同步电机之永磁直流电动机的电磁设计

永磁直流电动机的电磁设计是根据额定数据和性能指标确定主要尺寸、永磁体尺寸、冲片尺寸、电枢绕组数据、换向器尺寸等，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。

一、永磁直流电机的额定数据和性能指标

永磁直流电动机的额定数据有额定功率尸N 、额定电压UN 、额定转速nN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、转速变化率等指标。

二、主要尺寸的确定

永磁直流电动机的主要尺寸是指电枢直径Da和电枢计算长度Lef，它们和电动机的电磁负荷有关。

1．主要尺寸与功率、转速、电磁负荷的关系

与普通直流电动机相似，永磁直流电动机的主要尺寸与计算功率P ’ 、转速、电磁负荷之间的关系为。

2．电磁负荷的选择

电磁负荷的选择直接影响到电机的体积、重量、损耗和效率，关系到电机的经济性和性能。在永磁直流电动机中，磁负荷基本上由永磁材料的性能和磁路尺寸决定，当永磁材料、磁极尺寸和外磁路尺寸确定后，B 。就基本上被确定，变化范围很小。初选时可根据永磁材料和磁极结构选取，对于铝镍钻永磁体，一般取B 一（0 . 5一0 . 7 ) B ,；对于铁氧体和稀土永磁材料，一般取B 。＝( 0 . 7一0 . 85 ) Br 。当线负荷A较高时，电机体积较小，节约钢铁材料，铁耗减小，但绕组用铜量增加，铜耗增加，绕组温升增大。对于连续运行的小功率永磁直流电动机，一般取A一30一100A / rm ,电枢绕组电流密度J取为。

3．气隙长度选取

从建立气隙磁场的角度考虑，气隙长度占应取较小的值，但由于受制造和装配的限制，占不能取得太小。此外，在永磁电机中，气隙磁场随气隙长度的变化没有电励磁电机那样敏感，当永磁体充磁方向长度较大时，略微调整气隙长度对气隙磁场影响不大。对于小功率永磁直流电动机，气隙长度通常取为0 . 15一0 . 6mm 。

三、永磁体尺寸的确定

1．永磁体充磁方向长度

永磁体充磁方向长度hm与气隙占大小有关。通常先根据电机的磁动势平衡关系预估hm初值，再根据具体的电磁性能计算进行调整；hm的大小决定了电机的抗去磁能力。在永磁直流电动机中，后极尖去磁最严重，因此应该校核最大电枢电流时后极尖永磁体的工作点，在保证不产生不可逆退磁的前提下，hm应尽可能小。

2．永磁体轴向长度

对于稀土永磁材料，一般取永磁体轴向长度Lm与电枢铁心长度La相同，有时为节约永

磁材料，Lm比电枢铁心长度略短。对于铁氧体永磁材料，由于价格便宜且Br较低，为减少

用铜量，往往取Lm ? ( 1 . 1一1 . 2 ) La 。

四、极数的选择

永磁直流电机的极数虽与转速无关，但对电机性能有较大影响。极数增多，每极磁通减少，电枢扼部和定子机壳厚度小；绕组端部缩短，用铜量减少；片间电压平均值增加，换向器出现环火的可能性增大；电枢铁心中磁场交变频率随极数增大而增高，扼部铁耗因扼部磁密的降低而增加不多或不增加，齿部铁耗随极数的增加而迅速增加。一般来讲，极数增加时，低速电机的效率略有增加，高速电机的效率有所降低。小型永磁直流电动机的极数一般为2一6极。

五、电枢冲片设计

1．槽数的确定

在永磁直流电动机中，采用较多槽数时，可以减少线圈匝数，降低换向元件中的感应电动势，有利于换向，但槽绝缘增加，槽利用率降低，还可能造成齿根部过窄。此外，槽数Q的选择还应保证绕组满足对称条件。

• 换向器和电刷

1．换向器尺寸的确定

( 1）换向器直径。在直流电机中，换向器直径通常如下选取

( 2）换向器长度。小功率电动机一般每极只有一只电刷，换向器长度Lk比电刷长度大。

( 3）换向器片距。换向器片距为。

七、换向条件的校核

在小功率永磁直流电动机中，换向问题不严重，为使结构简单，通常不设换向极。在设计中，通过限制换向区宽度和换向元件内的感应电动势来保证换向性能。在单方向旋转的永磁直流电动机中，常移动电刷以改善换向。

1．换向区域宽度

在直流电机中，每个槽内有多个元件边，从槽内第一个元件边开始换向到最后一个元件边换向结束，这段时间称为换向周期。在一个换向周期内，电枢所移过的弧长称为换向区宽度r，采用下式计算。