永磁直流力矩電動機設計討論
張文海，譚宏松
(成都精密電機廠，四川成都610500) 中圖分類號：TM33 文獻標識碼：E
文章編號：1004—7018(2008)05—0060—02
l采用虛槽和減少極對數都可降低片間電壓，哪種方法更好?
虛槽方法好。虛槽方法雖然換向器工藝、下線工藝難度有所增加，但片間電壓降低顯著。一個實槽中有多少虛槽，片間電壓就可降低多少分之一。同時換向電感則會按四分之一關系降低，這不但可以防止電位差火花，也可減小換向元件的電抗電勢，減小換向火花。一舉兩得，不會顧此失彼，惡化電機其它性能。
減少磁極對數降低片問電壓則不然。我們知道，一臺制造好的直流電動機，每一個元件承受的電壓是固定的，而直流力矩電動機由于采用的是單波繞組，每兩個相鄰換向片之間，有多少對磁極，就串聯了多少個元件。故片間電壓隨磁極對數的增加而增大，隨磁極對數的減少而降低。
在刃(磁直流力矩電動機設計中，為防止電位差火花，常采用減少極對數的方法來降低片間電壓。但此法降低片間壓并不顯著，即使極對數減少一半，片間電壓也才降低二分之一。而大幅度減少極對數的結果，會給電機設計帶來諸多困難：一是電樞端部尺寸成倍增加，銅耗增大，由此引起電機常數減小。二是電樞軛磁密成倍增大，極對數減少一半，電樞軛磁密則增大一倍，由此造成電樞軛飽和，漏磁增大，鐵損增加，電機常數也會減小。同時，極對數減少一半，線圈幾何尺寸會增大一倍，而線圈電感是與幾何尺寸成正比的，由此使換向元件電抗電勢增加，反而對換向不利。例如一種永磁直流力矩電動機，原性能實測參數為：U=110 v，n。=970r／min，I0=O.57 A，L=3 2 mH，Ra=2.45Ω，4.5 A連續堵轉轉矩Tk=4.88 N·m。設計參數為P=lO，線圈匝數N1=20，換向片數K=111，氣隙碰密Bδ=O．69 T。由于片間電壓稍高，采用減少極對數的方法降低片間電壓，極對數減少一半，P=5，其它設計參數不變，變極后測得的電機性能參數為：u=110 V，n。=1 077 r／mm，L=O 95 A，L=8 2 mH，Ra=4 25n，4 .5 A連續堵轉轉矩鞏=4 38 N·m。比較前后兩組數據，可蹦看出，減少極對數后，損耗增大了，矗由原來的0.57A變大為O.95 A；電機常數減小了，由原來的0.70 N·m／／w減小為O 47 N.m，.故4．5 A的連續堵轉轉矩Tk由4.88 N·m減小為4.38 N·m，因電樞電感L=3.2 mH已增大到8.2 mH，換向火花較大，必然對換向不利。
如果該電機采用虛槽法降低片問電壓，則不會影響原電機性能，又可顯著降低片間電壓。但采用虛槽法對單波繞組的直流力矩電動機來說也有一定難度，即單波繞組無論是實槽還是虛槽，其槽數都必須是奇數，否則下線無法進行。若一個實槽中采用3個虛槽，下線可行，但工藝難度又增加；若一個實槽中采用2個虛槽，對降低片問電壓和減小換向電感都有利，但又犯了單波繞組不允許偶數虛槽的大忌。如上面舉例電機，實槽數臣=11l，若一個實槽采用2個虛槽，則總虛槽數Kj=222。這里盡管實槽數為奇數，但一個實槽變兩個虛槽后，總虛槽數則變為偶數。這對疊繞組電機來說，下線不成問題；而對單渡繞組的力矩電動機來說，下線有困難。那么，虛槽既然對降低片問電壓，減小換向元件電感有好處，采用兩倍偶數虛槽是否就根本不行呢?回答是也不盡然。若將虛槽數222變為221，下線就不成問題了。只不過這里作一點小小的犧牲，其中109個實槽中上下層放4個元件邊，2個實槽上下層放3個元件邊。這一點變化雖然對支路對稱性及反電勢有微小影響，但對電機總的性能來說，影響不大。經此變化，原線圈個數由111變為221，匝數由N1=20變為N1=10，換向片數也由原來的111變為22l，其它設計參數不變。這樣，既保持了原電機性能不變，又可降低片間電壓，減小換向電感。2極對數p，電樞槽數K，元件匝數Nl，極弧系數α，電樞外徑D，電樞鐵心長度L，氣隙磁密B。等參數對永磁直流力矩電動機的性能影響很大，能否從物
理概念上說明這些參數是怎樣影響電機的空載轉速、堵轉轉矩的?
Ke為永磁直流力矩電動機簡化的反電勢系數計算公式，用該公式闡述上述參數對電機眭能的影響非常方便。對于極對數p，p對永磁直流力矩電動機的反電勢系數Ke沒有影
響，所以極對數P也就不會影響直流力矩電動機以及其它直流電動機的轉速及轉矩。但極對數P對永磁直流力矩電動機的轉矩波動影響較大。極對數越少，每極下的元件數會越多，轉矩波動則越小；反之，極對數越多，每極下的元件數會越少，轉矩波動會越大。另外，極對數少，線圈幾何尺寸大，換向電感大，換向不好。反之，極對數多，線圈幾何尺寸小，
電感小，換向好。其次電樞槽數臣越多，可放導體數越多，所以反電勢系數疋越大。K。越大，同一電壓的空載轉速越低，堵轉轉矩越大。也就是說，K越多，電機空載轉速越低，堵轉轉矩越大。元件匝數，越多，有效導體數越多，所以E越大。耳越大，同一電壓下的空載轉速越低，堵轉轉矩越大。也就是說，N1越多，電機空載轉速越低，堵轉轉矩越大。極弧系數α越大，氣隙磁通Φ越大，所以K越大。故α越大，電機空載轉速越低，堵轉轉矩越大。電樞外徑D越大，槽中導體運動的線速度v越大，所以反電勢系數疋越大。故D越
大，電機空載轉速越低，堵轉轉矩越大。電樞鐵心長度L越長，導體切割磁場的有效長度越長，所以Ke越大。故L越長，電機空載轉速越低，堵轉轉矩越大。故上趣長，電機空載
轉速越低，堵轉矩越大。氣隙磁密Bδ越高，氣隙磁通Φ越大，所以酶越大。故Bδ越高，電機空載轉速越低，堵轉轉矩越大。從公式中可以看出，上述參數都與直流力矩電動機的
反電勢系數監，成正比，而Ke又與電機的空載轉速成反比，與堵轉轉矩成正比。所以用反電勢系數計算公式闡述參數對永磁直流力矩電機性能參數影響的物理概念，形象又簡潔，容易理解。
3匝間短路與片間短路為什么對電樞電阻變化不敏感，而對電樞電感變化很敏感?
永磁直流力矩電動機是一種只有一個并聯支路數α=1的多元件串聯單波繞組電機。某一元件短路幾匝或某片間短路幾個元件，對總的電樞電阻來說影響并不大，故敏感度較差=通過測量總電樞電阻的大小來判斷電機是否有匝問短路和片間短路，這是根本不行的。那么是否可以通過測量～個大節距內的片間電阻(一個節距片間電阻便把所有元件的電阻包括進去了)來判斷呢?我們認為用此法判斷匝間短路也是不行的，而判斷片間短路可行。因廄間短路電阻變化微小，一般不會影響片間電阻變化，所以無法判斷。而片間短路理論上會使兩片間電阻為零，所以可以判斷。下面以兩臺水磁直流力矩電動機為例說明。一臺為匝間短路，測得該電機一個節距內的11個片間電阻分別為3.7Ω、3.6 Ω、3.6Ω、3.7Ω、3.7Ω、3.7Ω、3.6Ω、3.6Ω、3.6 Ω、3.7 Ω、3.7 Ω。從這些電阻數據上，要判斷出該電機是否有匝間短路現象很困難，因測量時的接觸電阻也會變化O .lΩ。另一臺為片間短路，測得該電機一個節距內11個片間電阻中lO個為17.2Ω，1個為3.7Ω，可以判斷3.7 Ω點為片間短路。理論上片問短路短路點電阻應為零，這里為何不為零因片間短路一般由焊錫顆�；蜩F渣引起，會產生一定大小的接觸電阻，這也是片間短路對電樞電阻變化不敏感的原因之一。
而匝間短路與片間短路對電樞電感影響則不一樣。原因是匝間短路與片間短路的短路環具有降低鐵心等效磁導率的作用，所以即使短路一匝，從電樞電感變化上也可敏感地反映出來。另外，出現匝間短路與片間短路，等效于繞組匝數減少，電感與匝數的平方成正比，所以出現匝間短路與片問短路，也可以從電樞電感變化上反映出來。實踐中正是這樣，出現匝間短路或片間短路的電機，電樞電感明顯比正常電機更小，空載電流更大。生產中，匝間短路無返修價值，片間短路有返修價值。為了減少損失，可用測片問電感的方法鑒別是匝間短路還是片間短路。正常電機的一個節距的所有片間電感相等；而有匝問短路的電機，一個節距內大部分片間電感較大且相等，少數片間電感較小，但差距不大。如前面匝間短路電機，一個節距內9個為O 93 mH，另三個為O .66 mH，O .71 mH，O.59 mH：有片間短路的電機，一個節距內只一個片間電感近似為零，其余所有片間電感較大且相等。如前面片間短路電機，一個節距內10個片間電感4 6mH，一個為O.04 mH。后經排除故障，電機合格�？梢婋姼�
對匝間短路與片問短路較敏感。 |
