串励电机定转子冲片参数选择思路与方法

罗选强，王典，董红赞

（ 上海电动工具研究所（集团）有限公司，上海 200233 ）

0 引言

随着电动工具用串励电机的设计研究和工艺制造水平的不断提高，电机的电磁设计也产生了新的内容和变化。目前，串励电机向着又小又轻的目标发展，同时使电动工具产品更轻巧，功率更大、转速更高、重量更轻，这种设计趋势在量大面广的手持式电动工具产品中显得更加重要。本文主要论述电机冲片设计时定子外径选取思路，以及相应的转子外径尺寸如何确定。

1 概述

串励电机定转子冲片尺寸的选择存在两种主流观点，即：“电机的功率和定子的外径平方成正比”与“电机功率只和转子的外径平方成正比，转子外径越大越好”。

两种观点的碰撞，形成了串励电机冲片设计的关键要素。

2 设计理念

电机冲片设计不仅应满足电机功率需要，更应在电动工具整机寿命、抗电磁干扰、火花以及电机单位重量功率比等其它性能方面获得提高。

冲片设计必需满足电机的生产工艺和生产率，只有完成电机冲片设计后，以各档冲片为平台才能进行如下的后续设计：

1）确定转子冲片的种类和铁芯叠长，派生不同功率、不同转速的电机，用数量尽可能少的电机满足不同电动工具产品的需求；

2）设计电机生产线主要设备上的一系列模具和夹具，特别是定转子绕线机、槽绝缘机、点焊机、动平衡机和一次成型轴绝缘机；

3）设计电机和关键零部件的试验和检测设备；

4）根据确定的定转子图样，设计电动工具外型。

电机设计的理念：不存在最好的冲片和电机设计，只有最适合相关产品和工艺的定转子冲片设计，促使电机标准化、系列化和最优化。

3 定子外径

设计定子外径尺寸的原则：不随意设计定子外径，而是选择和市场通用尺寸的外径，其优点是有利于产品的维修替换并降低成本，增强和市场公用工模具的通用性和互换性，同时可以在外形尺寸相同的条件下调整内部磁路结构，以适合相关产品性能的需要（除特定产品外）。选择一种定子冲片外径应能覆盖企业尽可能多的电动工具产品，有利于电机批量化和自动化生产的实现。

表1 为国内电动工具产品常用定子外径尺寸。其中，优先采用的外径系列是量大面广，通用性最好的，也是电动工具用串励电机全国第二次联合设计的电机系列。[1]

优先采用的外径可覆盖额定功率为300 W～3 000 W 的产品系列，以及覆盖超过70%的交流电动工具产品。

4 转子外径

随着串励电机制造工艺水平的不断提高，转子外径呈现不断增大的趋势：

式中：P2为电机输出功率，C1为电机功率系数，D2为转子外径，L 为铁芯长度，α 为定子极弧系数，A 为转子线负荷，Bδ为气隙磁通密度，n 为负载转速。

式（1）中，电机输出功率P2与转子外径D2的平方成正比，与铁芯长度L 成比，即代表与转子体积L 成正比，与定子的极弧系数α成正比，与电机的电磁负荷ABδ成正比，与负载转速n 成正比。电机功率系数C1是一个和电机损耗相关的非线性系数。

式1 表明，转子外径增大可有效提高电机输出功率。但是，随着转子外径不断扩大，电机功率未必一定获得增加。其原因为：

1）转子外径增大，定子的用铁量减少，定子所占空间受到挤压，定子磁轭宽度hc1和极靴的宽度减小，易使定子磁路饱和；

2）转子外径增大，定子空间减少后，绕组槽型面积缩小，定子安匝数受到限制，安匝数下降，使激磁产生的磁密Bm下降；

3）转子外径增大，定子极弧长τ 随之增加。

电机采用的矽钢片，例如宝钢470 矽钢片，最高磁通密度为1.9 T, 定子磁轭和极靴的宽度减小,则电机的磁通量减小：

式中，φd为电机磁通量，C2为常数，Bm为矽钢片磁密，hc1为定子磁轭宽度，L 为铁心长度。

上述三个因素使激磁的磁通量φd减小，根椐公式：

式中：τ 为定子等效极弧长度。

可见气隙磁密Bδ下降，输出功率未必因转子外径扩大而持续上升。

转子外径扩大后，也随之降低了电机的其它性能，表现如下：

1）转子过大，使极靴的极尖和定子的磁轭距离缩短，换向区域的磁通和漏磁通增加，火花加大，对于双向旋转的电机不宜使用；

2）转子过大，使定子绕组槽型面积缩小，定子绕组的电流密度提高，限制了电机输出功率和效率的增加，也限制了双向电机安匝比的提高；

3）转子过大，使定子槽满率提高，定子绕组的制作工艺变得困难，不产品良率上升。目前市场一些产品定子槽满率超过150%（见图1），通用的定子绕线机已不能满足其需要；

4）定子槽满率提高后，定转子之间的通风面积减少，致使定子温升升高。

如上，定子即使能够通过常规温升试验，一旦负载超额时，定子温升速度快于转子温升速度，过载能力下降，较易出现定子损毁先于转子损毁的不良现象。

式（1）中。D2、A、Bδ和α 等要素相互关联，在一般情况下：

式中：C3为转子外径和定子外径比例常数，D1为定子外径。

对于单向旋转的电机C3取大值，对于双向旋转的电机C3取小值。如无特殊要求，不应突破该系数。为适应不同电动工具产品，相同外径的转子可同时存在着几种不同外径的定子。

在定子外径相同条件下，确定转子外径的大小实质上是分配定子和转子的负荷比例，转子外径越大，定子负荷越重；转子外径越小，则转子负荷越重。例：通用性较强的外径为35 mm 的转子可以适应如下外径的定子：

1）定子外径为55 mm

主要用于小腰身的Ф100 角向磨光机和电磨，适合于亚洲人群，握持较为方便省力。

2）定子外径为58.5 mm

主要用在直握式曲线锯、电木铣、角向磨光机等，握持手柄相对较粗且有力，适合于欧美人群。

3）定子外径为61 mm

主要用于电钻、冲击电钻、冲击扳手以及电锤等产品，这些产品功率和转速较低，但具有正反转和调速功能，控制火花和抗电磁干扰难度较大，有时采用反向电子或机械限速方法。

笔者曾分别设计了定子外径为58.5 mm和61 mm 的冲片，定子的安装尺寸和定子扁势的尺寸相同，转子外径为35 mm 通用，都已大批量投产和推广。定子外径为61 mm 的冲片和58.5 mm 相比，扩大了定子绕组的槽型面积和定子轭部的宽度，在高速冲床加工过程中，消耗的矽钢片原材料相同（见图2）。

试验结果表明：在电机转速、风路和温升相同情况下，定子外径为61 mm 的冲片比定子外径为58.5 mm 冲片在输出功率上增加10%～15%，有效改善了产品火花现象，并提高了整机抗电磁干扰性能。

5 特定定转子

某些特定的电动工具产品，如量大面广的Ф100 角向磨光机，产品要求尺寸小、重量轻，手感好、握持舒适，电机的单位重量功率比较为重要。这类产品的电机转速高，因而电机的用铁量少而用铜量大，转子外径应大些，与定子外径的比例可达0.62-0.68，定子槽满率可提高至120%～150%。

转子放大后定子的槽形面积减小，高槽满率必须采用特制的定子绕线机。部分定子冲片采用两对半形式，线圈绕制方法类似于变压器绕组，需采用特殊的绕线机。为保证上述工艺实现，避免定子线圈变形和散包，应采用自粘性电磁线，无需浸漆和焙烘工艺。

上述方法提供了转子放大和高定子槽满率的成功设计和实现工艺，可大幅提高电机的单位重量功率。但是，类似冲片仅为特定产品量身定做，不适用于转速低的电机和正反转电机。

6 结语

在全面满足电机各种性能要求下，电机的额定输入功率与定子外径平方（定子外径D1和定子扁势长度B 的乘积）和铁心叠高成正比。电机定转子冲片设计应平衡磁通密度、槽满率、激磁安匝、电磁负荷、热负荷等参数，同时协调功率、转速、效率、温升、火花和抗电磁干扰等性能的关系。感应电机、无刷电机以及其他种类的电动机设计都可遵循上述思路。