串勵(lì)電機(jī)定轉(zhuǎn)子沖片參數(shù)選擇思路與方法

羅選強(qiáng)，王典，董紅贊

（ 上海電動(dòng)工具研究所（集團(tuán)）有限公司，上海 200233 ）

0 引言

隨著電動(dòng)工具用串勵(lì)電機(jī)的設(shè)計(jì)研究和工藝制造水平的不斷提高，電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)也產(chǎn)生了新的內(nèi)容和變化。目前，串勵(lì)電機(jī)向著又小又輕的目標(biāo)發(fā)展，同時(shí)使電動(dòng)工具產(chǎn)品更輕巧，功率更大、轉(zhuǎn)速更高、重量更輕，這種設(shè)計(jì)趨勢(shì)在量大面廣的手持式電動(dòng)工具產(chǎn)品中顯得更加重要。本文主要論述電機(jī)沖片設(shè)計(jì)時(shí)定子外徑選取思路，以及相應(yīng)的轉(zhuǎn)子外徑尺寸如何確定。

1 概述

串勵(lì)電機(jī)定轉(zhuǎn)子沖片尺寸的選擇存在兩種主流觀點(diǎn)，即：“電機(jī)的功率和定子的外徑平方成正比”與“電機(jī)功率只和轉(zhuǎn)子的外徑平方成正比，轉(zhuǎn)子外徑越大越好”。

兩種觀點(diǎn)的碰撞，形成了串勵(lì)電機(jī)沖片設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素。

2 設(shè)計(jì)理念

電機(jī)沖片設(shè)計(jì)不僅應(yīng)滿足電機(jī)功率需要，更應(yīng)在電動(dòng)工具整機(jī)壽命、抗電磁干擾、火花以及電機(jī)單位重量功率比等其它性能方面獲得提高。

沖片設(shè)計(jì)必需滿足電機(jī)的生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)率，只有完成電機(jī)沖片設(shè)計(jì)后，以各檔沖片為平臺(tái)才能進(jìn)行如下的后續(xù)設(shè)計(jì)：

1）確定轉(zhuǎn)子沖片的種類和鐵芯疊長(zhǎng)，派生不同功率、不同轉(zhuǎn)速的電機(jī)，用數(shù)量盡可能少的電機(jī)滿足不同電動(dòng)工具產(chǎn)品的需求；

2）設(shè)計(jì)電機(jī)生產(chǎn)線主要設(shè)備上的一系列模具和夾具，特別是定轉(zhuǎn)子繞線機(jī)、槽絕緣機(jī)、點(diǎn)焊機(jī)、動(dòng)平衡機(jī)和一次成型軸絕緣機(jī)；

3）設(shè)計(jì)電機(jī)和關(guān)鍵零部件的試驗(yàn)和檢測(cè)設(shè)備；

4）根據(jù)確定的定轉(zhuǎn)子圖樣，設(shè)計(jì)電動(dòng)工具外型。

電機(jī)設(shè)計(jì)的理念：不存在最好的沖片和電機(jī)設(shè)計(jì)，只有最適合相關(guān)產(chǎn)品和工藝的定轉(zhuǎn)子沖片設(shè)計(jì)，促使電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和最優(yōu)化。

3 定子外徑

設(shè)計(jì)定子外徑尺寸的原則：不隨意設(shè)計(jì)定子外徑，而是選擇和市場(chǎng)通用尺寸的外徑，其優(yōu)點(diǎn)是有利于產(chǎn)品的維修替換并降低成本，增強(qiáng)和市場(chǎng)公用工模具的通用性和互換性，同時(shí)可以在外形尺寸相同的條件下調(diào)整內(nèi)部磁路結(jié)構(gòu)，以適合相關(guān)產(chǎn)品性能的需要（除特定產(chǎn)品外）。選擇一種定子沖片外徑應(yīng)能覆蓋企業(yè)盡可能多的電動(dòng)工具產(chǎn)品，有利于電機(jī)批量化和自動(dòng)化生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)。

表1 為國(guó)內(nèi)電動(dòng)工具產(chǎn)品常用定子外徑尺寸。其中，優(yōu)先采用的外徑系列是量大面廣，通用性最好的，也是電動(dòng)工具用串勵(lì)電機(jī)全國(guó)第二次聯(lián)合設(shè)計(jì)的電機(jī)系列。[1]

優(yōu)先采用的外徑可覆蓋額定功率為300 W～3 000 W 的產(chǎn)品系列，以及覆蓋超過(guò)70%的交流電動(dòng)工具產(chǎn)品。

4 轉(zhuǎn)子外徑

隨著串勵(lì)電機(jī)制造工藝水平的不斷提高，轉(zhuǎn)子外徑呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì)：

式中：P2為電機(jī)輸出功率，C1為電機(jī)功率系數(shù)，D2為轉(zhuǎn)子外徑，L 為鐵芯長(zhǎng)度，α 為定子極弧系數(shù)，A 為轉(zhuǎn)子線負(fù)荷，Bδ為氣隙磁通密度，n 為負(fù)載轉(zhuǎn)速。

式（1）中，電機(jī)輸出功率P2與轉(zhuǎn)子外徑D2的平方成正比，與鐵芯長(zhǎng)度L 成比，即代表與轉(zhuǎn)子體積L 成正比，與定子的極弧系數(shù)α成正比，與電機(jī)的電磁負(fù)荷ABδ成正比，與負(fù)載轉(zhuǎn)速n 成正比。電機(jī)功率系數(shù)C1是一個(gè)和電機(jī)損耗相關(guān)的非線性系數(shù)。

式1 表明，轉(zhuǎn)子外徑增大可有效提高電機(jī)輸出功率。但是，隨著轉(zhuǎn)子外徑不斷擴(kuò)大，電機(jī)功率未必一定獲得增加。其原因?yàn)椋?/p>

1）轉(zhuǎn)子外徑增大，定子的用鐵量減少，定子所占空間受到擠壓，定子磁軛寬度hc1和極靴的寬度減小，易使定子磁路飽和；

2）轉(zhuǎn)子外徑增大，定子空間減少后，繞組槽型面積縮小，定子安匝數(shù)受到限制，安匝數(shù)下降，使激磁產(chǎn)生的磁密Bm下降；

3）轉(zhuǎn)子外徑增大，定子極弧長(zhǎng)τ 隨之增加。

電機(jī)采用的矽鋼片，例如寶鋼470 矽鋼片，最高磁通密度為1.9 T, 定子磁軛和極靴的寬度減小,則電機(jī)的磁通量減?。?/p>

式中，φd為電機(jī)磁通量，C2為常數(shù)，Bm為矽鋼片磁密，hc1為定子磁軛寬度，L 為鐵心長(zhǎng)度。

上述三個(gè)因素使激磁的磁通量φd減小，根椐公式：

式中：τ 為定子等效極弧長(zhǎng)度。

可見(jiàn)氣隙磁密Bδ下降，輸出功率未必因轉(zhuǎn)子外徑擴(kuò)大而持續(xù)上升。

轉(zhuǎn)子外徑擴(kuò)大后，也隨之降低了電機(jī)的其它性能，表現(xiàn)如下：

1）轉(zhuǎn)子過(guò)大，使極靴的極尖和定子的磁軛距離縮短，換向區(qū)域的磁通和漏磁通增加，火花加大，對(duì)于雙向旋轉(zhuǎn)的電機(jī)不宜使用；

2）轉(zhuǎn)子過(guò)大，使定子繞組槽型面積縮小，定子繞組的電流密度提高，限制了電機(jī)輸出功率和效率的增加，也限制了雙向電機(jī)安匝比的提高；

3）轉(zhuǎn)子過(guò)大，使定子槽滿率提高，定子繞組的制作工藝變得困難，不產(chǎn)品良率上升。目前市場(chǎng)一些產(chǎn)品定子槽滿率超過(guò)150%（見(jiàn)圖1），通用的定子繞線機(jī)已不能滿足其需要；

4）定子槽滿率提高后，定轉(zhuǎn)子之間的通風(fēng)面積減少，致使定子溫升升高。

如上，定子即使能夠通過(guò)常規(guī)溫升試驗(yàn)，一旦負(fù)載超額時(shí)，定子溫升速度快于轉(zhuǎn)子溫升速度，過(guò)載能力下降，較易出現(xiàn)定子損毀先于轉(zhuǎn)子損毀的不良現(xiàn)象。

式（1）中。D2、A、Bδ和α 等要素相互關(guān)聯(lián)，在一般情況下：

式中：C3為轉(zhuǎn)子外徑和定子外徑比例常數(shù)，D1為定子外徑。

對(duì)于單向旋轉(zhuǎn)的電機(jī)C3取大值，對(duì)于雙向旋轉(zhuǎn)的電機(jī)C3取小值。如無(wú)特殊要求，不應(yīng)突破該系數(shù)。為適應(yīng)不同電動(dòng)工具產(chǎn)品，相同外徑的轉(zhuǎn)子可同時(shí)存在著幾種不同外徑的定子。

在定子外徑相同條件下，確定轉(zhuǎn)子外徑的大小實(shí)質(zhì)上是分配定子和轉(zhuǎn)子的負(fù)荷比例，轉(zhuǎn)子外徑越大，定子負(fù)荷越重；轉(zhuǎn)子外徑越小，則轉(zhuǎn)子負(fù)荷越重。例：通用性較強(qiáng)的外徑為35 mm 的轉(zhuǎn)子可以適應(yīng)如下外徑的定子：

1）定子外徑為55 mm

主要用于小腰身的Ф100 角向磨光機(jī)和電磨，適合于亞洲人群，握持較為方便省力。

2）定子外徑為58.5 mm

主要用在直握式曲線鋸、電木銑、角向磨光機(jī)等，握持手柄相對(duì)較粗且有力，適合于歐美人群。

3）定子外徑為61 mm

主要用于電鉆、沖擊電鉆、沖擊扳手以及電錘等產(chǎn)品，這些產(chǎn)品功率和轉(zhuǎn)速較低，但具有正反轉(zhuǎn)和調(diào)速功能，控制火花和抗電磁干擾難度較大，有時(shí)采用反向電子或機(jī)械限速方法。

筆者曾分別設(shè)計(jì)了定子外徑為58.5 mm和61 mm 的沖片，定子的安裝尺寸和定子扁勢(shì)的尺寸相同，轉(zhuǎn)子外徑為35 mm 通用，都已大批量投產(chǎn)和推廣。定子外徑為61 mm 的沖片和58.5 mm 相比，擴(kuò)大了定子繞組的槽型面積和定子軛部的寬度，在高速?zèng)_床加工過(guò)程中，消耗的矽鋼片原材料相同（見(jiàn)圖2）。

試驗(yàn)結(jié)果表明：在電機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)路和溫升相同情況下，定子外徑為61 mm 的沖片比定子外徑為58.5 mm 沖片在輸出功率上增加10%～15%，有效改善了產(chǎn)品火花現(xiàn)象，并提高了整機(jī)抗電磁干擾性能。

5 特定定轉(zhuǎn)子

某些特定的電動(dòng)工具產(chǎn)品，如量大面廣的Ф100 角向磨光機(jī)，產(chǎn)品要求尺寸小、重量輕，手感好、握持舒適，電機(jī)的單位重量功率比較為重要。這類產(chǎn)品的電機(jī)轉(zhuǎn)速高，因而電機(jī)的用鐵量少而用銅量大，轉(zhuǎn)子外徑應(yīng)大些，與定子外徑的比例可達(dá)0.62-0.68，定子槽滿率可提高至120%～150%。

轉(zhuǎn)子放大后定子的槽形面積減小，高槽滿率必須采用特制的定子繞線機(jī)。部分定子沖片采用兩對(duì)半形式，線圈繞制方法類似于變壓器繞組，需采用特殊的繞線機(jī)。為保證上述工藝實(shí)現(xiàn)，避免定子線圈變形和散包，應(yīng)采用自粘性電磁線，無(wú)需浸漆和焙烘工藝。

上述方法提供了轉(zhuǎn)子放大和高定子槽滿率的成功設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)工藝，可大幅提高電機(jī)的單位重量功率。但是，類似沖片僅為特定產(chǎn)品量身定做，不適用于轉(zhuǎn)速低的電機(jī)和正反轉(zhuǎn)電機(jī)。

6 結(jié)語(yǔ)

在全面滿足電機(jī)各種性能要求下，電機(jī)的額定輸入功率與定子外徑平方（定子外徑D1和定子扁勢(shì)長(zhǎng)度B 的乘積）和鐵心疊高成正比。電機(jī)定轉(zhuǎn)子沖片設(shè)計(jì)應(yīng)平衡磁通密度、槽滿率、激磁安匝、電磁負(fù)荷、熱負(fù)荷等參數(shù)，同時(shí)協(xié)調(diào)功率、轉(zhuǎn)速、效率、溫升、火花和抗電磁干擾等性能的關(guān)系。感應(yīng)電機(jī)、無(wú)刷電機(jī)以及其他種類的電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)都可遵循上述思路。