串勵電機定轉子沖片參數選擇思路與方法

羅選強，王典，董紅贊

（ 上海電動工具研究所（集團）有限公司，上海 200233 ）

0 引言

隨著電動工具用串勵電機的設計研究和工藝制造水平的不斷提高，電機的電磁設計也產生了新的內容和變化。目前，串勵電機向著又小又輕的目標發展，同時使電動工具產品更輕巧，功率更大、轉速更高、重量更輕，這種設計趨勢在量大面廣的手持式電動工具產品中顯得更加重要。本文主要論述電機沖片設計時定子外徑選取思路，以及相應的轉子外徑尺寸如何確定。

1 概述

串勵電機定轉子沖片尺寸的選擇存在兩種主流觀點，即：“電機的功率和定子的外徑平方成正比”與“電機功率只和轉子的外徑平方成正比，轉子外徑越大越好”。

兩種觀點的碰撞，形成了串勵電機沖片設計的關鍵要素。

2 設計理念

電機沖片設計不僅應滿足電機功率需要，更應在電動工具整機壽命、抗電磁干擾、火花以及電機單位重量功率比等其它性能方面獲得提高。

沖片設計必需滿足電機的生產工藝和生產率，只有完成電機沖片設計后，以各檔沖片為平臺才能進行如下的后續設計：

1）確定轉子沖片的種類和鐵芯疊長，派生不同功率、不同轉速的電機，用數量盡可能少的電機滿足不同電動工具產品的需求；

2）設計電機生產線主要設備上的一系列模具和夾具，特別是定轉子繞線機、槽絕緣機、點焊機、動平衡機和一次成型軸絕緣機；

3）設計電機和關鍵零部件的試驗和檢測設備；

4）根據確定的定轉子圖樣，設計電動工具外型。

電機設計的理念：不存在最好的沖片和電機設計，只有最適合相關產品和工藝的定轉子沖片設計，促使電機標準化、系列化和最優化。

3 定子外徑

設計定子外徑尺寸的原則：不隨意設計定子外徑，而是選擇和市場通用尺寸的外徑，其優點是有利于產品的維修替換并降低成本，增強和市場公用工模具的通用性和互換性，同時可以在外形尺寸相同的條件下調整內部磁路結構，以適合相關產品性能的需要（除特定產品外）。選擇一種定子沖片外徑應能覆蓋企業盡可能多的電動工具產品，有利于電機批量化和自動化生產的實現。

表1 為國內電動工具產品常用定子外徑尺寸。其中，優先采用的外徑系列是量大面廣，通用性最好的，也是電動工具用串勵電機全國第二次聯合設計的電機系列。[1]

優先采用的外徑可覆蓋額定功率為300 W～3 000 W 的產品系列，以及覆蓋超過70%的交流電動工具產品。

4 轉子外徑

隨著串勵電機制造工藝水平的不斷提高，轉子外徑呈現不斷增大的趨勢：

式中：P2為電機輸出功率，C1為電機功率系數，D2為轉子外徑，L 為鐵芯長度，α 為定子極弧系數，A 為轉子線負荷，Bδ為氣隙磁通密度，n 為負載轉速。

式（1）中，電機輸出功率P2與轉子外徑D2的平方成正比，與鐵芯長度L 成比，即代表與轉子體積L 成正比，與定子的極弧系數α成正比，與電機的電磁負荷ABδ成正比，與負載轉速n 成正比。電機功率系數C1是一個和電機損耗相關的非線性系數。

式1 表明，轉子外徑增大可有效提高電機輸出功率。但是，隨著轉子外徑不斷擴大，電機功率未必一定獲得增加。其原因為：

1）轉子外徑增大，定子的用鐵量減少，定子所占空間受到擠壓，定子磁軛寬度hc1和極靴的寬度減小，易使定子磁路飽和；

2）轉子外徑增大，定子空間減少后，繞組槽型面積縮小，定子安匝數受到限制，安匝數下降，使激磁產生的磁密Bm下降；

3）轉子外徑增大，定子極弧長τ 隨之增加。

電機采用的矽鋼片，例如寶鋼470 矽鋼片，最高磁通密度為1.9 T, 定子磁軛和極靴的寬度減小,則電機的磁通量減?。?/p>

式中，φd為電機磁通量，C2為常數，Bm為矽鋼片磁密，hc1為定子磁軛寬度，L 為鐵心長度。

上述三個因素使激磁的磁通量φd減小，根椐公式：

式中：τ 為定子等效極弧長度。

可見氣隙磁密Bδ下降，輸出功率未必因轉子外徑擴大而持續上升。

轉子外徑擴大后，也隨之降低了電機的其它性能，表現如下：

1）轉子過大，使極靴的極尖和定子的磁軛距離縮短，換向區域的磁通和漏磁通增加，火花加大，對于雙向旋轉的電機不宜使用；

2）轉子過大，使定子繞組槽型面積縮小，定子繞組的電流密度提高，限制了電機輸出功率和效率的增加，也限制了雙向電機安匝比的提高；

3）轉子過大，使定子槽滿率提高，定子繞組的制作工藝變得困難，不產品良率上升。目前市場一些產品定子槽滿率超過150%（見圖1），通用的定子繞線機已不能滿足其需要；

4）定子槽滿率提高后，定轉子之間的通風面積減少，致使定子溫升升高。

如上，定子即使能夠通過常規溫升試驗，一旦負載超額時，定子溫升速度快于轉子溫升速度，過載能力下降，較易出現定子損毀先于轉子損毀的不良現象。

式（1）中。D2、A、Bδ和α 等要素相互關聯，在一般情況下：

式中：C3為轉子外徑和定子外徑比例常數，D1為定子外徑。

對于單向旋轉的電機C3取大值，對于雙向旋轉的電機C3取小值。如無特殊要求，不應突破該系數。為適應不同電動工具產品，相同外徑的轉子可同時存在著幾種不同外徑的定子。

在定子外徑相同條件下，確定轉子外徑的大小實質上是分配定子和轉子的負荷比例，轉子外徑越大，定子負荷越重；轉子外徑越小，則轉子負荷越重。例：通用性較強的外徑為35 mm 的轉子可以適應如下外徑的定子：

1）定子外徑為55 mm

主要用于小腰身的Ф100 角向磨光機和電磨，適合于亞洲人群，握持較為方便省力。

2）定子外徑為58.5 mm

主要用在直握式曲線鋸、電木銑、角向磨光機等，握持手柄相對較粗且有力，適合于歐美人群。

3）定子外徑為61 mm

主要用于電鉆、沖擊電鉆、沖擊扳手以及電錘等產品，這些產品功率和轉速較低，但具有正反轉和調速功能，控制火花和抗電磁干擾難度較大，有時采用反向電子或機械限速方法。

筆者曾分別設計了定子外徑為58.5 mm和61 mm 的沖片，定子的安裝尺寸和定子扁勢的尺寸相同，轉子外徑為35 mm 通用，都已大批量投產和推廣。定子外徑為61 mm 的沖片和58.5 mm 相比，擴大了定子繞組的槽型面積和定子軛部的寬度，在高速沖床加工過程中，消耗的矽鋼片原材料相同（見圖2）。

試驗結果表明：在電機轉速、風路和溫升相同情況下，定子外徑為61 mm 的沖片比定子外徑為58.5 mm 沖片在輸出功率上增加10%～15%，有效改善了產品火花現象，并提高了整機抗電磁干擾性能。

5 特定定轉子

某些特定的電動工具產品，如量大面廣的Ф100 角向磨光機，產品要求尺寸小、重量輕，手感好、握持舒適，電機的單位重量功率比較為重要。這類產品的電機轉速高，因而電機的用鐵量少而用銅量大，轉子外徑應大些，與定子外徑的比例可達0.62-0.68，定子槽滿率可提高至120%～150%。

轉子放大后定子的槽形面積減小，高槽滿率必須采用特制的定子繞線機。部分定子沖片采用兩對半形式，線圈繞制方法類似于變壓器繞組，需采用特殊的繞線機。為保證上述工藝實現，避免定子線圈變形和散包，應采用自粘性電磁線，無需浸漆和焙烘工藝。

上述方法提供了轉子放大和高定子槽滿率的成功設計和實現工藝，可大幅提高電機的單位重量功率。但是，類似沖片僅為特定產品量身定做，不適用于轉速低的電機和正反轉電機。

6 結語

在全面滿足電機各種性能要求下，電機的額定輸入功率與定子外徑平方（定子外徑D1和定子扁勢長度B 的乘積）和鐵心疊高成正比。電機定轉子沖片設計應平衡磁通密度、槽滿率、激磁安匝、電磁負荷、熱負荷等參數，同時協調功率、轉速、效率、溫升、火花和抗電磁干擾等性能的關系。感應電機、無刷電機以及其他種類的電動機設計都可遵循上述思路。