科学瞎想系列之五十七 电机设计宝典(幼儿园版)

听不少宝宝们说,老师前几期的瞎想把宝宝们都搞晕了,一是文章太长,看得心烦; 二是看不懂!看不懂!看不懂!是的,老师知道,许多宝宝刚入职搞电机设计,深知初入职宝宝们想快速成为电机设计大拿但又无从下手的心情,也深知宝宝们只看了电机设计书的前几页就晕菜的苦恼,所以从本期开始,老师给这些初入职的宝宝们瞎想一下到底怎么搞电机设计。老师也是从电机设计幼儿期过来的,所以近几期瞎想尽量从零基础开始,力争让零基础的宝宝们迅速上手搞电机设计,对于那些电机的老司机你也别嫌烦,可以有所取舍地看看就可以了。

首先给宝宝们讲一讲电机设计的基础知识,顺便也说说有关的术语。从哪儿说起呢?就从线圈说起吧。线圈就是用导线(一般是用铜导线)绕成的圈,电机是一种电磁装置,里面即有导电的东东也有导磁的东东。线圈在电机中承担着导电和产生感应电势的作用,只有线圈产生了感应电势,里面再通有电流,才能实现能量转换,二者的乘积就反映了功率(或叫容量),也就是说电机的功率取决于线圈的感应电势和电流。我们一个一个地说,感应电势往往与电压对应,感应电势(或电压)取决于线圈的匝数和转速(频率),对于一个转速一定、尺寸一定的电机,要想把电机设计得电压高就增加匝数; 再说电流,允许通过的电流大小取决于线圈所用导线的粗细(截面积),导线越粗则允许通入的电流就越大,因此要想让你设计的电机电流大就用粗一些的导线来绕线圈。由此可见线圈的匝数和截面积就决定了电机的容量。考虑到导线太粗影响绕线和嵌线的工艺性,当导线过粗时通常用多根导线并绕,这就出现了一个并绕股数(或称并绕根数)的概念。线圈通常是嵌放在铁心的槽里的,放在槽里的部分称为线圈边,不在槽里的部分称为线圈端部,一个线圈有两个线圈边分别放在不同的槽里,如果一个线圈绕了N匝,那么就叫这个线圈的每个边有N个导体,一个线圈有两个线圈边,每个线圈边有N个导体,因此一个线圈就有2N个导体,这2N个导体其实是通过线圈端部串联起来的。由于电机内磁场是集中在铁心的有效长度空间内,因此放在槽里的导体是产生感应电势的有效部分,而端部只是起到把各个导体串联起来的作用,电机运行时,每个导体都会产生感应电势,因此电机总的感应电势(电压)的大小就取决于总的串联的导体数(或匝数)和一个导体的长度(铁心有效长度)。

说完线圈我们接着说绕组,把线圈连接起来就构成了绕组,但线圈的连接是有讲究的,首先我们把定子的总槽数z1除以相数(一般是三相,所以除以3)再除以极数得到每极每相槽数q,也就是说在一个磁极下一相分得q个槽,如果一个线圈的一个边嵌放在N极下的第一个槽里,那么另一个边就要嵌放在相邻S极下附近的某一个槽里,一个线圈的两个边所跨越的距离(槽数)叫做节距,如果线圈的节距刚好跨越一个磁极(即节距与一个磁极的极距相等)时叫做整距线圈,整距线圈两个边的感应电势相位正好相反所以能够获得最大的感应电势,材料的利用率最高,从这个角度考虑线圈的节距尽量为整距,但有时为了获得更好的电势波形会牺牲些材料利用率采用短距线圈。如果一个槽子里仅放置一个线圈边,这种绕组叫做单层绕组,如果一个槽子里分上下两层分别放置两个线圈的不同边,那么叫做双层绕组。单层绕组通常都是整距线圈,双层绕组可以采用整距也可以采用短距。

接下来我们说说线圈怎么连接成绕组,首先把一个极下的q个线圈串联起来组成一个线圈组,这种线圈组叫做极相组,对单层绕组,每相每对磁极就有一个极相组,有多少对磁极每相就有多少个极相组; 对于双层绕组有多少个极每相就有多少极相组。每相的这些极相组的感应电势的大小和相位都是相同的,因此它们可以并联也可以串联组成绕组。对于单层绕组,有多少对磁极每相就有多少个极相组,因此最大的并联支路数就等于极对数; 而对于双层绕组,最大并联支路数就等于极数。所有串联线圈的匝数之和叫做每相串联匝数。

说了这么多基本概念,接下来就言归正传说说电机怎么设计。电机设计就是根据客户提出的性能和规格要求,确定电机的各个尺寸、材料、结构、绕组匝数、线径、并绕股数等结构参数。一台电机最重要的设计输入参数是功率、转速、电压,有了这三个参数我们就可以做电磁方案了。通常电机设计不可能没有任何基础,从零开始来设计一款全新的电机,特别是新入职的宝宝们,老板恐怕不会一上来就让你领衔干这活,即使是老司机也会参考以前的同类产品来进行设计。因此在电机设计时首先要选一个与所要设计的电机相近的同类电机作为"葫芦",在此基础上比着葫芦画"瓢"。选个什么样的"葫芦"很重要,在功率、转速、电压这三个参数中优先选择转速(极数)相同的同类电机作为"葫芦",其次是电压和功率尽量相同或接近。下面就针对新入职宝宝们说一说怎样选葫芦、怎么画瓢:

1 等容变压设计。所谓等容变压设计就是选一个与你所要设计的"瓢"的容量(功率)相等、转速(极数)相等的"葫芦",在此基础上只是改变它的电压。这种情况电机的铁心尺寸不变,只是调整线圈的匝数和线径即可。前面老师说了,电机的电压取决于绕组的串联匝数,匝数与电压成正比,因此首先按照"葫芦"与"瓢"的电压之比等于匝数之比计算出"瓢"的匝数; 第二步按"葫芦"与"瓢"的电压之比等于二者线圈总截面积之反比计算出"瓢"的线圈截面积,然后再按此来选择并绕股数和线规。转子可保持"葫芦"的转子所有设计不变。这就齐活了。

2 等压变容设计。选一个电压与转速相同的"葫芦",在此基础上改变电机的容量(功率)就叫等压变容设计。电机转速相同时,体积与容量成正比,因此要改变电机容量必须改变电机的体积,通常在"葫芦"和"瓢"的容量差别不大时,通过保持电机的三圆(定子内外圆及转子内圆)直径不变,改变铁心的长度来改变体积是最经济的,因为三圆不变可保证冲片的模具通用,这样可以节约模具成本。等压变容设计时第一步先按"葫芦"和"瓢"的容量之比等于铁心长度之比计算出"瓢"的铁心长度; 第二步确定绕组的总截面积,由于容量等于电压和电流的乘积,电压不变容量发生变化时,电流必然成比例地变化,而电流的变化必然需要相应地改变绕组的总截面积,按"葫芦"和"瓢"的容量之比等于绕组总截面积之比计算出"瓢"的绕组总截面积,然后据此选择并绕股数和线规满足总截面积的要求; 第三步确定绕组每相串联匝数,由于铁心长度变化了,如果匝数不变必然会影响到电压发生变化,同时绕组的截面积变了也会影响到槽满率的变化,为了保证电压和槽满率不变必须调整绕组串联匝数,按容量之比等于铁心长度之比,也等于绕组总截面积之比,还等于串联匝数之反比,计算出瓢的绕组串联总匝数。转子部分只根据铁心长度的改变做相应的长度改变,槽型匝数都保持不变即可。这种情况的设计是领导分配给幼儿园级宝宝们最常见的活。

3 变容变压设计。如果找不到等压和等容的"葫芦",那只能找一个电压和容量都不相等的"葫芦"来画"瓢",但必须选一个转速相同的"葫芦"!一般这种活应该是幼儿园大班的宝宝们干的。这种设计首先保持三圆直径不变,按容量之比等于铁心长度之比计算出铁心长度; 第二步按电压之比等于铁心长度与匝数乘积之比算出匝数; 第三步按匝数之比等于截面积之反比算出截面积,之后相应选择并绕股数和线规。转子设计同第2条,OK!

以上三种情况是初入职宝宝们经常遇到的设计问题,会了这些你就是一个NB幼儿园宝宝,相信你的领导一定会很欣赏你的,再复杂的设计问题恐怕很少会让你们干,还是先消化好本期老师讲的这些内容,循序渐进,不能一口吃个胖子不是。这里需要特别指出几个注意事项: 一是上述比着"葫芦"画"瓢"的设计方法需要选取的"葫芦"与"瓢"要尽量接近,特别是电压等级要一致,否则需要调整绝缘结构,那事情就复杂了,我们将在后续的宝典中讲解,幼儿园级的宝宝可暂不要碰这种问题; 二是上述设计方法只适用于电枢绕组的设计,一般交流电机电枢通常在定子上,转子可根据定子铁心变化做相应的铁心长度变化保证定转子铁心长度相等即可,转子槽型和绕组参数可不做任何变化即可; 三是这样设计时可能算出的匝数和并绕股数不一定正好是整数,或不一定匝数正好能均匀地分配到每个槽,所以允许按上述计算后匝数和线规做适当取整微调; 四是优先通过改变极相组的串并联连接方式调整绕组的匝数和截面积,实在不行再调整每个线圈的匝数和截面积; 五是这样设计出的"瓢"与"葫芦"在性能参数的标幺值方面基本相等,也就是说新设计出的电机与基础机型的性能基本相同,非常靠谱。六是由于本期是幼儿园级的宝典,因此部分概念和设计方法从科学角度讲是不太严谨的,但为了让幼儿园宝宝们便于理解也只能这样讲,就像我们在小学、初中学的许多科学知识和概念不太严谨,上了大学才知道更加科学严谨概念和知识一样,随着我们年级的升高会逐步严谨起来。

好了,关于幼儿园级的宝典就先说这些,说多了怕宝宝们又不耐烦了,先用这些知识去练手吧,等练熟了我们就可以升级到小学阶段去接触一些复杂点的东东了!

原文发布于微信公众号 - 龙行天下CSIEM(gh_a8911987218e)

原文发表时间:2017-08-30

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