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微特電機論文:單相串勵電動機的設計和工藝措施
 
 
單相串勵電動機的設計和工藝措施
    廖超宏
(中國電子科技集團公司第二十一研究所,上海200233)
    單相串勵電動機由于它具有轉速高、效率高、體積小、重量輕、起動轉矩大、過載能力強等優點,因此得到越來越廣泛的應用,但事物總是一分為二的。轉速高帶米振動大、噪聲大、換向火花大、使用壽命短等問題。要解決r述問題雹要就是要從設計、工藝等方而采取措施,主要措施以吸塵器電機為例敘述如下:
1電磁負荷選擇
    吸塵器電機為短時運行,其負載為軸流風扇,工作時能形成強大的氣流,把電機的熱量帶走,電機溫升較低,故電流密度取得較高,可達15—25A/mm2,電負荷Aδ亦較高,可達1l0~180A/cm,但電負荷Aδ受到電抗電勢(ex=2WrλAδlRVα10-6)和電樞反應電勢圖的制約,不能取得太而,因要滿足換向火花小于2級就必須使
  
否則就無法滿足換向火花小于2級的要求。現在取Aδ=133.4 A/cm。
    為了使負載變化時,電流的變化不會引起磁通過大的變化,以獲得較硬轉速轉矩(機械)特性,滿足吸塵器性能要求,吸塵器電機的磁路都傾向于設計得比較飽和,氣隙磁密Bδ為400O~6000Gs,齒部磁密和軛部磁密可達1500O~18000 Gs(1.5~1 8 T),仍磁密過分飽和時,不僅會使勵磁電流大幅度增加、損耗增大、效率下降等,而且對降低噪聲不利,因為電機噪聲包括電磁噪聲、機械噪聲和通風噪聲。而電磁噪聲的形成是由于電機旋轉時磁路磁阻變化,使電機定轉子受到徑向力的作用而發生反復變形,于是引起振動而產生電磁噪聲。徑向力的大小正比于磁通密度,因此磁密不能取得太高,現在取Bδ=5560Gs,BzR=17598Gs,BjR=16673Gs,Bjs=15782Gs,BPs=11533 GS。
2極弧系數α的選擇
    串勵電機的定子通常均采用凸極結構,極弧系數α的選擇要滿足下列要求:1)利用率較高;2)漏磁小;3)電樞反應電勢小;4)電磁噪聲小。
    極弧系數α大,磁極面積大,利用率高,但α太大會使極尖漏磁增加,使電樞反應電(勢ea增加,對換向不利,岡此α不能選得太大,一般取α=0.66~0 72之問。
    為了減小振動,降低電磁噪聲,極弧系數對應的槽距應為整數倩加1/2個槽距,現取
式中,極弧對應的圓心角
 
取整數KI=7,能同時滿足上述四點要求。
3 電樞(轉子)槽數的選擇
    電樞槽數ZR一般隨電樞直徑增大而增大,ZR=(2.5~5)DαR(電樞外徑DR單位以cm計)取整ZR較小(ZR
    ZR較多時為繞線方便常取ZR為偶數,因為ZR為偶數時,轉于繞組可以采用對稱繞制法繞制,有利于減小轉子不平衡量,有利于減小電機的振動和噪聲。
    ZR取得較多好還是取較少好?ZR較多的利弊如F:
    (1)ZR多時能使繞組在電樞圓周上的分布比較均勻,使電機運轉平穩,振動小、噪聲小。
    (2)ZR較多時,每槽導體數相應減少,可減小換向元件中的電抗電勢ex和電樞反應電勢eα,有利于換向。
    (3)ZR較多時,可取換向片數K=ZR,可以減小槽內互感。
    (4)ZR較多時槽內導體數較少,有利于熱量散發,可降低轉子溫升。
    但ZR較多時,槽面積的利用率相對減小,工藝也較差:
    綜上所述,槽數ZR宣適當多,但不能太多,對于P1=640~1000 W的電機取ZR=22或ZR=12。
4換向片數K的選擇
    換向片數世的選擇必須滿足下列三項要求:
    (1)換向片數置必須是精數ZR的整數倍,即K=CZR(C=l,2,…“,整數)。
    (2)為了限制換向元件中的變壓器電勢et≤7~8V,K值必須滿足下式:
即K最小應為10。式中:fN為電源頻率;fR為電樞(轉子)鋼片交變頻率,
變壓器電勢et<7~8 V,取et=7V。
    (3)K值大可以減小換向元件中的變壓器電勢,   
并有利于換向,但K值大,產品成本高。吸塵器電機的一般取K=ZR(當槽數較多時,如ZR=20,
22,24時)或取K=2ZR(當槽數較少時,如ZR≤12),現取K=ZR=22能同進滿足上述三項要求。
5 氣隙δ的選擇。
    氣隙δ值的大小,對電機的噪聲、換向性能、效率和功率因素等均有影響。
    增大δ可減小表面損耗及電磁噪聲,改善換向性能,但會增大勵磁電流,從而增加用鋼量,并使定子線圈安排困難,增加電機銅耗,使電機效率和功率因數下降。減小氣隙δ值,可減小勵磁安匝,減小電機銅耗,提高功率因數,但δ值太小,會增加工藝困難,增加表面損耗和電磁噪聲,并使換向性能變壞。
    吸塵器電機一般取δ=003~005 cm,現取δ=O.04 cm
6電樞(轉子)繞組設計
    吸塵器用的交流串勵電機一般都是兩極的,其電樞繞組型式多為迭繞。為了改善換向,都采用短距,逆轉向移動電刷或順轉向移動元件到換向片焊頭的位置。但短距會使電磁力矩減小,因此都是采用接近整距的短距繞組。改善換向性能對吸塵器電機極為重要,所以短距仍較多。如ZR=22的電樞,取元件第一節距Y1=9,即元件跨距為l~l0槽,當然也不是短距越多越好。短距太多不僅削弱了電磁力矩,而日會造成提前換向,過分提前換向也會使電刷下出現火花。
    電樞繞組元件與換向片的連接位置是很重要的。為了簡化結構,吸塵器電機的電刷都固定在機殼上,岡此電刷與磁極的相對位置是固定的,也就是說不能移動電刷的位置來改善換向,對于全距繞組為了改善換向性能,應該逆旋轉方向移動電刷的位置或者是順旋轉方向移動元件到換向片的焊頭位置,(一般移動約5~18度電角)。兩種方法的作用(效果)是完全一樣的,即讓換向元件產生一定的速度電勢來抵消電抗電勢的影響。
    對于加工好的電樞(轉子),為了改善換向,可以在將定子壓火機殼時,適當改變定子磁極與電刷的相對位置。
    現電樞繞組型式為迭繞,取Yl=9,并順轉向移動元件到焊頭的位置。
7轉子和葉輪核動平衡及葉輪級數選擇
    轉子和葉輪動平衡的好壞對減小振動、降低噪聲和改善換向火花、延長使用壽命都是十分重要的。
    為了盡量減小不平衡量:
    (1)轉于繞組采用對稱繞制,滴漆烘干時垂直放置,以提高轉f的平衡精度,剩余的不平衡量一般不應大于O.05gf·cm。
    (2)葉片厚薄均勻,葉輪底板和盞板的形位公差必須嚴格控制,此外還必須嚴格控制葉輪的裝配質量(葉輪與葉片的鉚接點必須平滑),剩余的不平衡量應不大于O.05gf·cm。
    (3)為了進一步降低噪聲,我們認為降低轉速,增加葉輪的級數,(即將現在的一級葉輪改為兩級葉輪)是一條可供選擇的途徑,這樣做可以大夫降低噪聲,而且還可減小振動和換向火花,延長使用壽命。
8風機質量控制
    風機質量好壞對電機噪聲的影響至關重要,因此必須嚴格控制風機(特別是葉輪)的質量。
9定于繞組設計
  定予繞組每極匝數
式中,KSR=2Ws/(ZRWr)為定轉子繞組匝比,適當提高KsR可以減小換向火花,但會降低效率和功率因數,因此應適可而止。
10 電刷、換向器及電刷彈簧壓力
    電刷、換向器材料和電刷彈簧壓力的選擇以及電刷和換向器的加工質量是改善換向性能的關鍵措施之一。
    (1)為限制(有害的)變壓器電勢et和換向電流,采用電阻系數和硬度較高的電化石墨(或
碳石墨)電刷,如D374、D389、B-3電刷(上述電刷的電阻系較高,約50μΩ·m,額定電流密度12A/cm2較大,允許線速度較高50m/s)。此外這些電刷內含有導電潤滑劑,它能減小摩擦、噪聲,延長使用壽命。換向片材料選用Cu-Ce合金或銀銅合金,這種材料與上述電刷接觸磨損較小,換向火花小,能延長使用壽命。
    (2)確保換向器有較高的加工精度和換向器表面光潔度亦能減小換向火花。
    (3)電刷與換向器必須磨合,以確保電刷與換向器接觸面積大于在分之80以上,這樣可以減小換向火花和噪聲。
    (4)電刷彈簧壓力是否適當對換向火花和使用壽命的影響很明顯,壓力大小時電刷與換向器接觸不良產生電弧燒壞電刷與換向器接觸表而;壓力太大時,電刷與換向器的摩擦損耗嚴重,使用壽命縮短。因此,電刷彈簧壓力必須適當,對于轉速24000r/min的電機,一般應控制在300~600 gf/cm2范圍內。例如電刷橫截面積寬0.6×長O.8=O.48 cm2時,則彈簧壓力為144~288gf。
    這樣選擇電刷、換向器和彈簧壓力可使換向火花控制1.5級以內,電機使用壽命大于500h。
11電樞采用磁性槽楔
    為了減小電機旋轉時,由于齒槽效應引起的電磁噪聲,電樞(轉子)可采用磁性槽楔,盡量減小齒槽變化的影響。
12運用高新技術成果
    積極運用高新技術成果,如采用適當的納米油對軸承進行處理,能明顯減少磨損,降低噪聲和延長使用壽命。
 
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