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1、圆柱型电枢永磁直流微型电动机电磁设计目录1 简述1.1主要特性1.2常用永磁材料特点1.3设计要点1.4常用公式2 电磁设计中的主要问题2.1主要尺寸2.2永磁体结构形式和确定永磁体尺寸的原则2.3电枢设计2.4定子设计2.5磁路计算2.6工作特性计算3 设计举例圆柱型电枢永磁直流微型电动机电磁设计计算1 简述永磁直流微型电动机是指永磁材料（或加上铁磁材料）制成磁极，以建立电动机所需的激磁磁场的一类精密直流微型电动机。该类电动机结构简单，体积小，出力大，效率高，用铜量少；若用高矫顽力永磁材料（如铁氧体、稀土永磁等）制造的直流微型电动机还具有换向性能好，寿命长等优点。该类电动机与普通的他激或者并
2、激的电磁式直流电动机一样具有下垂的机械特性（或称为转矩转速特性）和线性的调节特性（或称为电压转速特性），调速范围广，便于控制。所以，常用于要求启动转矩高、转速范围变化大的场合；也常用于以蓄电池或干电池为电源的场合，例如，在汽车中用于驱动风扇、雨刮器、坐椅、门窗等等。1.1主要特性(1) 机械特性机械特性是指当加到电动机两端的电压一定时，转速随着转矩的变化而变化的特性曲线。每一个电压对应着一条特性曲线。此特性曲线在理论上是一条下垂的直线，即随着转矩（横坐标）的增大，转速随着成正比例降低（纵坐标）。如图1所示。(2) 调节特性调节特性是指当加到电动机转轴上的负载转矩一定时，转速随着加到电枢两端的电
3、压的变化而变化的特性曲线。每一个负载转矩对应着一条特性曲线。此特性曲线在理论上是一条直线，即随着电压（横坐标）的增大，转速随着成正比例升高（纵坐标）。如图2所示(3) 带上稳速器后作为稳速永磁直流微型电动机的转速稳定性（稳速品质）稳速永磁直流微型电动机的功能是，当加到电枢两端的电压在容许的范围内变化时，以及加到电动机转轴上的负载转矩在容许的范围内变化时，电动机的转速应保持恒定。分下列三种情况：a) 电枢电压恒定，负载转矩变化时，转速的稳定性用百分数来表示。即定义为：1/2额定负载转矩时转速与额定负载转矩时转速之差对额定负载转矩时转速之比的百分数，称为电压一定时的转速稳速度，用K1表示。K1=（
4、n1/2nN）/nN100% 式中，nN额定负载转矩时转速； n1/21/2额定负载转矩时转速。 K1一般在1.5%-3%的范围内。b) 负载转矩恒定，电枢电压变化时，转速的稳定性用百分数来表示。即定义为：电压自最大使用电压降低到最小使用电压时两个转速之差对最小使用电压的转速之比的百分数，称为转矩一定时的转速稳速度，用K2表示。K2=（nVmaxnVmin）/nVmin100% 式中，nVmax最大使用电压时的转速； nVmin最小使用电压的转速； K2一般在1.5%-3%的范围内。c) 加到电枢两端的电压以及加到电动机转轴上的负载转矩在容许的范围内变化时转速的稳定性用百分数来表示。即定义为：
5、1/2额定负载转矩时最大使用电压下转速与额 定负载转矩时最小使用电压下转速之差同额定负载转矩时最小使用电压下转速之比的百分数，称为综合转速稳速度，用K3表示。K3=（n1/2VmaxnNVmix）/ nNVmin100% 式中，n1/2Vmax1/2额定负载转矩时最大使用电压下转速nNvmax 额定负载转矩时最小使用电压下转速K3一般在2%-5%的范围内。必须指出的是，电动机所达到的上述转速稳定度范围是在稳速器（例如，离心式稳速器）作为电动机的一个部件同电动机组装成一个整体的场合下的转速稳定度范围。若要求转速稳定度更高。例如，达到0.5% 0.1%范围，应当采用电子稳速电路技术，使用单独稳速器
6、，比如，用频率发生器作为电动机速度反馈的稳速控制，采用F/V变换和PWM等控制技术，实现对电动机起停、正反转和稳速控制。还可以采用锁频锁相技术，实现更高的转速稳定度，如，可达0.02% 。(4) 启动转矩倍数在额定电枢电压下，启动转矩与额定转矩之比，称为启动转矩倍数。一般为4-6倍。当为自动化装置的执行元件伺服电动机时，一般还应具有如下性能：a)快速响应，即机电时间常数要小；b)控制灵敏，在低信号下启动性能好，控制信号死区小，即启动电压小。1.2常用永磁材料特点1)铁氧体(Ferrite)永磁铁氧体永磁分各向同性和各向异性两种。由于不含镍、钴等贵金属，因此，成本低、价格低廉。它的剩余磁感应强度
7、Br较低，矫顽力Hc比较高，不易退磁。由于它的矫顽力比较高，而且退磁曲线为一直线，因此，用它设计制造的电机可以不进行稳磁处理。它的温度系数比较大，温度稳定性差。但是，矫顽力随着温度的升高而增大，随着温度的降低而减小，也即矫顽力的温度系数为正值，这点很特别。在0 0C以下温度使用时要注意它的磁性能的变化，若设计不合理，在低温下可能产生不可逆的去磁。此外，铁氧体永磁硬而且脆；加工性能比较差，它又不导电，不能电加工，仅能切片及磨加工。铁氧体永磁主要性能如表1所示。2) 铝镍钴(AlNiCo)永磁铝镍钴永磁分各向同性和各向异性两种。由于含钴、镍等贵金属，因此，价格比铁氧体永磁贵。它的剩余磁感应强度Br
8、高，但，矫顽力Hc低，很容易退磁，总是采用装配后充磁或者充磁后在保磁（用磁短路工具）情况下装配电机，而且退磁曲线是非线性的，因此，用它设计制造的电机应该进行稳磁处理。它的温度系数小，温度稳定性很好，此外，铝镍钴永磁硬而脆，仅能进行磨削和电加工。铝镍钴永磁主要性能如表2所示。3) 稀土钴永磁(SmCOs、Sm2Co17等)稀土钴永磁的剩余磁感应强度Br和矫顽力Hc都很高，Br接近铝镍钴永磁的Br值，Hc值约为铁氧体永磁的3倍。而且退磁曲线基本上是一条直线，用它设计制造的电机可以不进行稳磁处理。它的温度系数比铝钴镍永磁稍高，但比铁氧体永磁低的多，因此，在高温下使用不怕退磁，磁性能稳定。此种永磁硬而
9、脆，加工性能很差，仅能用磨削和电加工。此外，此种永磁由于贵金属钴的含量大，因此，价格很贵，是永磁体中最贵的一种。稀土钴永磁的主要性能如表3所示。4) 钕铁硼(NdFeB)永磁钕铁硼永磁是被称为“磁王”的第三代稀土永磁。剩余磁感应强度Br、矫顽力Hc和最大磁能积（BH）max都很高。Br值一般为1.021.25T, 最高可达1.48T, 是铁氧体永磁的3-4倍，是铝镍钴和稀土永磁的体的1-1.5倍; Hc值一般为760-920KA/m, 内禀矫顽力MHc值一般为880-1680KA/m, 最高可达2240KA/m, 是铁氧体永磁的5-10倍, 是铝钴镍永磁的5-15倍, 是稀土钴永磁的1.5倍；
10、最大磁能积(BH)max值可达320J/m3, 是铁氧体永磁的10倍，是铝镍钴永磁的5-8倍，是稀土钴永磁1.5倍。它的退磁曲线是一条直线，用它设计的电动机不用进行稳磁处理。它的价格虽然比稀土钴永磁便宜得多，但也是铁氧体永磁的10倍左右价格。它的居里温度较低，温度系数较高，热稳定性较差。另外，它含有大量的铁元素，因此，容易被氧化、锈蚀，需要进行表面处理，如采用电镀或喷漆或沉积等方法进行表面处理。钕铁硼永磁的加工性能比稀土钴永磁加工性能要好一些，一般采用电加工，也可采用切片和磨削加工。钕铁硼永磁的主要性能如表4所示。5) 钕铁硼永磁同其他永磁相比较a) 与铁氧体相比较 优点：设计制造的电机体积小
11、、重量轻、出力大、效率高。在电机体积或重量相同的情况下，电机额定输出功率可提高30%-50%，甚至可提高100% ；在相同的额定输出功率条件下，电机的体积或重量减小三分之一左右。电机用铁和用铜量可大幅度减少，一般减少40%左右，同时电机效率提高10%-15% 。 缺点：价格偏高；温度系数大；有锈蚀问题。但是，这些缺点随着今后技术的发展和推广应用将会得到克服。b) 与铝镍钴永磁比较铝镍钴永磁优点是，温度系数小、居里温度高、热稳定性好、抗氧化能力强和耐腐蚀性好、加工性能好，在军用精密电机中应用有重要地位。铝镍钴永磁缺点是，矫顽力低、退磁曲线非线性、抗退磁能力差、须考虑可能遇到的最大去磁情况来进行磁
12、稳定处理且需消耗大量战略（钴）。与其相比钕铁硼永磁优点是，矫顽力高十几倍、抗退磁能力强、不需要进行稳磁处理且最大磁能积高5倍以上；但铝铁硼缺点是，温度系数高、居里温度较低、热稳定性差。c) 与稀土钴永磁比较稀土钴永磁和钕铁硼永磁一样，在磁性能上都非常优越兼有铁氧体永磁和铝镍钴永磁的优点。但与钕铁硼永磁相比，价格约贵4倍左右且加工性能差，更易碎裂。不过，稀土钴永磁热稳定性好，抗氧化能力强和耐腐蚀性好，因此，稀土钴永磁在军用电机中得到一定的应用。1.3 设计要点1) 合理选用永磁材料和磁极结构形式。2) 正确确定永磁体尺寸和工作点。3) 在磁路设计时必须满足下列条件：要有足够的磁势用来克服包括气隙
13、在内的磁路中的磁阻，并能在气隙中建立所需要的磁场，包括磁场分布形状和磁通量。4) 以效率为主的电枢设计应按照不同的槽形，选择好齿宽与齿距之间的比值以及槽深（或齿高）与电枢铁心外径之间的比值。槽形一般用“圆”梨形（半圆槽顶）“或”方梨形（梯形槽顶），对于极小容量电动机用圆形。方梨形比圆梨形的槽面积要增大5-10%。因此，下面均用方梨形槽进行设计计算。5) 考虑到永磁体的性能会随着供应厂家的不同，供应批次的不同，而有波动，甚至同一批次的但不同炉号的永磁体其性能也有波动。为使每批电机性能有较好的一致性，应根据永磁体进厂检验的实际性能，在生产中允许临时调整电枢绕组的设计。6) 合理选择换向器材料和电刷
14、材料。7) 采用塑料换向器。可选用换向器专业生产厂生产的换向器。8) 应控制好换向区宽度和换向元件电势在允许的范围内。9) 以伺服性能为主设计时，为了改善启动性能，降低启动电压，一般在电枢铁心上扭斜一个槽距。10) 以伺服性能为主的电枢铁心设计，要着重考虑为了获得快速响应，减小机电时间常数，应该减小转子的转动惯量，所以要设计细长的电枢。电枢外径定了以后，为了能产生最大的起动转矩（也即堵转转矩），应选择好齿宽与齿距以及槽深（或齿高）与电枢外径之间的比值。 1.4 常用公式 1) 输入功率P1=UaIa ,瓦(W) , 式中, Ua电枢电压，伏(V) , Ia电枢电流 , 安(A)2) 输出功率P2=(T2 n/0.975)10-5, 瓦(W), 式中, T2输出转矩 , 克/厘米(gfcm)3) 电磁功率Pem=EaI ,瓦(W) , Ea电枢反电势, 伏（V）4) 电势反电势Ea=(P Na / 60 a)a n10-8=Ke n , 伏 , 式中，Ke=（P Naa / 60 a）10-8，伏 / 转/分（V / r/min），Ke为反电势系数，它等于转速为1转/分时的反电势； Na电枢总导体数；p极对数；a电枢绕组并联支路对数；a每极有效磁通（或称主磁通），马克斯威尔(Mx)5) 转速n=Ea / ke =
