串激电机技术指导.ppt

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1、串激电机技术指导 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望小型电机的分类、市场小型电机的分类、市场2电机的分类电机的分类3小型电机的分类及定义小型电机的分类及定义小型电机的分类与定义（除玩具用电机）4小型电机的生产情况小型电机的生产情况技術家电AV机器AV测试其它汽车相关图1.6 各种用途的生各种用途的生产台台电机机图1.6 小型小型电机各种机各种类的生的生产情况情况其它交流电机有刷直流电机DC伺服电机0.3%步进电机5.2%无铁心电机3.6%无碳刷电机4.

2、1%其它直流电机15.2%感应电机12.8%直流电机交流电机5未来预测未来预测技術市 场图1.7 各种小型各种小型电机的种机的种别预测MM（有刷微型电机）BL（无刷电机）STP（步进电机）SDC（DC&串激电机）1（单相电机）SHAD（罩极电机）LIN（线性传动装置、特殊电机）6电机的基本原理电机的基本原理7交变磁场与旋转磁场交变磁场与旋转磁场技術图3.1交交变磁磁场图3.1旋旋转磁磁场8力矩的产生原理力矩的产生原理图3.5 夫累夫累铭（fleming）左手法）左手法则最基本的电磁力是如图3.5所示的夫累铭左手法则而产生，当磁场B中所置的长度为l的导体上流通电流I时，载流导体所受的作用力F为：

3、F=IBl图3.5 夫累夫累铭左手法左手法则9电机存在的电机存在的3 3种力矩种力矩技術 电磁力中除了导体所受的作用力外，还有铁心及永久磁石所受的作用力，严格来说，微小部分所受的作用力可用下式（3.13）来表示。在这里，i：电流密度，B:磁密，H：磁场的强弱，ur：可逆透磁率，J：磁化的强度。与此式中的3种力矩对对应的有3项，与式(3.13)相同，第1项是载流导体所受的作用力，在后面会讲到如果绕组向无铁心电机一样全部在磁场中，那么就可以考虑只有这种力在作用。第2项是铁心表面所受的作用力，在铁心槽内绕线的电机，基本上是以这种力在作用。第3项是永久磁瓦的磁极所受的作用力，永久磁瓦转子因为受此力而转

4、动。10电机存在的电机存在的3 3种力矩种力矩技術 但是，要用此式根据作用点的电磁力直接计算力矩一般是比较困难的，所以通常是使用虚功原理（移动微小距离时的工作与那时的磁场能量变化量是相等）根据积蓄磁气能量Wm的变化，以下式(3.14)为基础进行计算的情况比较多。气隙面的吸引力（法向力）F是在气隙长度的变化方向X、微分积蓄磁气能量Wm而得出的。旋转力矩（发生力矩）T同样地是在旋转方向、处微分积蓄磁气能量Wm而得出。这个计算的具体方法就是终章中所示的FEM有限要素法解析。如上所述，电机中有导体、铁心、永久磁瓦这3个发生力矩的要因。总之，电机上存在着含磁阻力矩、波动力矩的3种力矩发生要因。11法向力

5、与切向力法向力与切向力技術中所积蓄的能量，X是位移量，这叫做假相位移原理。电机的话，其力的发生是在气隙面进行的。图(a)是表示气隙附近的概略图，在这里，W是磁气能量，X是旋转角或是气隙长的变化。作为发生力，与气隙面垂直方向的吸引力Fn（叫做法向力Normal Force）绝对要多，但如图(b)所示的圆筒结构的对称设计时，与上下、左右的气隙面垂直所发生的磁气吸引力相互打消，合成值基本为0。与此相对的，与气隙面平行的成分Ft（切向力Tangential Force）虽然只是法向力的几分之1，但全周积分后的合成值便成了电机的发生力矩了。作为一种物理现象的力F、其发生是遵循的大法则，在这里，W是磁场

6、法向力与切向力法向力与切向力法向力与切向力法向力与切向力12电机力矩的电机力矩的2 2个基本个基本技術 在这里我们对电机力矩的2个基本做进一步进行思考。首先，设想一下永久磁石间相互极引和排斥的关系，图3.6中表示定子磁极（上侧S-N2）和转子（下侧N1）的相对相位角和发生力矩的关系。力矩发生的基本原理是异极相吸、同极相斥，总之让上下磁极中心（磁瓦中心）保持一致而产生力。图3.5 力矩与相位角度的关系（力矩角）图3.6 N、S磁瓦中心的偏移角与法向力的关系13直流电机（共通、关联）直流电机（共通、关联）14直流电机的结构直流电机的结构图4.7 音响机器用微型音响机器用微型电机的机的结构构图例例图

7、4.7中的微型电机，罗列其零部件名称：轴、定子磁气机壳、绝缘端盖、轴承、绕组、转子铁心、整流子、定子永久磁石、碳刷防震用减震器、环形可调电阻。15直流电机的结构直流电机的结构图4.8 有槽有槽标准型准型DC电机机图4.8中的有槽转子DC电机，其结构包括有槽转子铁心、整流子、转子绕组、碳刷、永久磁石。此结构的特征是，转子绕组与整流子片数做多，从设计上可提高电压，输出可做到几十几百W。16直流电机直流电机 绕组接线绕组接线技術星形接星形接线与三爪接与三爪接线 对3槽电机的接线方式进行简单地说明，槽内绕组所产生的感应电压因其绕组的接线方式不同，输给碳刷端子上的电压也会不同。其代表性的接线方式如图4.

8、4的星形接线和三爪接线。各槽内的绕组感应电压e是相同的，但碳刷间出现的合成电压(a)和(b)是不同的。星形连线图(a)是通过N（称为中性点）将各绕组的一端共同连接，所以碳刷端子上出现的电压就只是2个绕组的和2e，而另一边，三爪接线中端子电压是随着绕组数的增加而增大。17碳刷与换向器例碳刷与换向器例技術 碳刷碳刷 碳粉碳刷金属黑铅碳刷 碳素质碳刷 黑铅质碳刷 电气黑铅碳刷 高金属黑铅碳刷图4.18 根据碳刷的材料的分根据碳刷的材料的分类低金属黑铅碳刷油烟系黑铅系沥表焦系蚀刻加工模具冲压线性加工换向器的向器的结构构18直流电机的基本式直流电机的基本式技術（1）直流）直流电机的基本式机的基本式 基于

9、电磁感应作用电机的一般式是遵循夫累铭左手或是右手法则，所以转速、磁通、力矩、发生电压间的关系式是以基本电压方程式来表现。这不仅仅是限定于直流电机，一般的电机也可通用。结论是以下列2条式子为基本式。（4.1）式从电压方程式导出转数n的关系式，kV/rpm是感感应电压常数常数、是电机设计时决定的特有常数，Wb是主磁通量，VV是电源的外加电压，IRV是电路的压降。（4.2）式是发生力矩T的关系式，kT/A是力矩常数力矩常数。力矩常数与感应电压常数k一样是电机设计的特有常数，发生力矩T基本上是与主磁通量Wb和电流IA的积成比例。19直流电机的基本式直流电机的基本式技術 另外，电机的输出和输入功率有如下

10、关系式：（4.3）式中是输出功率的关系式，w.T是旋转角速度wrad/s与力矩TN.m的乘积，这就是机械输出功率。但是，从能量保存的法则上来考虑，机械输出功率与电气输出输率是一样的。这种情况，有效电气输出功率就是电机反电动势（发生电压）Er和电流Io的乘积。这也就可以根据能量保存法则从原理上来证明等效。20直流电机的等效电路直流电机的等效电路技術图4.5 DC电机的电压等效电路 根据Eo与Er的电压差E（=Eo-Er），这个闭合电路内，流通有E=Eo-Er=Io.R的电流Io。直流直流电机的等效机的等效电路路 机械输出与电气输出功率的等效关系如图4.5所示，Eo是外加电压，Er是电机的反电动势

11、，E是电压差，I.R是电阻部分引起的压降，Io是电路电流。像这样的电路称之为DC电机系统的等效电路。通常，电源电压Eo与电机的反电动势Er间，有这样的关系：图4.5 直流电机电压等效电路21直流电机的特性直流电机的特性技術图4.5 直流电机电压等效电路 根据此等效电路，可以理解电机的性能。首先，将DC电机连接到Eu的DC电源上，因为最开始没有旋转，所以Er=0、E=Eo。当全部电压施加到串联电路电抗R上时、流通Ia=Eo/R过大电流，产生很大的力矩。接着，转子的转速开始上升时，电枢绕组内发生反电动势，相应此部分E会减少。最后加速完成，最高转速为恒定状态，如果电机没有损失、那么不要力矩，所以Io

12、.R=0，即Eo=Er、不流通电流。以上的关系如图4.6所示。这是永久磁石电机中具有代表性的它励式DC电机的一般性能。换言之，也就是可以忽略电枢反作用及铁心的饱和现象时的例子。图4.5 直流电机电压等效电路图4.6 永久磁石DC电机的特性图22直流电机直流电机 转子角度与力矩转子角度与力矩技術电机的区分是以产生主磁通量的定子极数来表现的图4.1 2极2槽DC电机图4.2 2极3槽DC电机(a)2极2槽DC电机图4.3 转子角度与产生力矩的关系(b)2极3槽DC电机23交直流两用电机交直流两用电机24交直流两用电机交直流两用电机技術交直流两用电机（universalmotor），本来是对设计成交

13、流或DC都可以使用的电机而定名的，但现在，虽然直流也可以使用，但基本是多数场合都是指交流用的电机。此电机跟DC电机同样，由带整流子的转子和产生主磁通量的磁场而构成。与DC电机不同，因为是由交流而发生的交变磁场，所以为了控制铁损、以防止发热为目的而把所有的铁心都叠积起来制作是其一大特征。另外，此电机为了提高效率及改善功率因数，有必要将转子的磁动势做得比磁场的磁动势大。25交直流两用电机的分类交直流两用电机的分类技術交直流两用电机的分类大致可分为下面的(1)(5)种类型，但小型电机主要是单相串励电动机（串激）电机使用得比较多，所以交直流两用电机也可以当成是串激电机来考虑，且串激电机这个称呼比较普遍

14、。在这里，除了介绍串激电机以外，其它的结构也进行简单地说明。(1)单相串励电动机（串激电机，single-phaseseriesmotor）此电机如图4.34所示，是串激绕组F与转子绕组A串联接续的电机。(b)和（c）是带有补偿绕组的电机图例，（c）表示补偿绕组。这个绕组可以通过打消转子电流引起的磁动势而防止功率因素的降低，是为了改善整流而设计的。(b)是补偿绕组与转子串联绕线，激磁是电气角偏移90的一种设计，（c）由感应作用而进行补偿的方式。26交直流两用电机的分类交直流两用电机的分类技術以感以感应作用作用补偿与激磁串与激磁串联、90相位相位27交直流两用电机的分类交直流两用电机的分类技術(

15、2)单相并励电动机（single-phaseshuntmotor)这种类型如图4.35所示，是指激磁F与电枢A并联的电机。(3)单相复励电动机(single-phasecompoundmotor）这种类型如图4.36所示，是指并联的两个激磁F1和F2与电枢A串联在一起的电机。图4.35 单相并励电动机图4.36 单相复励电动机28交直流两用电机的分类交直流两用电机的分类技術图4.37 单相排斥电动机(4)排斥电动机(repulsionmotor）这种类型如图4.37所示，仅在激磁绕组F上连接电源，电枢绕组倾斜于激磁方向，在与整流子接触的碳刷间形成短路。受激磁绕组与电枢绕组的转换作用而产生电动势

16、，电枢内流通电流。因此电流与激磁磁通量的相互作用而得到转矩。如果把此碳刷向反方向倾斜，那么可以逆向旋转。如果把激磁绕组分成与碳刷轴平行的成分和直角成分来思考，那么这个电机就可视作是与图4.30所示（1）的感应补偿形串激电机一样。29交直流两用电机的分类交直流两用电机的分类技術(5)3相串励电动机、3相并励电动机这些电机是将单相串励电动机和并励电动机设计成3相绕组结构，例如3相串激电机是如图4.38所示的方式接线。图4.38 3相串励电动机30单相换向器电机的种类单相换向器电机的种类電気工学 A：电枢绕组 F：激磁绕组 C：补偿绕组：碳刷移动角 B1：固定碳刷 B2：可动碳刷Be：激磁碳刷 Ba

17、：动作碳刷 77图 单相相换向器向器电机的种机的种类(a)串励式(b)补偿串励式(c)感应补偿串励式 (d)排斥式 (e)排斥式(f)补偿排斥式(g)并励式(h)并励式(i)双重给电并励式 (j)复励式31串激电机的结构串激电机的结构技術 串激电机的结构如图4.39概略图所示，主要部件是定子和转子，各部件的名称如图所示。此图中省略了支撑定子、固定转子轴承的端盖。串激电机如通常图4.39所示，是2极结构，在2个激磁绕组中间连接电枢绕组。定子铁心转子定子绕组整流子定子（激磁）定子绕组轴承轴转子（电枢）电枢绕组电枢铁心定子铁心轴承碳刷骨架碳粉碳刷图4.39 串激串激电机的机的结构构32单相串励换向器

18、电动机单相串励换向器电动机-结构结构資料 2、结 构 如果直接把直流用的串励电动机作为交流用的话，会出现一些问题。交流 用的单相串励相串励换向器向器电动机机，在做成如下的结构后，也拥了很好的性能。（1）因磁气回路中的磁通量会交变、铁损会变大，所以激磁上使用层叠铁心，做成类似感应电动机的定子的圆筒状。（2）因电枢及激磁绕组的电抗下降，功率因素会变得非常低，所以要减少激 磁绕组的匝数、缩小界磁束。为了补偿为此而减少的转矩，要增大电枢绕组的匝 数。因此，与相同额定的直流机相比，电枢变大，整流子片的数量也会变多。33单相串励换向器电动机单相串励换向器电动机-结构结构資料（3）如果增加电枢的匝数，那么电

19、枢的反作用将会变大，所以除了极小输出的电机外，一般会设计成在4.7的5处所学补偿绕线。（4）由碳刷短路的绕组中，除4.3的4中所学由电抗产生的感应电动势以外，因主磁通量的交变，还会感应出受变压器作用的电动势，导致短路电流变大，整流困难。为了改善此问题，采用接触抵抗相对较大的碳刷。另外，在大型电机上设立补极、或是在电枢绕组和换向器片之间使用高电阻的导线连接，以限制短路电流。34为何可为何可ACAC、DCDC两用？两用？技術 串激电机的工作原理基本上与直流电机完全相同。但是，直流电机是主激磁 由永久磁石作成、有一定的方向，而串激电机是由激磁绕组形成，其方向及强度 随时间的变化而不同。这两种电机都是

20、基于夫雷铭左手法则、受永久磁石或激磁 绕组形成的磁场与电枢绕组中的电流的相互作用，从而得到一定方向的转矩。35为何可为何可ACAC、DCDC两用？两用？技術 此式中，f：根据夫累铭左手法则的电磁力N，D：电枢的直径m，B：激磁磁极 的磁密Wb/m2，L:导体的有效长（电枢叠厚）m，I：导体电流A。在交直流两用电机上，电枢和激磁的电流方向是随着电源的频率而变化的，因 为其变化是在电枢和激磁上同时产生的，所以与直流电机的+碳刷和-碳刷端子转 换的同时，永久磁石的N极和S极发生转换是同样的关系，电机的旋转方向可保持 一定。如此，导体a承受的力矩t与直流电机相同可求得以下公式：36为何可为何可ACAC

21、、DCDC两用？两用？技術 如果把电枢导体数作为z，那么电机整体的发生力矩为 在式(4.15)中代入式(4.12)、(4.13)和(4.13)的关系式后，表示如下 把当作每1极的磁通量Wb，2P当作极数（P是极对数），那么 另外，把ia当作电枢电流，2a当作电枢的并联电路数时，37为何可为何可ACAC、DCDC两用？两用？技術 式(4.19)中，电机力矩的平均力矩是P/4azmIm，随电原频率的2倍频率而变化，可以理解为如图4.40所示的变动力矩。图4.0 电气的发生力矩在这里，电枢电流ia是交流，所以 另一方面，忽略铁损后，式子可以这样列。在式(4.16)中代入式(4.17)和(4.18)后

22、，38为何可为何可ACAC、DCDC两用？两用？技術 串激电机是直流交流都可以得到同一方向转矩的交直两用电机，但在交流使 用时，磁场随电源频率进行交变，所以为了控制涡流损等的铁员，如前面所叙述的 必须注意要将定子铁心进行层叠的对策。39 换言之，交直流两用电机也与DC电机一样，其转速因系统的等效电路即电压方程式而被规定。电机的反电动劝势Er不可能比电源电压V0大，也就是说EoEr的关系式成立。另外其发生力矩与电枢电流ia的平方成比例的关系下节叙述。结论是电机的空载转速可以无限制在上升。也就是说交直流两用电机（串励电机）的转速因负载而决定，因此为了防止转速过高，需要下一些工夫，如在电机轴上安装冷

23、却风扇以避免高转速时的超速。转速的基本式转速的基本式技術 根据夫累铭右手法则，磁密BWb/m2的磁场中，长Lm的导体以vm/s速度运动时，此导体上所感应的电动势为：如果把电机的转速作为Nrpm，那么将式（4.21）代入式4.20中，那么40交直流两用电机的性能曲线交直流两用电机的性能曲线技術 图4.41是表示串励性能，此类性能的电机特点是起动力矩大、空载 时转速高。因此，旋转的加速时间短，根据负载的大小速度发生变化，所 以也被称为变速电机或是恒定输出电机。另一方面，并励电机带有如图4.42所示的性能，而且不受负载的变 化限制可保持恒定的转速，因此也被称为恒定转速电机。图4.41 串励性能图4.

24、42 并励性能41补偿串励电动机的向量图补偿串励电动机的向量图電気工学 10.1.2 向量向量图 图78是补偿串励电动机的简略接线图，与此相对的向量图（忽略铁损）如图79，此向量图中 主磁通基本上与电流I成比例，所以力矩变为是与I的平方成比例，即串励特性输入功率机械输出功率力矩或者P：极数，Z：电枢全导体数2a：电枢的并联电路数n：旋转速度(rpm)，：每极的磁能量（Wb）42补偿串励电动机的向量图补偿串励电动机的向量图電気工学V：电源电压，Ev：速度电动势，Ii：补极电流，I：负载电流，Ir：电阻分路电流，ra：电枢绕组电阻（含碳刷电阻），rc：补偿绕组电阻，rf：激磁绕组电阻，ri：补极绕

25、组电阻，ri：含电阻分路的补极绕组电路的等效电阻，xa：电枢绕组漏电抗，xc：补偿绕组漏电抗，Xf：激磁绕组电抗，Xi：补极绕组电抗，Xi：含电阻分路的补极绕组电路的等交电抗。：主磁通量，：功率因素角79图 补偿串励串励电动机的向量机的向量图43交直流两用电机的性能交直流两用电机的性能電気工学单相4极，100W、100V、50/60/c/s、2A、6003000rpm81图 交直流两用交直流两用电机的机的力矩力矩-速度、速度、电流、效率、输出电流、效率、输出性能性能44交直流两用电机的性能交直流两用电机的性能資料 交直流两用电机（universal motor）考虑了以上几点的交流直流两用的串

26、励电动机。这种电动机在家用吸尘器、榨汁机、缝纫机、办公机器、手枪式电钻等上被广泛使用，因为电源的关系所以交流驱动的情况比较多。在这种情况下，称这种电机为单相串励交流换向器电动机比较妥当。图3.14是表示175W、8500rpm的交直流两用电机的速度-力矩性能，变为高速后，交流与直流的差基本上消失了。图3.14 交直流两用交直流两用电机的速度机的速度-力矩性能力矩性能45交直流两用电机的性能交直流两用电机的性能資料 图3.15是家用吸尘器用电动机的负载性能。使用交流电源带换向 器 的电动机中，除此之外（串激电机以外的交流用电机）数量还有很多。这些 总称之为交流交流换向器向器电动机机，常用的种类有

27、：交流整流子电动机单 相三 相单相串励交流整流子电动机单相排斥交流整流子电动机三相并激整流式电动机三相串励交流整流子电动机图3.15 电气吸尘器用电动机性能46附录附录47附录附录 换向现象换向现象48换向现象换向现象技術 4.3.3 换向向现象象 直流机上换向作用的必要性及其概略功能已在前节叙述，原理性的换向作用 暂且不论，讲得偏激点，换向现象的技术问题点就是碳刷的火花与寿命问题。使用机械碳刷与换向器的DC电机上，各绕组与换向器片相连接，随着转子的 运转而通过碳刷短路，因为会断开（ON-OFF)，所以必然会产生火花。设计者会尽可能地将被换向绕组的感应电压做低，但要将磁通量的变化做成 0却是非

28、常困难，而且还会涉及成本问题。49换向现象换向现象技術 于是，小型电机不能设计补极，最后得出在被换向的绕组上不得不发生某种程度感应电压这样的结论。除此之外，换向时的电流方向反转及短路断开动作，所以会因绕组漏电感而产生感应电压、（e=Ldi/dt)电压。被换向的绕组上，产生了转动引起的感应电压和绕组漏磁通引起的（Ldi/dt）这2件感应电压。此电压被碳刷短路，断开时产生火花，此电磁能量（Li2/2及i2t）被作为碳刷中的电阻损（i2R）及火花能量而消耗。但是，此火花的产生不仅会因为换向器表面的粗化或碳刷酸化引起碳刷寿命的缩短，同时还会引发电波干扰等有害现象。因此，出现这样一种设计思想：中至大容量

29、机上应尽量控制换向火花，提高碳刷的电阻，将换向时的电磁能量在碳刷中消耗，这种做法叫做电阻阻换向向。50换向现象换向现象技術 但是，R=Rc+Rb，Rc是绕组的电阻，Rb是绕子与换向片连接的 接触电阻，T是换向周期、碳刷宽度除以换向圆周速度的值，t是时间，ec是表示受换向作用产生的电动势换向向电动势。为理解关于换向的概念，图4.28中显示了最简单的换向模式。碳刷厚度与换向片相同，换向片间的绝缘物厚度忽略。碳刷全面接 触，其接触电阻Rb设为一定，根据导体上的漏磁通，如果把电感作 为L，那么换向时的电路的电压方程式可表示如下（4.11式）。图4.28 换向现象的说明图51换向现象换向现象技術 思考一

30、下构成电构绕组的各绕组，在运转中绕组穿过碳刷下面时电流方向反转。绕组穿过碳刷下面的时间为毫秒，所以如果绕组中有电感就会发生电压，因为此电压、换向器换向片与碳刷的接触断开时会产生火花。由碳刷短路时的绕组电流变化非常复杂，为了简单地理解这种现象，从以前开始一般多用如图4.29所示的假想换向曲线进行说明。以下对图纸的各曲线进行简单说明：（a）直线换向（linear Commutation）：碳刷面的电流分布是恒定的。（b）最合适换向（Opitimum Commutation）：换向末端上的曲线倾 斜为0是最理想的换向。（c）过换向（Over Commutation）：换向过早结束，电流集中在碳刷 的

31、入口部，换向效 果不理想。（d）正弦波换向（Sinusoidaf Commutation）：难产生火花，理想换向 的一种。（e）（f）不完全换向（Under Commutation）：电流集中在碳刷的出口，产生火花，所以效果不理想。以上是对一般直流机的换向现象进行了一个定性地说明。52单相换向器机单相换向器机 换向作用与改善换向作用与改善電気工学 10.1.4 换向作用与其改善方法向作用与其改善方法 进行换向作用的 电枢绕组上透导出因换向产生的电抗电压er和因与速度无 关的主磁通交变而产生的变压器电压et，这2种电压的合计 值ef作为火花电压成为发生火花的原因。为了起到良好的 换向作用，把ef

32、和180相位的不同电压诱导于换向绕组 中，如图78所示在补极中插入支路电阻，让其流通适当相 位的补极电流Ii是一种比较广泛的方法，其关系可如图82 所示。82图 补极中插入了支路电阻时的换向向量图 Ei：补极绕组端子间的电压 Ir：支路电阻电流53单相换向器机单相换向器机 换向作用与改善换向作用与改善電気工学 但是，此方法在某恒定 的速度下并不能消除火花 电压。变压器电压et与速 度无关系，所以恒定支路 电阻值并不能在整个速度 范围内保持良好的状态，实际情况是对支路电阻值 进行些许调整，控制残余 火花电压在不影响换向的 范围内。除此之外，为防止支路电阻的功率损失，并联接入电容，为了让 补极电流

33、中也流通谐波电流、有时也会在电阻上串联上电抗器。为了 发挥更好的换向作用，如图83所示也可使用分割碳刷，除此之外，在 电枢槽数的选择、绕组节距、槽内导体数及其排列方式等方面也需要 考虑到改善换向作用这一问题。（a）双子式2分割（b）双头式2分割（c）三连式3分割（d）3分割（槽楔式）（f）3分割（倒形）图83 分割碳刷分割碳刷54附录电机设计附录电机设计55设计第设计第1 1步步技術 使用图形CAD功能，如实画出铁心的形状图，接着是将槽内的绕组作为1匝绕组 画图（也要决定导体的电流方向）。在此设定各部的物质常数（铁、铜、空气）。为了进行FEM有限元法解析，用鼠标操作设定好接点间隔以及概略元素数

34、以形 成多个网状。之后在画面上描出网状图，网格图的优劣点在于：所有的元素要有以下4点：接 近正三角形，各元素内的磁气能量要尽量均一，气隙部的网格要清楚地切断，尽 量不要形成过多的元素数（500015000左右）。显示其结果后再确认，即可如图9.2所示。56设计第设计第1 1步步技術 接着设定槽内导体的流通电流值（电流密度），计算后的磁通量分布 图结果如图9.3。此图面中铁心各部的磁密可以用颜色区分表示，也可作 为等磁密线图以数值来表示。从此图中，哪部分饱和了可一目了然。图9.3 轻负载时的磁通量分布解析例图9.2 感应电机的2次元网状图例57设计第设计第2 2步步技術 作为电气设计问题这点是最

35、让人操心的。第二步就是漏磁分布的计算和 漏电抗（电路常数）的推算及绕组系数、电压方程式、谐波磁通成分的推算，把 导体内交流电流造成的表皮效应作为频率的函数来表现等的高级计算。对任意形状的境界条件都能进行计算，此情况下，使用Maxwell的基本方 程式和机械系统的运动方程式（D），可以解释所有电机的电磁场问题及旋转运 动时的问题。惯性力矩角加速度负载力矩摩擦力矩角速度FEM解析得出的电磁力矩58设计第设计第2 2步步技術图9.5 气隙附近的扩大图 对象电机的各部磁通分布状态、及其结果所产生的力矩、作为机 械系统的转速变化情况等能进行计算。59设计第设计第3 3步步技術 图9.119.15是表示有

36、刷直流电机旋转时的电流变化、产生的力矩变化、换向电 压（火花配压）变化的模拟图。图9.12 气隙面磁密分布模拟图图9.11 DC电机的磁通分布模拟图60设计第设计第3 3步步技術图9.13 DC电机的电流变化模拟图图9.14 DC电机的力矩变化模拟图图9.15 DC电机的火花电压（换向电压）模拟图（2极8槽、8换向器DC电机）61设计第设计第3 3步步技術 表示用时间步骤解析法（timestep）的BLDC电机的连成解析例。图9.19是网状和磁通分布图。图9.20是方波变频驱动，图9.21是方波PWM变频驱动的例子，左图表示1相电流和电压的变化，右图表示发生力矩和转速。图9.19 解析网状图与

37、磁通线图（b）磁通线图（a）网状图62设计第设计第3 3步步技術图9.20 方波变频驱动图9.21 方波PMW变频驱动63分離形状（部）非分離形状（部）（鉄）（鉄）部（鉄）部（鉄）磁石磁石磁極（鉄）磁極（鉄）空気空気（鉄）（鉄）2345678910 2345678910磁束密度磁束密度低低高高分离铁心形状（无桥路部）非分离铁心形状（有桥路部）转子铁心（铁）桥路部（铁）钕铁硼磁瓦磁极尖（铁）空気空気铁心（铁）2345678910 2345678910磁束密度磁密低低高高磁场解析结果（磁图线图，1/48模式，Infolytica公司产软件 使用MagNet识图方法磁通线图上表示磁通线数越多磁力越强

38、磁通线数越多磁力越强，颜色是表示其密度。图下方到达定子的磁通贡献于电机的输出力矩上到达定子的磁通贡献于电机的输出力矩上，相反相反未到达的磁通就无效了未到达的磁通就无效了。非分离铁心上有桥桥路部路部，密度高、磁通形成短路磁通形成短路。只要不取消此桥部，会发生很多短路磁通（即使是断面积很小也可以高密度短路），磁通线（磁力线）（非分离铁心形状的磁通线要秒微多一些，但为了进行比较所以统一为单边10根）与分离铁心相比，非分离铁心的有效磁通（=输出力矩）变小是不可避免的问题。64磁阻力矩（磁阻力矩（CoggingCogging）解析）解析65磁阻力矩（磁阻力矩（CoggingCogging）解析）解析66提高平衡！提高平衡！基本性能基本性能价格价格品质品质附加价值附加价值噪音噪音振动振动寿命寿命信赖性信赖性小型小型轻量轻量复合复合一体一体顾客提出要求顾客提出要求向顾客提方案向顾客提方案市场市场67End68