摘要
一、设计背景及其发展状况
1.永磁直流电动机的结构、起动和转动机理
2.永磁有刷直流电动机的反电动势和转矩、转速、调速范围
3.永磁有刷直流电动机的功率和效率
三、永磁有刷直流电动机的设计
1.永磁有刷直流电动机主要尺寸的确定
3.永磁有刷直流电动机换向器的设计
四、磁路计算
1.组抗参数
2.损耗参数
3.外特性
4.效率特性
五、个人总结
参考文献
摘要
永磁有刷直流电机是在直流电机的基础上用永磁铁代替原有磁体材料建立的主磁场。直流电动机采用了永磁励磁后，因省去了励磁绕组，降低了励磁损耗，使其具有结构简单、体积小、效率高、用铜量少等优点。本文分析了永磁有刷直流电机的工作原理,研究了永磁有刷直
流电机电磁的特点, ,运用解析计算的方法分析出电机的各项参数。为设计永磁有刷直流电动机，我们依据Matlab强大的数据计算能力建立起了永磁有刷直流电机的数学模型并进行了仿真进而对控制系统进行了一定的分析，同时还对比了在不同的参数下电机的工作性能,为电机系统的设计及其工作的稳定性提供了一定的依据。经设计出的200W永磁有刷直流电动机具有简便高效的特点。
关键词 永磁直流电机 有刷 设计 电机
一、设计背景及其发展状况
1820年，丹麦物理学家奥斯特发现了电流在磁场中受机械力的作用，即电流的磁效应。
1821年，英国科学家法拉第总结了载流导体在磁场内受力并发生机械运动的现象，法拉第的试验模型可以认为是现代直流电动机的雏形。
1822年，法国人吕萨克发现电磁铁，，即用电流流过绕在铁芯上的线圈的方法可以产生磁场。在这些发现与发明的基础上，1831年法拉第发现了电磁感应定律，发明了盘式电机。
1831年，法拉第发现了电磁感应定律，并发明了盘式电机。同年，亨利制作了振荡电机。1832年，斯特金发明了换向器，并对亨利的振荡电机进行了改进，制作了世界上第一台能连续旋转运动的电机。
1833年，法国发明家皮克西制成了第一台旋转磁极式直流发电机，主要利用了磁铁和线圈之间的相对运动和一个换向装置，这就是现代直流发电机的雏形。楞次已经证明了电机的可逆原理。
1834年，俄国物理学家雅可比设计并制成了第一台实用的直流电动机。 1838年，雅可比把改进的直流电动机装在一条小船上。
1845年，英国人惠斯通用电磁铁代替天然磁铁矿石，用于制造电机并取得了专利权。1857年，他发明了自励的电励磁发电机，开创了电励磁方式的新纪元。
19世纪70年代，爱迪生发明了电灯，开始了商业目的的直流发电机的研制。
1871年，凡．麦尔准发明了交流发电机。
1879年，拜依莱（Bailey）首次用电的办法获得了旋转磁场，采用依次变动四个磁极上的励磁电流的方法，如果在四个磁场的中间放一个铜盘，由于感应涡流的作用，铜盘将随着磁场的变动而旋转，这就是最初的感应电动机。
1888年，特斯拉发明了三相异步电机，并申请了专利。
1900年，可靠的卷铁芯式变压器的问世，开创了长距离输电的新纪元。
1967年，钐钴永磁材料的出现，开创了永磁电机的新纪元。由于稀土钴永磁材料价格昂贵，研究重点是航空航天等要求高性能而价格不是主要因素的高科技领域。
1983年，磁性能更高而价格相对较低的钕铁硼永磁材料问世后永磁电机的研究转移到了工业和民用电机上。
进入20世纪90年代，随着永磁材料性能的不断提高和完善，和永磁电机研究开发经验的逐步成熟，永磁电机在日常生活的各个方面获得了越来越广泛的应用。
现今，永磁直流电机广泛应用于各种便携式的电子设备或器具中，如录音机、VCD机、电唱
机、电动按摩器及各种玩具，也广泛应用于汽车、摩托车、干手器、电动自行车、蓄电池车、船舶、航空、机械等行业，在一些高精尖产品中也有广泛应用，如录像机、复印机、照相机、手机、精密机床、银行点钞机、捆钞机等。
二、有刷直流电动机的组成结构和工作原理
1.永磁直流电动机的结构、起动和转动机理
永磁有刷直流电动机主要有机壳、定子、转子、机械换向器、轴、前后端盖、轴承等组成。定子由机壳内圆镶嵌或粘贴永磁体磁极构成。如图3.1所示。 图3.1
(1)永磁有刷直流电动机的结构
a.机壳是支撑整个电动机重量的部件，并且永磁体磁极就镶嵌或粘贴在机壳内圆壁上面构成电动机的定子。机壳也是定子永磁体磁极的磁路的磁导体。W级微、小型永磁有刷直流电动机的机壳多为低碳钢板冲压拉伸成型，前端盖又是电动机的固定座。对于KW级永磁有刷直流电动机的机壳和前后端盖可以用铸铁铸成或低碳钢片焊接而成。
b.永磁有刷直流电动机的转子为了减少附加损耗转子铁心采用0.5mm~1.0mm的硅钢片冲压成并叠在一起组成转子铁心，在转子铁心硅钢片上冲由转子槽，转子槽型如图3.2所示。图3.2
槽子槽内嵌由转子绕组，绕组形式有多种。转子绕组连接机械换向器，由机械换向器不断地有规律地改变转子绕组的电流方向从而变换绕组磁极的极性，使其于定子永磁体磁极相互作用使电动机的转子转动。
c.机械换向器的结构有多种形式，图3.3所示为其中的一种。玻璃纤维酚醛树脂（或环氧树脂）将换向铜头与后V形钢座和前V形钢座粘接在一起并起到绝缘的作用，同时与转子轴套过盈配合后将两个V型钢座用卡簧（档圈）限位，整体再过盈安装再转子轴上。铜头径向彼此绝缘用云母或酚醛树脂。
图3.3
d.电刷是直流电通往转子绕组并于换向铜头一起工作改变直流电进入转子绕组电流方向的重要部件。微型永磁有刷直流电动机的电刷往往用弹性较好的铜片制成并用绝缘板固定再机壳上，以铜片自身的弹性压在换向器的铜头上。小型及KW级的永磁有刷直流电动机的电刷，高转速的用电化石墨制成，低转速大电流的用金属石墨制成。电刷装在刷握里被压力弹簧压在换向器的铜头上，压力弹簧的压力可以通过螺栓进行调整。刷握和刷架固定再绝缘板上在固定在机壳上。
(2)永磁有刷直流电动机的起动
永磁有刷直流电动机的定子磁极是永磁体磁极，而其转子磁极是在转子槽内嵌入绕组输入通过换向器的交变的直流电形成的。当转子未移动时，转子绕组内的反电动势为零，所以起动时，转子绕组的电流很大，转子会立刻以很高的转矩转动，会造成转子的很大冲击。微、小型永磁有刷直流电动机由于转子绕组励磁电流小，往往可以直接起动。对于KW级的，由于功率大，起动电流会达到额定电流的10-20倍，为此，常在电源与换向器之间安装一个供起动用的可变电阻。未起动时可将可变电阻跳到最大值，起动时使起动电流为额定电流的1.5-2.5倍，当电动机起动后，可将可变电阻调到0.这种起动方式称作降压起动。
(3)永磁有刷直流电动机的反转
永磁有刷直流电动机的定子磁极时永磁体磁极，其极性不会改变。只有改变转子绕组的极性才会使电动机反转，这需要将直流电源接到电刷的极性改变，即原来接电源正极的电刷接到电源的负极上，将原来接电源负极的电刷接到电源正极上，电动机就会反转。
(4)永磁有刷直流电动机的转动机理
永磁有刷直流电动机的定子磁极是永磁体磁极，转子铁心有槽，槽可为偶数，也可为奇数。为了起动方便和减少谐波附加损耗，转子槽和转子轴线可以成一定斜角。转子槽内按一定绕组形式嵌入绕组。当电动机运行时，机械换向器的电刷和换向铜头不断地改变转子绕组地电流方向，使转子绕组的电流磁场地磁力与定子永磁体地磁力相互作用从而使转子转动，转子轴对外输出转矩做做功，将输入电动机的直流电能转变成机械能。图3.4所示两级8槽永磁有刷直流点当即转子转动机理示意图。图3.4
在磁场中的载流导体会受到磁场力的作用而移动，可以用左手定则来判断载流导体的运动方向。在图3.4中，接近定子永磁体N极的转子绕组的导体的电流方向从纸面流出，用左手定则判定转子按顺时针转动；接近定子永磁体s极的转子绕组的导体的电流方向是进入纸面，而左手定则判定转子按顺时针方向转动。当转子转到换向位置时，换向器中的电刷和转子上的
换向铜头将直流电的方向改变，电流进入纸面改为从纸面流出，从纸面流出的变为进入纸面，转子就不停地按着顺时针方向转动。转子槽内地绕组即为载流导体，在定子永磁体磁场中地载流导体会移动地实质是什么？导体通以直流电时，在导体周围就会有不变的绕着导体的环形磁场；当给导体通以交流电时，在导体周围就会由交变的绕着导体的环形磁场。载流导体形成的磁场方向可以用右手定则来判定。图3.4b所示为接近定子永磁体N极的转子铁心内的绕组导体电流从纸面流出时的导体环形磁场的方向。图3.4c所示定子永磁体的磁力Fm和转子绕组导体磁场的磁力Fa及它们的合力F是使转子顺时针转动的力。同理，接近永磁体S极的转子绕组的磁力与永磁体磁极的磁力的合力使转子顺时针转动。永磁有刷直流电动机转子转动的机理使定子永磁体磁极的磁力与转子绕组导体所形成的磁场的磁力相互作用使其转子转动。
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