16 永磁直流电动机
在用户已经掌握RMxprt的基本使用的基础上，我们将一些过程简化，以便介绍一些更高级的使用。有关RMxprt的详细介绍请参考第一部分的章节。
16.1 基本原理 
对于永磁直流电动机，定子上安装了P对永磁体磁极，N、S 极交错排列，产生固定的定子磁场。转子上装有分布绕组，与换向片相连，换向片随着转子一同旋转。
电刷组件与换向片始终保持接触，直流电经电刷和换向片流入旋转的电枢绕组时，电枢电流和定子磁场相互作用产生转矩。
由于换向器的机械整流作用，电枢绕组产生的转子磁场始终与定子磁场垂直。
永磁直流电动机的电压方程为：
      (16.1)
式中Ub为电刷压降，R1电枢绕组电阻
反电势方程为
      (16.2)
式中Ke为反电势系数，单位是Vs/rad，ω是转子角速度，单位是rad/s。
当ω为常值时，电枢电流按下式确定：
      (16.3)
由于换向器的机械整流的作用，由电枢电流产生的转子磁场始终与定子磁场垂直。因此，在定子磁场和转子磁场的相互作用下产生了电磁转矩：
      (16.4)
式中Kt是转矩系数，单位是Nm/A， 数值上与Ke相等。
输出转矩为：
      (16.5)
式中的Tfw为风摩转矩。
输出机械功率为：
      (16.6)
输入电功率为：
      (16.7)
式中的Pfw、PCua、Pb、PFe分别表示风摩损耗、电枢铜损耗、电刷压降损耗和铁心损耗。
电机效率为：
      (16.8)
16.2 主要特点
16.2.1支持单叠绕组和复叠绕组设计
RMxprt支持叠绕组设计，并能通过下式自动计算并联支路对数。
      (16.9)
式中的p为极对数，m为复倍系数。
16.2.2支持单波绕组和复波绕组设计
RMxprt支持波绕组设计，并能通过下式自动计算并联支路对数。
      (16.10)
式中m为复倍系数。
16.2.3支持虚槽结构设计
直流电机的电枢绕组一般为双层绕组。许多情况下，为了简化冲片结构，常把几个线圈边放在同一个槽内，因此槽数Z将比线圈数S少，他们的关系是
      (16.11)
其中μ为槽中每一层的线圈边数，称为虚槽系数。因此每 槽导体数为2μ的倍数。RMxprt 能够处理μ≤ 4的各种虚槽设计
16.2.4可分析气隙磁场波形分布
RMxprt 可对空载下磁极的气隙磁场的波形和额定负载下电枢反应的气隙磁场波形进行分析，给出直观波形图，以便于设计人员了解电枢反应对换向的影响。
16.2.5 可计算换向元件的换向电势
对换向元件的换向参数计算包括
a. 元件本身的电抗在换向元件中产生的电抗电势
b. 电枢反应在换向元件中产生的电势
radius软件c. 主磁场在换向元件中产生的电势
d. 换向元件中的合成换向电势
16.2.6 计算齿槽转矩
RMxprt可以计算两个齿距的齿槽转矩，并在设计单中输出其峰值。
16.2.7为有限元电磁场分析输出换向文件
当采用有限元电磁场分析对直流电机进行分析时，必须知道换向元件极性的变化。RMxprt将与换向元件的位置和极性变化的相关数据保存到文件中，以便在使用Maxwel 2D/3D分析时调用。
16.3永磁直流电动机设计
这一节, 我们将演示三相感应电动机设计的一般流程。
点击Start>Programs>Ansoft>Maxwell 12>Maxwell 12从桌面进入Maxwell界面。
从RMxprt主菜单条中点击 File>New 新建一个空白的Maxwell工程文件Project1。
从RMxprt主菜单栏中点击Project>Insert RMxprt Design。在Select Machine Type 会话
框中选择DC Permanent-Magnet Motor，然后点击OK返回RMxprt主窗口。这样就添加一个新的RMxprt设计。
从RMxprt菜单栏中点击File>Save。如果想把项目另存为wl ，可从下拉菜单选择Save As然后点击Save返回RMxprt主窗口。(参见3.2.6设置默认的项目路径)
分析这个算例，需要做以下几项设置：
1. 设置模型单位(参考章节2.3.2.7设置模型单位)：
2. 配置 RMxprt 材料库 (参考章节3.4.1配置材料库)：
3. 编辑线规库 (参考章节3.3.2到3.3.6)：
当选择DC Permanent-Magnet Motor做为电机模型时，必须输入如下几项：
1. General data. （基本性能数据）
2. Stator data. （定子数据）
3. Rotor data. （转子数据）
4. Solution data. （解算数据）
16.3.1基本性能设计
在项目树下双击Machine图标，可显示Properties.对话框。
在如图16.1所示的Machine列表下定义基本性能数据。
图16.1 基本性能数据
1. Machine Type：电机类型。
2. Number of Poles：电机极数。其值为定子极数的总和（或极对数×2）。
3. Frictional Loss：在参考转速下测得的摩擦损耗（由摩擦产生）
注意：如果将摩擦损耗设为零，RMxprt将根据后面换向器和电刷的表页中定义的电刷压力和摩擦系数来计算摩擦损耗。
4. Wind Loss：参考转速下测得的风阻损耗（由空气阻力产生）
5. Reference Speed：所给的参考转速。
点击OK关闭Properties对话框。
16.3.2定子设计
定子由冲片叠压制成，三相交流绕组安放其中。
双击项目树中的Machine>Stator图标，显示Properties对话框。
在如图16.2所示的Stator列表中输入定子数据。
图 16.2 定子数据
1. Outer Diameter：定子外径。
2. Inner Diameter：定子内径。
3. Length：定子铁心的轴向长度。
4. Stacking Factor：定子的迭压系数 
5. Steel Type：定子铁心材料类型（参考7.3节设置材料类型）
点击OK关闭Properties对话框。
16.3.2.1定义定子磁极
具体详情请参考7.2.4定义磁极。
在项目树下双击Machine>Stator>Pole图标显示Properties对话框，在如图16.3所示Pole列表中，定义转子磁极数据。
1. Embrace：极弧系数，其值在0到1.之间，磁极类型为4时不可用
2. Offset：定子中心与极弧表面中心的距离。输入0表示气隙均匀
3. Magnet Type：指定磁钢类型(参考7.3指定材料属性)
4. Magnet Length：永磁铁轴向的最大长度
5. Magnet Thickness：永磁体径向最大厚度
点击OK关闭Properties窗口
图 16.3 磁极数据
16.3.3转子设计
转子上开槽，槽中所嵌的铜导体与换向器相连。换向器在转子中起机械整流器的作用。
在项目树中双击 Machine>Rotor图表显示Properties对话框。
在如图16.4所示的Rotor列表中，定义转子数据
图 16.4 转子数据
1. Stacking Factor：迭压系数，此系数和转子铁心的有效铁心长度有关，值为0到1。由总
长度减去所有冲片绝缘部分之差再除以总长度得到。值为1表示实心转子。 
2. Number of Slot：槽数
3. Slot Type：转子铁心槽型（参考7.1.1节槽型）
1) 点击Slot Type显示Select Slot Type对话框。
2) 选择一种槽型（有6种类型可用）
3) 点击OK关闭Select Slot Type对话框。
4. Outer Diameter：转子铁心外径。
5. Inner Diameter：转子铁心内径。
6. Length：转子铁心的轴向长度。
7. Steel Type：转子铁心材料类型（参考7.3节设置材料类型）
8. Skew Width：用槽数度量的斜槽宽度
点击OK关闭Properties对话框。
16.3.3.1定义转子槽
双击项目树中的Machine> Rotor >Slot图标，显示Properties对话框（参考7.1.1节槽型）。
在如图16.5所示的Slot卷标中定义定子槽型的几何数据。
点击OK关闭Properties对话框。
图 16.5 定子槽尺寸
16.3.3.2定义转子绕组
双击项目树中的Machine> Rotor >Winding图标，显示Properties对话框，其中包含两个列表：Winding 和End/Insulation。
16.3.3.2.1定义转子的绕组、导体和导线
在如图16.6所示的Winding列表中定义导线、导体和转子绕组
图16.6 绕组、导体和导线
1. Winding Type：绕组类型（参考7.5.2节的设置直流绕组类型）
1) 点击Winding Type按键，显示绕组类型Winding Type对话窗口。
2) 从对话窗口的按键中选择叠式，波式或蛙式绕组。
3) 点击OK关闭绕组类型Winding Type对话窗口。
2. Multiplex Number：套数，从下拉菜单中选择绕组数目，此处有三种选项。
1) 1：单套绕组。
2) 2：两套绕组。
3) 3：三套绕组。
对单叠绕组来说，套数是指进线端与出线端之间的换向片的数目，并联支路数等于极数乘上套数。对单波绕组来说，并联支路数等于套数乘以二。
3. Virtual Slots：虚槽数，从下拉菜单中(1 ~ 4)选择每个实槽下的虚槽数。假设转子为双层绕组，分别为上层和下层，每一层有多个元件边，即对应多个虚槽。
注意：例如，虚槽数若为2，上层和下层可以各有两个元件边；对于一个有12个槽的电机来说，就有24个换向片。
4.Conductors per Slot：每槽导体数，槽中每个线圈的匝数与层数的乘积。输入0，RMxprt会进行自动设计。
5. Coil Pitch：以槽数度量的节距，节距是指一个线圈跨过的槽数目。例如，如果一个线圈起始边在1号槽，终边在6号槽，则节距为5。

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