永磁直流力矩電動機極對數多少與轉速關系分析

張文海

(成都精密電機廠,四川成都 610500)

1 永磁直流力矩電動機極對數與轉速關系

在電樞電壓一定的情況下,永磁直流電動機的空載轉速n0與反電勢系數Ke成反比。也就是說,在額定電樞電壓下,反電勢系數Ke越高,永磁直流力矩電動機的轉速越低;反電勢系數Ke越低,轉速越高。而永磁直流力矩電動機反電勢系數計算公式:

式中:Ke為反電勢系數(V/r?mim-1);K為電樞槽數;N1為電樞繞組元件匝數;α為極弧系數;D為電樞外徑(m);L為電樞鐵心長度(m);Bδ為氣隙磁密。

從式(1)可以看出,永磁直流力矩電動機的反電勢系數Ke與電機極對數 p無關,只和 K、N1、α、D、L、Bδ有關,并與這些參數成正比關系。轉換過來說,式(1)表明了這樣一種關系:永磁直流力矩電動機的空載轉速(也包括除串勵電動機外的所有直流電動機)與極對數 p無關,只和 K1、N1、α、D、L、Bδ有關,并和這些參數成反比關系。在其它因素不變的情況下,電樞槽數 K越多,可放的導體數越多,電機反電勢系數 Ke越高,轉速越低;電樞繞組元件匝數N1越多,單位轉速產生的切割電勢越高,Ke越高,轉速越低;極弧系數 α越大,氣隙磁通Φδ越大,Ke越高,轉速越低;電樞外徑 D越大,單位轉速下導體運動的線速度越大,Ke越高,轉速越低;電樞鐵心 L越長,導體有效長度越長,Ke越高,轉速越低;氣隙磁密 Bδ越高,Bδ越大,每極下的氣隙磁通Φδ越大,Ke越高,轉速越低。在影響轉速的因素中,增多電樞繞組元件 N1匝數,電機轉速會變低,增大氣隙磁密 Bδ,電機轉速會變低,而增大電樞外徑D,電機轉速會變低,一般容易與極對數 p混淆不清。大機座號力矩電機極對數相對較多,小機座號力矩電機極對數相對較少,完全是結構設計的需要,并不是從轉速上的考慮。因為在電樞電壓一定的情況下,極對數的多少并不會影響直流電動機的空載轉速。例如,4極電樞為單疊繞組的直流驅動電動機,去掉 90°一對電刷,等效于去掉一對磁極,電動機的空載轉速仍然不變,能直觀地說明這一問題。因此,我們說機座號越大的永磁直流力矩電動機,空載轉速會越低,在其它設計參數不變的情況下,直流電動機的空載轉速 n0與電樞外徑D成反比關系,極對數p的多少,不影響這個關系。

2 永磁直流力矩電動機空載轉速與極對數關系不大,而為什么又要設計成多極的?

首先,是從結構設計和工藝難度兩方面考慮的。大機座號力矩電機,一般極對數相對較多;小機座號力矩電機,一般極對數相對較少。這樣的結構設計容易,工藝性也好。如果將大機座號的力矩電機設計成兩三對極,或將小機座號的力矩電機設計成 10對極,設計和制造都是無法實現的。

其次,是從性能指標要求上考慮的。因為極對數的多少各有優缺點,它對電機的一些性能指標影響較大,電機設計時要綜合考慮選擇。極對數少的優點是,每極下的齒槽數 K多,磁阻力矩變小,電機轉矩波動小;每極下的元件數隨之增多,反電勢半波的平波作用好,轉矩波動變小;相鄰換向片間串聯的元數少,片間電壓低,不易產生電位差火花。缺點是,嵌線端接加長,銅損大,電機常數變低;每極氣隙磁通量大,電樞軛容易飽和,漏磁損耗大,電機常數會變低;線圈幾何尺寸變大,電樞電感增大,電氣時間常數會變大;磁極寬,電機結構設計、磁鋼粘貼工藝難度增加。而極對數多的優缺點正好和極對數少的優缺點相反。電機設計時,可作如下選擇:如對該電機轉矩波動要求小,極對數則可適當選擇少的,這樣每極下的齒槽數會增多,可放元件數也多,轉矩波動則會減小。如果對該電機電氣時間常數要求小,極對數則應選擇多的,這樣電樞電感會減小,電氣時間常數也可變小。總之,永磁直流力矩電動機極對數的多少,不是為轉速高低而考慮,而是為其它性能指標作選擇。

3 多極、電樞單疊繞組驅動直流電動機反電勢系數

計算公式的變換 多極、電樞為單疊繞組的直流電動機反電勢系數計算公式似乎與式(1)并不一樣。因為永磁直流力矩電動機為單波串聯繞組,并聯支路數a=1,而多極單疊繞組直流電動機,其電樞并聯支路數 a不等于1,而是等于極對數,即式(1)應變為:

如果按式(2)計算,多極單疊繞組直流電動機極對數越多,并聯支路數 a越大,按式(2)計算出的反電勢系數 Ke越低,電機轉速應該與極對數有關系。而多極、單疊繞組直流電動機轉速與極對數并無關系,因為每對數的電樞并聯支路都是和電源并聯的,只留下一對極和多極在同一電樞電壓下,空載轉速不會發生變化,式(2)的問題在哪里?分析式(1)便可知道,因永磁直流力矩電動機只有一對并聯支路,即a=1,所以電樞槽數 K中的所有導體都參與工作。也就是說,式(1)既是永磁直流力矩電動機的反電勢系數計算公式,也是a不等于 1的直流驅動電動機反電勢系數計算公式。如果式(2)中分母除以 a,分子中的電樞總槽數K也應除以a,因極對數變少后,相應槽中的導體則不再參與工作,所有電樞總槽數K應除以 a。其變換結果是式(2)仍然等于式(1),只是這時 K表示的不是一對極的電樞槽數,而是電樞總槽數。

4 直流電動機空載轉速與極對數的關系怎樣表述妥當?

式(1)證明了直流電動機的空載轉速與極對數無關,但實際上,直流電動機空載轉速如果沒有磁極根本無法旋轉。因此可以這樣表述,直流電動機的空載轉速與極對數關系不大。