)，深槽結(jié)構(gòu)定子可以縮短激磁繞組端部長(zhǎng)度，降低成本［2］;同時(shí)機(jī)械化內(nèi)繞可以大大提高生產(chǎn)效率。

串勵(lì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)的非線(xiàn)性，存在換向器，傳統(tǒng)電磁計(jì)算方法復(fù)雜，需要試樣很多次，不斷修正參數(shù)，材料浪費(fèi)多，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)。本文提出了一種基于MagNet電磁場(chǎng)仿真軟件的設(shè)計(jì)方法。介紹深槽串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的MagNet模型建立過(guò)程，仿真分析電機(jī)在不同電刷偏移角度、不同激磁繞組匝數(shù)和不同電樞總導(dǎo)體數(shù)下的運(yùn)行性能，根據(jù)分析結(jié)果選擇一組合適的參數(shù)加工3臺(tái)樣機(jī)，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試。

1主要電磁參數(shù)

本文針對(duì)一款食物處理器用串勵(lì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行深槽設(shè)計(jì)。其技術(shù)指標(biāo)如下:電源:120 V、60 Hz;輸入功率P=550×(1±5%)W;額定轉(zhuǎn)速n=9 500×(1±5%)r/min;額定效率η≥40%;火花等級(jí)≤1．5。

1．1 主要尺寸

串勵(lì)電動(dòng)機(jī)主要尺寸關(guān)系式［3］如下為:

式中:D2為電樞外徑;L為鐵心疊厚;n為轉(zhuǎn)速;Pi為計(jì)算功率;a為極弧系數(shù);A為電負(fù)荷;Bδ為氣隙磁密。

由式(1)知:電機(jī)電磁負(fù)荷ABδ取值越大，電機(jī)尺寸越小;轉(zhuǎn)速n越大，電機(jī)尺寸也越小。由于串勵(lì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速比較高，通常會(huì)帶有風(fēng)扇散熱，取電負(fù)荷A=120 A/cm，氣隙磁密Bδ=0．35 T。根據(jù)該電機(jī)的運(yùn)行方式-短時(shí)工作制，選擇合適的長(zhǎng)徑比，并考慮電機(jī)芯片的通用性，確定電樞外徑D2=48．1 mm，疊厚L=15 mm，極弧系數(shù)a=0．67，氣隙長(zhǎng)度δ=0．35 mm，定子外徑 D1=90 mm。

淺槽電機(jī)的極身寬度hp和軛部高度hc之比取值范圍為3～5，定子極身的磁通密度遠(yuǎn)比定子軛部、轉(zhuǎn)子齒部和軛部的磁通密度低。深槽式定子沖片提高了定子極身的利用率，極身寬度hp和軛部高度之比一般為1．8 ～2．7，該電機(jī)取=2．1，極身寬度hp=20 mm，軛部高度hc=9．5 mm，窄極身縮短了勵(lì)磁繞組的平均長(zhǎng)度。

一般說(shuō)來(lái)，轉(zhuǎn)子槽數(shù)S多，會(huì)改善電動(dòng)機(jī)性能，如減少脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩、提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、改善換向、減少電樞槽部熱阻、降低溫升等。在高速范圍內(nèi)，為了動(dòng)平衡的需要，同時(shí)為了采用雙飛叉機(jī)械繞線(xiàn)工藝，常采用偶數(shù)槽。該電機(jī)取槽數(shù)為12，半閉口梨形槽結(jié)構(gòu)。深槽串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的定、轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1．2繞組與換向設(shè)計(jì)

由于激磁線(xiàn)圈電流是電樞線(xiàn)圈電流的2倍，理論上激磁繞組與電樞繞組導(dǎo)線(xiàn)面積之比為2，線(xiàn)徑之比(線(xiàn)比)約為1．4。自帶風(fēng)扇的電機(jī)，電樞繞組散熱較好，設(shè)計(jì)時(shí)線(xiàn)比通常為1．6～2．2。該電機(jī)帶風(fēng)扇，設(shè)計(jì)線(xiàn)比為2，取激磁繞組線(xiàn)徑為0．67 mm，(電流密度為12 A/mm2)，電樞繞組線(xiàn)徑為0．33 mm。

圖1 深槽串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

激磁繞組匝數(shù)與電樞總導(dǎo)體數(shù)之比(匝比)4W1/N是一個(gè)重要的電磁參數(shù)，W1為一個(gè)極的激磁繞組匝數(shù)，N為電樞總導(dǎo)體數(shù)。匝比大小表示定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的相對(duì)強(qiáng)弱情況:匝比大，定子主磁場(chǎng)強(qiáng)，磁場(chǎng)畸變小，有利換向;匝比大，磁路飽和度高，利于穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，機(jī)械特性硬度提高。但匝比大，銅耗增大，溫升增高，效率下降，而且定子電抗增大導(dǎo)致功率因數(shù)降低。工程上匝比推薦范圍為 0．35 ～0．45［4］，該電機(jī)設(shè)計(jì)匝比為0．36，激磁繞組 W1=120匝，電樞總導(dǎo)體數(shù)N=1 344 672匝。

串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的突出問(wèn)題是換向條件惡劣［5］:換向火花會(huì)加劇電刷與換向器磨損，影響電機(jī)的可靠性，導(dǎo)致電機(jī)壽命減短，并帶來(lái)電磁干擾。為了減少換向元件的電抗電勢(shì)來(lái)改善換向，該電機(jī)采用雙鉤結(jié)構(gòu)，即換向片掛鉤數(shù)為轉(zhuǎn)子槽數(shù)的2倍，即12槽24個(gè)換向片;電樞繞組采用串勵(lì)電動(dòng)機(jī)常用的雙層單疊結(jié)構(gòu)，所以相鄰掛鉤上的電樞線(xiàn)圈為28匝。還可以采用電刷逆旋轉(zhuǎn)方向偏移幾何中性線(xiàn)一定角度來(lái)改善換向［2］，但由于結(jié)構(gòu)和制造原因，電刷需要固定在幾何中性線(xiàn)上，常常將電樞繞組相對(duì)換向片的連接順旋轉(zhuǎn)方向偏移1～2片。

2模型建立及仿真

本文采用MagNet電磁場(chǎng)仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)的深槽串勵(lì)電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)、運(yùn)行性能進(jìn)行分析。MagNet電磁場(chǎng)分析過(guò)程有建模、求解、后處理3個(gè)步驟。

2．1 建模

建模包括物理模型和電路模型的建立。物理模型根據(jù)電機(jī)各部分的結(jié)構(gòu)尺寸、材料來(lái)建立，其步驟是:先在auto-CAD中畫(huà)出深槽串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的平面圖;然后導(dǎo)入MagNet，設(shè)置定、轉(zhuǎn)子材料為D22硅鋼片，轉(zhuǎn)軸為10#鋼，繞組為銅線(xiàn);再生成繞組，設(shè)定激磁繞組118匝，線(xiàn)徑0．67 mm，電樞繞組每個(gè)線(xiàn)圈28匝，線(xiàn)徑0．33 mm;最后生成運(yùn)動(dòng)部件。

電路模型:根據(jù)串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理(為了使轉(zhuǎn)子輸出轉(zhuǎn)矩最大，在一個(gè)極下的線(xiàn)圈邊的電流應(yīng)該保證是同一個(gè)方向，即電刷連線(xiàn)上兩旁的線(xiàn)圈邊電流方向正好相反)，確定24個(gè)電樞繞組和換向片的正確連接，然后與激磁繞組串聯(lián)，設(shè)置電刷、交流電源參數(shù)，連接電路，如圖2所示:V1為交流電壓源，jCoil#i為激磁線(xiàn)圈(i=1，2)，Coil#j為電樞線(xiàn)圈(j=1，2，…，24)。

圖2 串勵(lì)電動(dòng)機(jī)MagNet仿真電路圖

2．2 磁場(chǎng)分布

將圖2中的電壓源改成電流源:60 Hz、4．5 A，設(shè)置電刷偏移角度為0°，用Static2D求解器仿真深槽串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)分布如圖3所示，氣隙磁密分布如圖4所示。由圖3可知，定子極身和定子軛部、轉(zhuǎn)子軛部的磁密約為1．4～1．5 T，電樞反應(yīng)使氣隙磁場(chǎng)發(fā)生扭斜，飽和的極尖磁密最高達(dá)1．9 T，不飽和的極尖磁密約1．4 T，計(jì)算得氣隙平均磁密約為0．35 T，磁路設(shè)計(jì)較合理。

2．3電機(jī)性能仿真

2．3．1 空載、負(fù)載特性

用Transient 2D with Motion求解器仿真求得電機(jī)的空載轉(zhuǎn)矩T、轉(zhuǎn)速n、激磁線(xiàn)圈電流Ij和電樞線(xiàn)圈電流Ia隨時(shí)間的波形，如圖5所示。由空載運(yùn)行曲線(xiàn)可知:串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)力矩最大值約為6．4 N·m，約為額定轉(zhuǎn)矩0．25 N·m的25倍;轉(zhuǎn)速約為11 200 r/min;激磁線(xiàn)圈電流2．41 A，是電樞線(xiàn)圈電流1．21 A的2倍。

設(shè)置電機(jī)負(fù)載為0．25 N·m，用 Transient 2D with Motion求解器求得電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩T、速度n、激磁線(xiàn)圈電流Ij和電樞線(xiàn)圈電流Ia隨時(shí)間的波形，如圖5所示，轉(zhuǎn)速下降到10 400 r/min，激磁線(xiàn)圈電流為4．1 A。

圖5 空載、負(fù)載運(yùn)行曲線(xiàn)

2．3．2不同電刷偏移角度下的負(fù)載分析

設(shè)置負(fù)載為0．25 N·m，激磁線(xiàn)圈118匝，電樞線(xiàn)圈28匝，調(diào)整電刷逆旋轉(zhuǎn)方向的偏移角分別為7．5°、15°、22．5°時(shí)，仿真求得電機(jī)的速度 n、激磁線(xiàn)圈電流Ij、電樞線(xiàn)圈電流Ia，如表1所示。隨著電刷偏移角度增加，激磁線(xiàn)圈電流增大，轉(zhuǎn)速減少。其原因是偏移電刷后，電抗電勢(shì)和反電勢(shì)會(huì)都會(huì)減少，但由于電源電壓不變，所以電流增大，磁通Ф增大，由串勵(lì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式知，轉(zhuǎn)速減少。

表1 電刷偏移不同角度時(shí)電機(jī)性能

串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式:

2．3．3不同激磁線(xiàn)圈匝數(shù)下的負(fù)載分析

設(shè)置負(fù)載為0．25 N·m，電樞線(xiàn)圈為28匝，電刷逆旋轉(zhuǎn)方向偏移15°時(shí)，調(diào)整激磁線(xiàn)圈匝數(shù)分別116匝、118匝、120匝、122匝，則激磁繞組匝數(shù)分別232匝、236匝、240匝、244匝，仿真求得電機(jī)的速度n、激磁線(xiàn)圈電流Ij、電樞線(xiàn)圈電流Ia如表2所示:激磁線(xiàn)圈匝數(shù)增加，電流減少，轉(zhuǎn)速下降。其原因是調(diào)整后激磁安匝數(shù)Fj增加，磁通Ф增加，激磁繞組壓降IjRf變化不大，由式(2)知，轉(zhuǎn)速下降。

表2 不同激磁繞組匝數(shù)時(shí)電機(jī)性能

2．3．4不同電樞總導(dǎo)體數(shù)下的負(fù)載分析

設(shè)置負(fù)載為0．25 N·m，激磁線(xiàn)圈為118匝，電刷逆旋轉(zhuǎn)方向偏移15°時(shí)，調(diào)整電樞線(xiàn)圈匝數(shù)分別為26匝、28匝、30匝、32匝，電樞總導(dǎo)體數(shù)分別為1 248、1 344、1 440、1 536，仿真求得電機(jī)的速度 n、激磁繞組電流Ij、電樞線(xiàn)圈電流Ia如表3所示:電樞線(xiàn)圈匝數(shù)增加，電流減少，轉(zhuǎn)速下降。其原因是電樞線(xiàn)圈增加后，電勢(shì)常數(shù)Ce和電樞電阻Rf增加;激磁線(xiàn)圈電流Ij和激磁安匝數(shù)Fj減少，磁通Ф減少，但電樞繞組壓降IjRa和CeФ呈上升趨勢(shì)，由式(2)知，轉(zhuǎn)速下降。

表3 不同電樞繞組匝數(shù)時(shí)電機(jī)性能

3樣機(jī)試驗(yàn)

根據(jù)仿真結(jié)果，選擇繞組參數(shù):激磁線(xiàn)圈118匝，線(xiàn)徑 0．67 mm;電樞線(xiàn)圈28匝，線(xiàn)徑 0．33 mm，電樞繞組相對(duì)換向片偏移15°，加工了 3 臺(tái)樣機(jī)，樣機(jī)如圖6所示，樣機(jī)的測(cè)試結(jié)果如表4所示。

圖6 樣機(jī)照片

表4 樣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表4可知:電機(jī)額定負(fù)載時(shí)實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速值略低于仿真值，實(shí)測(cè)電流值高于仿真值，是由于仿真時(shí)沒(méi)有考慮到機(jī)械損耗。樣機(jī)測(cè)試結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)速在9 500×(1±5%)r/min范圍內(nèi)，輸入功率和效率均高于技術(shù)指標(biāo)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

相同指標(biāo)的淺槽電機(jī)激磁繞組用銅線(xiàn)426 g，而該深槽電機(jī)激磁繞組用銅線(xiàn)342 g，銅線(xiàn)用量減少;淺槽電機(jī)需要用線(xiàn)模先繞制好激磁線(xiàn)圈，然后嵌入槽內(nèi)，再整形，工藝復(fù)雜，深槽定子采用自動(dòng)化繞線(xiàn)機(jī)一次成型，生產(chǎn)效率提高。

4結(jié) 語(yǔ)

利用MagNet電磁場(chǎng)仿真軟件能夠準(zhǔn)確地分析串勵(lì)電動(dòng)機(jī)在不同繞組參數(shù)的運(yùn)行性能。電刷偏移角度增大會(huì)改善換向火花，但會(huì)使電流增大，轉(zhuǎn)速下降，效率降低，所以要根據(jù)實(shí)際需要選擇合適偏移角度;增加激磁繞組會(huì)使電機(jī)機(jī)械特性變硬，但會(huì)使額定轉(zhuǎn)速下降;調(diào)整電樞總導(dǎo)體數(shù)相當(dāng)于串電阻調(diào)速，考慮到成本，其總數(shù)很少改動(dòng)。

［1］ 李辛．電動(dòng)工具產(chǎn)品國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)分析［J］．電工技術(shù)雜志，2001(1):70-71．

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［5］ 彭亦胥．單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)電刷偏移角的計(jì)算［J］．微特電機(jī)，2010(4):15-18．