基于MagNet的深槽串勵電動機設(shè)計

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．深圳東勝電機集團，廣東深圳518104)

0引 言

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

串勵電動機參數(shù)的非線性，存在換向器，傳統(tǒng)電磁計算方法復(fù)雜，需要試樣很多次，不斷修正參數(shù)，材料浪費多，開發(fā)周期長。本文提出了一種基于MagNet電磁場仿真軟件的設(shè)計方法。介紹深槽串勵電動機的MagNet模型建立過程，仿真分析電機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臺樣機，并對樣機進行測試。

1主要電磁參數(shù)

本文針對一款食物處理器用串勵電動機進行深槽設(shè)計。其技術(shù)指標如下: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≤1．5。

1．1 主要尺寸

串勵電動機主要尺寸關(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為計算功率;a為極弧系數(shù);A為電負荷;Bδ為氣隙磁密。

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

淺槽電機的極身寬度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，窄極身縮短了勵磁繞組的平均長度。

一般說來，轉(zhuǎn)子槽數(shù)S多，會改善電動機性能，如減少脈動轉(zhuǎn)矩、提高起動轉(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)，為了動平衡的需要，同時為了采用雙飛叉機械繞線工藝，常采用偶數(shù)槽。該電機取槽數(shù)為12，半閉口梨形槽結(jié)構(gòu)。深槽串勵電動機的定、轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1．2繞組與換向設(shè)計

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

圖1 深槽串勵電動機的定、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是一個重要的電磁參數(shù)，W1為一個極的激磁繞組匝數(shù)，N為電樞總導(dǎo)體數(shù)。匝比大小表示定、轉(zhuǎn)子磁場的相對強弱情況:匝比大，定子主磁場強，磁場畸變小，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］，該電機設(shè)計匝比為0．36，激磁繞組 W1=120匝，電樞總導(dǎo)體數(shù)N=1 344 672匝。

串勵電動機的突出問題是換向條件惡劣［5］:換向火花會加劇電刷與換向器磨損，影響電機的可靠性，導(dǎo)致電機壽命減短，并帶來電磁干擾。為了減少換向元件的電抗電勢來改善換向，該電機采用雙鉤結(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個換向片;電樞繞組采用串勵電動機常用的雙層單疊結(jié)構(gòu)，所以相鄰掛鉤上的電樞線圈為28匝。還可以采用電刷逆旋轉(zhuǎn)方向偏移幾何中性線一定角度來改善換向［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上，常常將電樞繞組相對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電磁場仿真軟件對設(shè)計的深槽串勵電動機磁場、運行性能進行分析。MagNet電磁場分析過程有建模、求解、后處理3個步驟。

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)電機各部分的結(jié)構(gòu)尺寸、材料來建立，其步驟是:先在auto-CAD中畫出深槽串勵電動機的平面圖;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;再生成繞組，設(shè)定激磁繞組118匝，線徑0．67 mm，電樞繞組每個線圈28匝，線徑0．33 mm;最后生成運動部件。

電路模型:根據(jù)串勵電動機的運行原理(為了使轉(zhuǎn)子輸出轉(zhuǎn)矩最大，在一個極下的線圈邊的電流應(yīng)該保證是同一個方向，即電刷連線上兩旁的線圈邊電流方向正好相反)，確定24個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為激磁線圈(i=1，2)，Coil#j為電樞線圈(j=1，2，…，24)。

圖2 串勵電動機MagNet仿真電路圖

2．2 磁場分布

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電動機的磁場分布如圖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)使氣隙磁場發(fā)生扭斜，飽和的極尖磁密最高達1．9 T，不飽和的極尖磁密約1．4 T，計算得氣隙平均磁密約為0．35 T，磁路設(shè)計較合理。

2．3電機性能仿真

2．3．1 空載、負載特性

用Transient 2D with Motion求解器仿真求得電機的空載轉(zhuǎn)矩T、轉(zhuǎn)速n、激磁線圈電流Ij和電樞線圈電流Ia隨時間的波形，如圖5所示。由空載運行曲線可知:串勵電動機的起動力矩最大值約為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;激磁線圈電流2．41 A，是電樞線圈電流1．21 A的2倍。

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

圖5 空載、負載運行曲線

2．3．2不同電刷偏移角度下的負載分析

設(shè)置負載為0．25 N·m，激磁線圈118匝，電樞線圈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，仿真求得電機的速度 n、激磁線圈電流Ij、電樞線圈電流Ia，如表1所示。隨著電刷偏移角度增加，激磁線圈電流增大，轉(zhuǎn)速減少。其原因是偏移電刷后，電抗電勢和反電勢會都會減少，但由于電源電壓不變，所以電流增大，磁通Ф增大，由串勵電動機轉(zhuǎn)速公式知，轉(zhuǎn)速減少。

表1 電刷偏移不同角度時電機性能

串勵電動機的轉(zhuǎn)速公式:

2．3．3不同激磁線圈匝數(shù)下的負載分析

設(shè)置負載為0．25 N·m，電樞線圈為28匝，電刷逆旋轉(zhuǎn)方向偏移15°時，調(diào)整激磁線圈匝數(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，仿真求得電機的速度n、激磁線圈電流Ij、電樞線圈電流Ia如表2所示:激磁線圈匝數(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)時電機性能

2．3．4不同電樞總導(dǎo)體數(shù)下的負載分析

設(shè)置負載為0．25 N·m，激磁線圈為118匝，電刷逆旋轉(zhuǎn)方向偏移15°時，調(diào)整電樞線圈匝數(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，仿真求得電機的速度 n、激磁繞組電流Ij、電樞線圈電流Ia如表3所示:電樞線圈匝數(shù)增加，電流減少，轉(zhuǎn)速下降。其原因是電樞線圈增加后，電勢常數(shù)Ce和電樞電阻Rf增加;激磁線圈電流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，由式(2)知，轉(zhuǎn)速下降。

表3 不同電樞繞組匝數(shù)時電機性能

3樣機試驗

根據(jù)仿真結(jié)果，選擇繞組參數(shù):激磁線圈118匝，線徑 0．67 mm;電樞線圈28匝，線徑 0．33 mm，電樞繞組相對換向片偏移15°，加工了 3 臺樣機，樣機如圖6所示，樣機的測試結(jié)果如表4所示。

圖6 樣機照片

表4 樣機試驗數(shù)據(jù)

由表4可知:電機額定負載時實測轉(zhuǎn)速值略低于仿真值，實測電流值高于仿真值，是由于仿真時沒有考慮到機械損耗。樣機測試結(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，滿足設(shè)計要求。

相同指標的淺槽電機激磁繞組用銅線426 g，而該深槽電機激磁繞組用銅線342 g，銅線用量減少;淺槽電機需要用線模先繞制好激磁線圈，然后嵌入槽內(nèi)，再整形，工藝復(fù)雜，深槽定子采用自動化繞線機一次成型，生產(chǎn)效率提高。

4結(jié) 語

利用MagNet電磁場仿真軟件能夠準確地分析串勵電動機在不同繞組參數(shù)的運行性能。電刷偏移角度增大會改善換向火花，但會使電流增大，轉(zhuǎn)速下降，效率降低，所以要根據(jù)實際需要選擇合適偏移角度;增加激磁繞組會使電機機械特性變硬，但會使額定轉(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。

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

［2］ 謝桂蘭．淺談半深槽單相串勵電動機的設(shè)計［J］．電動工具，1992(2):18-21．

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