張文海
(成都精密電機(jī)廠,四川成都610500)
這是一種簡易變速永磁直流電動(dòng)機(jī)。其中一對(duì)電刷正常安放在幾何中性線上,第三只電刷則偏離幾何中性線一個(gè)角度安裝,并用一鈕子開關(guān)控制與另一個(gè)電刷接通(短路)和斷開。斷開時(shí),電機(jī)處于正常的低轉(zhuǎn)速運(yùn)行;接通時(shí),在不改變電樞電壓的情況下,電機(jī)處于一種高轉(zhuǎn)速運(yùn)行狀態(tài),即在不改變永磁直流電動(dòng)機(jī)電樞電壓的條件下,用三只電刷可獲得兩種不同的轉(zhuǎn)速。調(diào)速簡單、方便,優(yōu)點(diǎn)顯著。但也存在下述顯著缺點(diǎn):(1)第三只電刷因偏離幾何中性線,當(dāng)與另一只電刷接通時(shí),馬上變?yōu)榉菐缀沃行跃€換向,火花大,換向損耗大,空載電流大;同時(shí),因轉(zhuǎn)速增高空載損耗也會(huì)變大,所以空載電流更大。(2)兩并聯(lián)支路的電阻變得明顯不等,電流不等,電動(dòng)力也不等,所以電動(dòng)機(jī)支行不如正常運(yùn)行平穩(wěn)。
第三只電刷與為一只電刷接通,等效于電樞的有效元件數(shù)減少,電機(jī)反電勢系數(shù)降低,所以在同樣的電樞電壓下所以電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)升高,調(diào)速簡單的優(yōu)點(diǎn)則在這里。
不能。電樞外圓磨小,電動(dòng)機(jī)空載轉(zhuǎn)速升高,但額定轉(zhuǎn)速不會(huì)升高,甚至?xí)霈F(xiàn)降低的結(jié)果,這可用弱磁恒功率調(diào)速來說明這一問題。電機(jī)額定轉(zhuǎn)速偏低,說明電機(jī)額定輸出功率偏小。電樞外圓磨小,等效于弱磁升速,電機(jī)輸出功率不變,仍然偏小。因轉(zhuǎn)速升高后,同樣的負(fù)載電流下,電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)變小,機(jī)械特性會(huì)變軟,要達(dá)到額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩,必須要加大負(fù)載電流,電樞壓降增大,所以額定轉(zhuǎn)速可能較原來的還要低。
因此,直流電動(dòng)機(jī)若出現(xiàn)額定轉(zhuǎn)速偏低,不能從降低氣隙磁通入手,而應(yīng)從怎樣減小電樞電阻入手。例如電刷接觸電阻是否太大?或者繞組線徑是否小了?因在氣隙磁通一定的情況下,電樞電阻越大,直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性越軟,空載轉(zhuǎn)速須高,額定轉(zhuǎn)速則可能出現(xiàn)不合格。若不能減小電樞電阻,則應(yīng)更換磁性能好的磁鋼,以增大氣隙磁通。因在電樞電阻一定的情況下,氣隙磁通越大,直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性越硬,加載后轉(zhuǎn)速變化越小,額定轉(zhuǎn)速一般不會(huì)偏低,但這時(shí)空載轉(zhuǎn)速也會(huì)降低。若既增大氣隙磁通,又減少電樞繞組匝數(shù),效果更好,電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速不變,機(jī)械特性卻變得較硬,一般不會(huì)出現(xiàn)額定轉(zhuǎn)速偏低。
電勵(lì)磁的優(yōu)點(diǎn)是磁極通過勵(lì)磁安匝可以產(chǎn)生很強(qiáng)的磁動(dòng)勢。即在達(dá)到同樣磁性能條件下,電勵(lì)磁磁極可以做得較小,而永磁體磁極卻做得較大。缺點(diǎn)是電勵(lì)磁磁極結(jié)構(gòu)復(fù)雜。另外,電勵(lì)磁調(diào)節(jié)方便,可以滿足對(duì)電機(jī)性能調(diào)節(jié)的各種要求,而永磁體卻無法做到。所以,對(duì)于體積較小而無特殊調(diào)控要求的小型直流電動(dòng)機(jī),為避免結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制造困難,一般采用永磁體勵(lì)磁,而對(duì)于一些功率較大的直流電機(jī),為了減小體積,節(jié)約材料和滿足對(duì)性能的調(diào)控要求,一般不選用永磁體勵(lì)磁,而選用電勵(lì)磁。
永磁直流力矩電動(dòng)機(jī)是以輸出轉(zhuǎn)矩為主,常以低轉(zhuǎn)速和大力矩為主要特征。要達(dá)到低轉(zhuǎn)速和大力矩兩個(gè)要求,必須增大電樞直徑D。在其它結(jié)構(gòu)參數(shù)和電樞電壓一定的情況下,直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電樞直徑D成反比,即電樞直徑越大,同樣電樞電壓下轉(zhuǎn)速越低。所以要獲得低轉(zhuǎn)速,增大電樞外徑是主要途徑。增加鐵心長度也可獲得低轉(zhuǎn)速,但由此會(huì)增加嵌線和磁鋼粘貼工藝難度。而直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和電樞直徑D2成正比,所以永磁直流力矩電動(dòng)機(jī)要獲得大轉(zhuǎn)矩,增大電樞直徑最有效。雖然增加電樞鐵心長度也可獲得大轉(zhuǎn)矩,但與轉(zhuǎn)矩僅是正比關(guān)系,不如電樞直徑以平方正比關(guān)系增大電磁轉(zhuǎn)矩更有效。另外,電機(jī)常數(shù)(相當(dāng)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的效率)也是和電樞直徑成正比關(guān)系,要增大電機(jī)常數(shù),也須增大電樞外徑。基于以上三個(gè)原因,永磁直流力矩電動(dòng)機(jī)大多設(shè)計(jì)成長徑比很小的圓盤形結(jié)構(gòu)。
永磁直流力矩電動(dòng)機(jī)一般轉(zhuǎn)速不高,對(duì)換向器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求也不高,槽楔式換向器不但能簡化換向器工藝,節(jié)約成本,還能縮短電機(jī)軸向尺寸,緊湊安裝空間。缺點(diǎn)是電流承載能力差,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低,換向器與鐵心的爬電距離短,易受導(dǎo)電粉末污染,電樞絕緣降低。故槽楔式換向器多用在小機(jī)座號(hào)力矩電機(jī)上,而大機(jī)座號(hào)力矩電機(jī)仍多采用整體式換向器。另外,槽楔式換向器只能用于直槽電樞,不能用于斜槽電樞。
電樞采用斜槽可減小磁阻轉(zhuǎn)矩,由此可減小力矩電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)。但斜槽后,導(dǎo)體變長,有效長度卻不變,等效于電樞繞組端部加長,銅耗增大,電機(jī)常數(shù)(等效于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的效率)降低,這是小機(jī)座號(hào)力矩電機(jī)所不希望的。小機(jī)座號(hào)力矩電機(jī)就是因?yàn)殡姌兄睆叫?,電機(jī)常數(shù)小,因斜槽而減小電機(jī)常數(shù),這對(duì)電機(jī)的力能指標(biāo)不利。另外,小機(jī)座號(hào)力矩電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速一般較高,對(duì)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)要求較低,也沒有必要將電樞設(shè)計(jì)成斜槽結(jié)構(gòu)。更主要的原因是為了簡化換向器工藝,小機(jī)座號(hào)力矩電機(jī)多采用槽楔式換向器,要采用槽楔式換向器,電樞則不能采用斜槽,否則換向片槽楔插入槽中,換向器卻無法成型。
可以估算。因永磁直流力矩電動(dòng)機(jī)的空載電流同其它直流電動(dòng)機(jī)的空載電流一樣,主要是由空載損耗決定的。對(duì)于低速直流力矩電動(dòng)機(jī)來說,80% ~90%空載損耗都是鐵耗,電磁線的損耗(銅耗)、機(jī)械耗、風(fēng)磨耗都很小,這就為永磁直流力矩電動(dòng)機(jī)空載電流計(jì)算提供了方便。電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí),根據(jù)電機(jī)空載轉(zhuǎn)速、電樞齒槽數(shù)、極對(duì)數(shù),計(jì)算出電樞鐵心的磁場變化頻率,再根據(jù)所使用的硅鋼片、所選用的磁密,從手冊上查出該硅鋼片單位體積的鐵耗,再根據(jù)鐵心的重量,計(jì)算出電機(jī)的總鐵耗,總鐵耗除以電樞電壓,則是電機(jī)空載電流。因查書本曲線,很難查準(zhǔn)硅鋼片單位體積鐵耗,故計(jì)算誤差較大。另一種方法是數(shù)理統(tǒng)計(jì)。實(shí)踐證明,直流力矩電動(dòng)機(jī)的鐵耗主要來自于齒槽磁場脈振。因?yàn)橹绷髁仉妱?dòng)機(jī)的電樞齒槽數(shù)一般很多,齒槽磁場脈振頻率通常是磁場交變頻率的數(shù)倍到數(shù)十倍,所以鐵損主要來自于齒槽磁場脈振。雖然氣隙磁密對(duì)鐵損的影響也很大,但電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí),磁負(fù)荷一般相差不會(huì)很大,故數(shù)理統(tǒng)計(jì)時(shí),只統(tǒng)計(jì)不同電機(jī)在不同的齒槽脈振頻率下產(chǎn)生的單位體積鐵耗即可。計(jì)算電機(jī)空載電流時(shí),根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、齒槽數(shù),便可算出齒槽磁場脈振頻率。根據(jù)鐵損與磁場脈振頻率的平方成正比,便可算出總鐵耗,由此估算出電機(jī)空載電流,準(zhǔn)確度較高。表1則是永磁直流力矩電動(dòng)機(jī)(鐵心均采用DR510-50軟磁材料,在磁負(fù)荷相差不大的情況下)在不同齒槽磁場脈振頻率下的單位鐵心鐵耗的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。
從表中數(shù)據(jù)可以看出,DR510-50軟磁材料在磁通密度B為0.7 T左右,磁場脈振頻率80 Hz時(shí),單位鐵耗近似為1 W/kg,1#、2#、3#電機(jī)均這樣。磁場脈振頻率增加1倍,單位鐵損則增加平方倍,16種電機(jī)基本一致。例如5#電機(jī)磁場脈振頻率是1#電機(jī)頻率的2倍,單位鐵耗是1#電機(jī)的4倍,為4.1 W/kg。8#電機(jī)也這樣,單位鐵耗為 3.5 W/kg,稍小一點(diǎn),原因是氣隙磁密B稍小。
表1 永磁直流力矩電機(jī)不同磁場頻率下的鐵心鐵耗
絕緣材料的絕緣電阻包括兩部分:體電阻和表面泄漏電阻,它們以并聯(lián)形式影響電機(jī)的絕緣。因絕緣材料多具有負(fù)電阻溫度系數(shù)性質(zhì),且體電阻受溫度影響很大,溫度每升高10℃,絕緣材料的體電阻會(huì)減小一半。因此,電機(jī)高溫試驗(yàn)后絕緣電阻降低很正常,所以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定永磁直流力矩電機(jī)高溫試驗(yàn)后絕緣電阻只大于10 MΩ。低溫后絕緣材料的絕緣電阻只會(huì)增大,所以低溫試驗(yàn)后標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定絕緣電阻應(yīng)大于500 MΩ。表面泄漏電阻受濕度影響較大,所以潮熱試驗(yàn)后對(duì)絕緣電阻要求更低,只大于1 MΩ。