永磁直流力矩电动机设计讨论
张文海，谭宏松
(成都精密电机厂，四川成都610500) 中图分类号：TM33 文献标识码：E
文章编号：1004—7018(2008)05—0060—02
l采用虚槽和减少极对数都可降低片间电压，哪种方法更好?
虚槽方法好。虚槽方法虽然换向器工艺、下线工艺难度有所增加，但片间电压降低显著。一个实槽中有多少虚槽，片间电压就可降低多少分之一。同时换向电感则会按四分之一关系降低，这不但可以防止电位差火花，也可减小换向元件的电抗电势，减小换向火花。一举两得，不会顾此失彼，恶化电机其它性能。
减少磁极对数降低片问电压则不然。我们知道，一台制造好的直流电动机，每一个元件承受的电压是固定的，而直流力矩电动机由于采用的是单波绕组，每两个相邻换向片之间，有多少对磁极，就串联了多少个元件。故片间电压随磁极对数的增加而增大，随磁极对数的减少而降低。
在刃(磁直流力矩电动机设计中，为防止电位差火花，常采用减少极对数的方法来降低片间电压。但此法降低片间压并不显著，即使极对数减少一半，片间电压也才降低二分之一。而大幅度减少极对数的结果，会给电机设计带来诸多困难：一是电枢端部尺寸成倍增加，铜耗增大，由此引起电机常数减小。二是电枢轭磁密成倍增大，极对数减少一半，电枢轭磁密则增大一倍，由此造成电枢轭饱和，漏磁增大，铁损增加，电机常数也会减小。同时，极对数减少一半，线圈几何尺寸会增大一倍，而线圈电感是与几何尺寸成正比的，由此使换向元件电抗电势增加，反而对换向不利。例如一种永磁直流力矩电动机，原性能实测参数为：U=110 v，n。=970r／min，I0=O.57 A，L=3 2 mH，Ra=2.45Ω，4.5 A连续堵转转矩Tk=4.88 N·m。设计参数为P=lO，线圈匝数N1=20，换向片数K=111，气隙碰密Bδ=O．69 T。由于片间电压稍高，采用减少极对数的方法降低片间电压，极对数减少一半，P=5，其它设计参数不变，变极后测得的电机性能参数为：u=110 V，n。=1 077 r／mm，L=O 95 A，L=8 2 mH，Ra=4 25n，4 .5 A连续堵转转矩巩=4 38 N·m。比较前后两组数据，可蹦看出，减少极对数后，损耗增大了，矗由原来的0.57A变大为O.95 A；电机常数减小了，由原来的0.70 N·m／／w减小为O 47 N.m，.故4．5 A的连续堵转转矩Tk由4.88 N·m减小为4.38 N·m，因电枢电感L=3.2 mH已增大到8.2 mH，换向火花较大，必然对换向不利。
如果该电机采用虚槽法降低片问电压，则不会影响原电机性能，又可显著降低片间电压。但采用虚槽法对单波绕组的直流力矩电动机来说也有一定难度，即单波绕组无论是实槽还是虚槽，其槽数都必须是奇数，否则下线无法进行。若一个实槽中采用3个虚槽，下线可行，但工艺难度又增加；若一个实槽中采用2个虚槽，对降低片问电压和减小换向电感都有利，但又犯了单波绕组不允许偶数虚槽的大忌。如上面举例电机，实槽数臣=11l，若一个实槽采用2个虚槽，则总虚槽数Kj=222。这里尽管实槽数为奇数，但一个实槽变两个虚槽后，总虚槽数则变为偶数。这对叠绕组电机来说，下线不成问题；而对单渡绕组的力矩电动机来说，下线有困难。那么，虚槽既然对降低片问电压，减小换向元件电感有好处，采用两倍偶数虚槽是否就根本不行呢?回答是也不尽然。若将虚槽数222变为221，下线就不成问题了。只不过这里作一点小小的牺牲，其中109个实槽中上下层放4个元件边，2个实槽上下层放3个元件边。这一点变化虽然对支路对称性及反电势有微小影响，但对电机总的性能来说，影响不大。经此变化，原线圈个数由111变为221，匝数由N1=20变为N1=10，换向片数也由原来的111变为22l，其它设计参数不变。这样，既保持了原电机性能不变，又可降低片间电压，减小换向电感。2极对数p，电枢槽数K，元件匝数Nl，极弧系数α，电枢外径D，电枢铁心长度L，气隙磁密B。等参数对永磁直流力矩电动机的性能影响很大，能否从物
理概念上说明这些参数是怎样影响电机的空载转速、堵转转矩的?
Ke为永磁直流力矩电动机简化的反电势系数计算公式，用该公式阐述上述参数对电机眭能的影响非常方便。对于极对数p，p对永磁直流力矩电动机的反电势系数Ke没有影
响，所以极对数P也就不会影响直流力矩电动机以及其它直流电动机的转速及转矩。但极对数P对永磁直流力矩电动机的转矩波动影响较大。极对数越少，每极下的元件数会越多，转矩波动则越小；反之，极对数越多，每极下的元件数会越少，转矩波动会越大。另外，极对数少，线圈几何尺寸大，换向电感大，换向不好。反之， |
