电枢槽数及换向器片数的关系.doc

专题E 电枢槽数、换向器片数对电机性能的影响

一、概述
1.总体说来,电枢槽数Z增多,相应地换向片(K)增多,电机性能改善.
、槽数Z – 包括Z的大小,以及Z=奇数或Z=偶数.
‚、槽数Z与换向片数的K的关系.
Z=K 或Z – 脉动量的大小.
ƒ、换向性能
a) 对换向电势的影响.
b) 对片间电压的影响.
„、振动、噪声
a) 对气隙齿谐波磁导和齿谐波磁场幅值及阶次的影响.
b) 径向磁拉力是否均匀对称,平衡.
…、有效导体数及电流波形
†、绕组对称性要求
‡、传热,散热效果,电枢温升.
ˆ、工艺方面
a) 绕线
b) 电枢齿最小宽度 限制.
c) 换向片节距,电刷宽度的限制.

3、选取槽数的数值范围
、
‚、 直流电机
交流串激电机
- 单位cm.
ƒ、
二、槽数Z、换向片数K对电机性能影响分析.
1、分析Z=K=2的直流电机.
、电机模型
2P=2,认为气隙磁场按正弦波分布.转子上有1,2二个槽,要放ab,cd两根导体,A,B二个电刷,以n的转速,顺时针方向旋转.
‚、发电机运行工况分析
a) 电枢旋转一周(转),即(秒),在 “ab – cd”线圈内感应的电势 ,为2个半波的脉动波形.
b) 如果外按负载R,则形成电枢电流(即输出电流),其波形与 一致.
c) ,均为强烈脉动的直流.
ƒ、电动机运行工况分析.
a) 若电源为恒定直流,A仍为正刷,电流从此流入,这样在导体ab,cd中电流的方向与发 电机工况相反,但n方向一致,仍然为顺时针方向旋转.
b) 由于感应的反电势仍有如发电机工况的半波脉动波形,即使恒定值,仍为脉动直流.
c) 由, 脉动,必定引起电磁转矩Tm脉动.
d) 如果负载阻力矩TB是恒定值,由于Tm是脉动,Tm与TB之间时而存在正的加速转矩(),使;时而为,使,因而转速n也是脉动的!
„、由于T,n中存在过大的脉动分量,在有刷直流电动机中,不采用K=Z=2的设计.

2、Z=K=3的三槽直流电动机的性能分析,将在专题F中讨论.

3、 Z(K)>3的直流电动机性能分析.
、 Z(K)>3的电机,指一般性电机,而不是具体分析Z=5,7,9的电机.
‚、转矩
a) 运行转矩 – 分析表明,当以后,脉动分量大大减小,且随,愈平稳.

b) 定位转矩 – ,定位转矩(即磁阻转矩)
c) 起动转矩 –,特别是Z=奇数,起动转矩均匀,与起动初瞬(t=0时)转子的位置无关.
ƒ、转速 -,随着Tm脉动量减小,转速的脉动,愈平稳.对于某些家用电器或办公设备上的电动机是
重要的.
„、对换向性能的影响.
a) 当 一定时,,
b) 当一定时,平均片间电压.使换向器上产生环火的可能性.
c) 当换向器直径DK一定时,K,.当电刷宽度不变时,它覆盖(接触)的换向片数这样,可能有几个线圈在同时换向:
i. 对于Z=K=S,即u=1,每槽内只有一个线圈的电机,同时换向的线圈间没有互感电势,因而对 无影响.
ii. 对于的电机,即槽内安放个线圈,可能同时换向,它们之间有互感存在,将使数值,波形复杂化.
iii. 对于单转向电动机,当采用时,可在2个线圈总匝数不变的情况下,分为匝数不等的2个线圈,例如一只占65%,另一只占35%,利用同一槽中的线圈,一只超前换向,另一只正常换向,可减少它们之间的互感,又使后换向元件的达到改善换向的目的,Dr.孙进行了这方面研究,已有成果.
d) 实例:AC串激马达,要从定子线圈抽头处,引出一个的交流电压,进行全波整流,供给一台18VDC马达,这时,用Z=K=S=8,由于火花大,电刷寿命,后改为Z=8,K=S=16,火花,寿命,达到客户要求,这是,的结果.
…、振动和噪声
a) 当使气隙磁导中的一阶和二阶齿谐波磁导的次数上升.而幅值(径向电磁力
),电磁力节点对数.而振动的振幅,即激振力幅值,节点,振动幅值m.于 是,使电机的电磁振动,相应地,电磁噪音.
b) ,但由于槽开口宽并不根据的比例,以相应的比例减小,因而齿谐波磁场的幅值并不按的比例下降,使振动、噪声的幅值有一定影响.
c) 对Z很少时,如Z=5,7等,对于2P=2的电机,有时在两个极面下的齿(面)数不等,引起径向磁拉力的不平衡,这种不平衡是随电机电枢旋转而变化的,因而可能引起振动.由于微型永磁直流电动机都采用滑动轴承,存在径向游间隙.上述单边磁拉力就可能引起转子的振动.
d) 物体出现振动,一是要有足够强度的激振力,二是激励的频率与物体的固有频率接近,才能形成大的响应.一般说来,转子的整体性,刚性较好,固有频率很高.难以与激振频率相近;而定子为壳体结构,刚性较差,低,因而一般由气隙谐波磁场引起的振动,多数出现在机壳方面.
e) 振动和噪声都是由物体振动所引起,后者是物体将振动传给空气,使空气形成压缩与伸张的波式运动,传入人耳就成噪声.
“低频显振,高频显声”.
†、电枢有效导体数及电流波形.
a) ,如果保持电刷所覆盖的换向片数不变,即同时被短路进行换向的线圈数K’不变.
i. K,即S,不变,W’,这样,被短路的线圈数,即有效导体数’ ,则
ii. 对于K=S=奇数的电机,运行中,有时一支路中多一个线圈,另一支路少一个线圈,这样, 不但每支路电阻不同,电流不平衡,也使电枢的等效电阻变,从而引起的波动.
如果W’,则这种波动.
b) 这种每支路和不同,导致的变化和的波动,除了内部可能有环流外,则外电路(总电枢)电流的波形变化,它不是一条直线,而是有周期性波动分量,可由示波图看出.W’,波形的波峰与波谷之差缩.
‡、绕组的可绕性条件要求.
a) 对于2P=2的微型电机,均采用单叠绕组,无论奇数或偶数,均可满足可绕性条件.
b) 对于2P=4的直流电机,如果采用单波绕组,根据则K=S=奇数,才能满足可绕条件.
这时,对于槽数整数,奇数,则奇数,才能满足,通常1,3. Z=9,11,13,17,19,21,23等.
ˆ、传热、散热效果及电枢绕组温升.
通常,电枢中绕组的温度高于铁芯的温度,热量由绕组通过齿壁传到电枢外表面及转轴,再通过传导和对流,传送到周围介质(大气)中.当Z,整个电枢的齿的周长,齿壁的总面积,使传导热阻,.另外,W’,在一个槽内的导体数,使槽内导体的温度比较均匀,其最热点与平均温度之差.
‰、工艺方面
a) 绕线 ----- Z=偶数,它是对称分布,一般绕线机均能方便进行绕组,当Z=奇数时,有些绕线机则不
便操作.
Z,尽管不变,但因K=S,线圈个数,工时.
b) 电枢最小齿宽的限制.
i. 受模具,冲床设备及冲制工艺的限制.
ii. ,将使齿内铁耗的修正分数.(冲制后被加工周界处金属,晶体颗粒变粗,磁滞损耗).
c) 换向片节距,电刷宽度限制.
i. 太小,则换向片宽太小,不便于线圈端头的焊接(点焊),还受换向器旋转时,换向片所受应力 限制,并且容易变形.
ii. 太小,当电流密度不变时,则只有加长电刷.这样,必然要求换向器加长;另外,太小,强度不够,容易折断.