永磁無刷電動機設計

1、永磁無刷電動機設計(shj)共八十三頁設計技術要求(yoqi)與典型設計過程對一臺無刷電動機的設計技術要求常體現(xiàn)在電機設計技術任務書中。電機設計除應符合有關國家標準(u ji bio zhn)和行業(yè)標準外,設計技術任務書常包括如下內容：共八十三頁1.電機主要技術要求(yoqi)包括使用電源電壓,工作制,連續(xù)工作下功率、轉矩、轉速,峰值功率、峰值轉矩,最高轉速,效率,振動與噪聲,使用環(huán)境,防護等級等。共八十三頁2.與電機設計有關的控制方面技術要求控制類型:開環(huán)或閉環(huán),轉矩(電流)控制,轉速控制,或位置控制;控制精度和帶寬;轉向或正反轉；軟起動,制動,限流;動態(tài)要求,轉矩轉動慣量比,加/減速能力(

2、nngl);故障保護等。共八十三頁永磁無刷電動機設計目前用得較多的仍然是傳統(tǒng)電磁設計方法。電磁設計方法是電機的經(jīng)典基本設計方法,其中最常用的是電機主要尺寸計算法:由技術要求(yoqi)確定定子和轉子結構,由轉子結構和永磁體性能確定磁負荷Bm,由性能要求及散熱條件選擇電負荷A,然后根據(jù)電磁負荷確定電機主要尺寸Da和L。該方法屬于經(jīng)驗設計,需要設計者有較多的設計經(jīng)驗積累,計算結果常需要多次調整。共八十三頁典型的設計(shj)流程1)分析設計任務書要求，明確設計目標；2)工作方式的選擇，如相數(shù)選擇、導通方式、換相電路形式等；3)電機結構形式選擇:定子結構、永磁材料和轉子磁路結構、傳感器結構；4)主要

3、尺寸決定。根據(jù)電磁負荷或轉矩特性要求計算(j sun)電機主要尺寸Da、L；5)極數(shù)和槽數(shù)選擇，定子沖片和轉子磁路初步設計；6)磁路計算或有限元分析，計算確定氣隙磁場參數(shù)；7)繞組設計，繞組形式選擇與匝數(shù)、線規(guī)計算；8)電磁參數(shù)計算，特性計算；9)設計復核與調整，核算電流密度、電磁負荷、電機溫升、性能。共八十三頁目前,已有多種適用于永磁無刷電機設計使用的軟件(run jin),例如ANSYS, ANSOFT、MotorSolve、SPEED等。國內也有多個新開發(fā)的設計軟件可用于無刷直流電機設計。共八十三頁CAD技術將計算機的快速準確計算能力與電機專家研究理論成果及設計經(jīng)驗結合起來,加速了產(chǎn)品的

4、設計過程,縮短了設計周期,提高電機產(chǎn)品設計質量(zhling)。盡管設計軟件功能越來越豐富,為電機設計帶來不少方便,但設計者的無刷電機基本理論相關知識和設計經(jīng)驗是不可或缺的。實際上,在初始設計和設計程序中,參數(shù)的選擇都需要設計者正確參與和判斷。利用現(xiàn)代設計軟件并與傳統(tǒng)電磁設計方法相結合,有利于提高設計水平。共八十三頁若干(rugn)設計要素的選擇無刷電機是機電一體化產(chǎn)品,要達到設計(shj)任務書所要求的技術指標、工作特性,需要從電機本體和控制器整體角度出發(fā),首先要確定合適的工作方式,例如相數(shù)、繞組連接方式、導通方式等,然后考慮電機本體的定轉子結構形式、定子裂比、定子槽極數(shù)、轉子永磁體結構、位

5、置傳感器方式等選擇。共八十三頁1.相數(shù)的選擇(xunz)大多數(shù)的無刷電動機驅動系統(tǒng)采用三相。三相驅動系統(tǒng)已被廣泛應用,因而有許多成熟的通用驅動器產(chǎn)品可供選用。然而,多相電機驅動系統(tǒng)比三相電機驅動系統(tǒng)更具優(yōu)勢，近年有各種多相驅動技術，專門應用于要求高性能、高可靠性和低直流電壓供電、大功率，而在成本不那么受到限制的場合(如電動汽車、混合動力汽車、航空航天、船舶推進等),對于一些小型風機、泵類等為節(jié)省成本又對轉矩波動(bdng)無要求的產(chǎn)品,可采用單相無刷電機驅動。兩相或四相一般不推薦采用。共八十三頁工作(gngzu)方式的選擇最為廣泛應用的是三相、橋式驅動、六狀態(tài)、120導通、星形接法、有位置傳感

6、器的工作方式,應首先考慮采用。無論從電機性能、性價比和功率(轉矩)密度出發(fā),還是方便配置通用控制器和采用專用集成電路角度看,這種系統(tǒng)方案都宜列為首選。只在小功率或為節(jié)約成本(chngbn)時,可以考慮采用非橋式三相或四相驅動方式或單相驅動方式,參見第3章分析。一般不推薦封閉式繞組接法,也不推薦180導通方式。如果特別關注運行可靠性或因為工作環(huán)境限制等因素,可考慮采用無位置傳感器的工作方式。共八十三頁電機(dinj)本體結構形式的選擇從原理結構上看,無刷直流電動機本體部分就是一個(y )永磁同步電動機:有多相繞組的定子和有永磁體的轉子。無刷直流電動機整體結構形式多種多樣,主要有以下幾類：共八十三

7、頁(1)徑向(jn xin)磁路和軸向磁路結構這是相對于電機轉軸軸心(zhu xn)來說的,常見的是徑向磁路結構,電機呈圓柱狀,定轉子間氣隙也呈圓柱狀。軸向磁路結構電機的氣隙是與軸心垂直的平面。軸向磁路常設計為盤式,外形呈現(xiàn)為扁平型式,軸向尺寸短,徑向尺寸大,適用于有這種結構要求的場合。徑向磁路電機制造是最簡單、最便宜的,但是它們的有效材料用量和軸向長度比橫向磁路電機大。共八十三頁(2)外轉子(zhun z)和內轉子(zhun z)結構大多數(shù)徑向磁路電機設計為內轉子結構。一般來說,內轉子結構的轉子轉動慣量較低，適用于要求快速加減速、期望轉矩轉動慣量比高的情況，特別是伺服用途電機中常常采用；由于

8、(yuy)定子散熱條件較好，電機安裝方便，大多數(shù)徑向磁路電機設計為內轉子式。內轉子電機更適用于需要經(jīng)減速機構間接驅動的場合。此時，電機設計成高速電機,具有較高功率密度。共八十三頁徑向磁路也有設計為盤式的，這種電機徑向尺寸大，軸向長度相對較短，容易設計為多槽多極，所以往往用于要求低速大轉矩直接驅動的場合。這樣的盤式電機常設計為外轉子結構，例如電動車用輪轂電機、一些風機用電機。外轉子無刷電機更適用于要求恒定速度連續(xù)工作的應用場合。和內轉子轉子比較，外轉子轉子支撐(zh chng)結構較為復雜，但在防止永磁體飛逸方面不成問題。較高轉速的內轉子式電機、表貼式結構轉子往往需要增加離心力防護措施。共八十三

9、頁圖6-1 外徑相同(xin tn)電機內轉子和外轉子結構的氣隙直徑比較如圖6-1所示，具有相同外徑的電機,若電機設計為外轉子式，它與內轉子相比，可以得到較大氣隙直徑。由于電機電磁轉矩與氣隙直徑的二次方成正比關系(gun x)，從而使外轉子電機的長度和重量可減小，具有較高轉矩密度。優(yōu)化設計的外轉子電機有效材料重量比內轉子電機大約輕15%左右。共八十三頁采用集中繞組的外轉子電機(dinj)，因為定子齒朝外，繞制繞組要容易得多,適合于快速機械繞線，特別是采用開口槽的情況下。在外轉子電機中，內置式轉子磁路結構是罕見的，因為機械設計上有一定難度，采用表貼式結構則為常見。共八十三頁(3)有槽和無槽結構(

10、jigu)最常見的定子是有鐵心的結構，鐵心上開槽用以放置繞組。無槽結構電機的定子電樞沒有(mi yu)鐵心，或定子環(huán)狀鐵心沒有(mi yu)齒和槽，繞組安放在定轉子間較大的氣隙中。由于沒有(mi yu)齒和槽，因而消除了齒槽效應，具有轉矩波動小、運行平穩(wěn)、噪聲低、電樞電感小、機械特性線性度好、控制性能優(yōu)異等一系列優(yōu)點。徑向磁路和軸向磁路都可以設計為無槽結構。軸向磁路無槽結構電機的繞組還可以采用繞線式繞組，也可采用印制繞組技術制作繞組。但是，與有齒槽鐵心結構相比，無槽結構電機氣隙大，需要永磁材料多，增加了永磁材料成本。無槽電機的繞組散熱較困難，過載能力較差，繞組工藝復雜，成本較高。共八十三頁(4

11、)一體化結構設計根據(jù)特定用途,可將驅動器安放在電動機內部而進行一體化設計,或將電機與被驅動的機械作一體化設計,融合為一個緊湊的整體構件,以減少電路的連接或簡化機械傳動鏈,縮小空間尺寸和降低(jingd)重量,提高可靠性。對特定用途的電機應采用這樣的一體化設計思維。共八十三頁4.繞組層數(shù)的選擇(xunz)繞組層數(shù)的選擇主要取決于應用。表6-1比較了單層和雙層集中繞組的某些特征。項目單層集中繞組雙層集中繞組基波繞組系數(shù)較高較低繞組端部較長短槽滿率較高較低自感較高較低互感較低較高反電動勢波形接近梯形波接近正弦波磁動勢諧波含量較高較低轉子永磁體渦流損耗較高較低轉矩過載能力較高較低共八十三頁在需要高容錯

12、的應用中,單層繞組優(yōu)于雙層繞組。因為各相繞組之間在電和熱兩方面都是相互隔離的,而且因自感高而限制了短路電流,互感低使各相之間磁場也是隔離的。由于有較高的電感,在寬速度(sd)范圍恒功率運行應用時,單層繞組是首選。但是高電感就意味著低功率因數(shù)。反之,為了限制損耗和降低轉矩波動,最好選擇雙層繞組。此外,雙層繞組比單層繞組有更多可能的極數(shù)和槽數(shù)組合的選擇。一般用途電機常采用雙層繞組。共八十三頁5.極數(shù)、槽數(shù)的選擇(xunz)選擇層數(shù)后,下一步是確定(qudng)極數(shù)和槽數(shù)。一般而論,首先選擇極對數(shù) ，然后選擇定子槽數(shù)Z?；阼F損耗和效率考慮,最高運行速度或頻率限制了可能的極數(shù)上限范圍。然后,綜合考慮

13、繞組系數(shù)、齒槽轉矩和轉矩波動、避免單向磁拉力、磁動勢(MMF)諧波引起的轉子損耗和電感等幾個因素,選擇合適的槽極數(shù)組合。共八十三頁在極對數(shù)p的允許范圍內,如果選擇較少的p,則旋轉(xunzhun)頻率較低,定子鐵心有較低的鐵損耗,容易保證預定的空載電流和最大效率要求,同時有可能選擇較少的Z,槽絕緣和相間絕緣所占比例減少,可以有較大的槽面積空間放置銅線;選擇較少的Z還可以減少下線工時。共八十三頁如果選擇較多的p,則能夠有更多的Z/(2p)組合可以選擇,有更多優(yōu)選機會(j hu),可得到較低的齒槽轉矩、較高的繞組系數(shù)。選擇較多的槽數(shù)Z,集中繞組線圈端部尺寸較小,繞組電阻有可能降低。此外,通常隨極數(shù)

14、的增加,每極安匝數(shù)成反比地下降,因此繞組電感將減少。較低的電感使電機有更接近線性的輸出特性。而且定子和轉子的磁軛厚度與極對數(shù)p成反比,采用較多的極數(shù)有利擴大槽面積,線圈端部較短,可提高電機性能。對于一個給定的電負荷和磁負荷的永磁無刷電機設計,極數(shù)增加使整個電機外徑可以減少。但是,較多的極數(shù)使磁極間漏磁增加,減低永磁體的利用率;在同樣轉速下,極數(shù)越多,電機鐵心磁場交變頻率越大,鐵損耗增大,同時,驅動器開關頻率上升,開關損耗增大,總體效率可能下降。所以,極數(shù)選擇是一個關鍵,需要做多方案對比、分析計算后確定。共八十三頁一般而言,極數(shù)多的永磁電機有效材料重量降低。事實上,在需要產(chǎn)生同樣額定轉矩時,具有

15、大極數(shù)的電機磁路較短。假設電機空載氣隙磁通密度相同,一極下的磁通量與極數(shù)成反比。較高的極數(shù)使磁通量較低,定子和轉子鐵心軛部厚度可以較薄,也不會引起高飽和。所謂有效材料重量是指參與產(chǎn)生轉矩的零部件重量,即定子和轉子鐵心、永磁體和繞組銅的重量。圖6-2顯示(xinsh)了一臺4.5kW低速50r/min電機在所有的設計有同樣銅損耗前提條件下,不同極數(shù)設計方案的有效材料重量和鐵心損耗比較?？梢钥闯?隨著極數(shù)增加, 最初有效材料重量下降很快,以后就不明顯了。雖然頻率隨著極數(shù)增加而增加,但由于鐵心材料用量也減小,鐵損耗的增加是有限的。虛線顯示如果該電機鐵心重量保持不變時的鐵損耗變化情況。這種情況下,鐵損

16、耗增加反而更為明顯。這個例子提示,有時適當減小 鐵心尺寸是降低鐵損耗的一個有效途徑。共八十三頁不同極數(shù)設計時的有效材料(cilio)重量和鐵損耗變化共八十三頁設計一個工作轉速4000r/min、集中繞組無刷直流電機,對極數(shù)和槽數(shù)選擇分析(fnx)的例子1）首先是選擇(xunz)極對數(shù)p:主要由電動機最高轉速和電子驅動器可承受的最高工作頻率決定極對數(shù)p的選擇范圍。定子鐵心磁化工作頻率f由轉子極對數(shù)p和電機轉速n決定:共八十三頁對于(duy)轉速為4000r/min，幾個可能選擇的極數(shù)2p和對應的工作頻率f極數(shù)2p工作頻率f/Hz定子和轉子的磁軛厚度4133最大6200大8267中10333小共八

17、十三頁由于硅鋼片鐵損耗隨工作頻率f的1.3次方增長,為了使定子鐵心有較低的鐵損耗,宜選擇(xunz)較少極數(shù),否則需使用低損耗硅鋼片,必要時采用O.35mm厚度的硅鋼片。共八十三頁Z/2p組合的選擇(xunz):在上述幾個可能選擇的極數(shù)下,能夠構成集中繞組的槽極數(shù)組合有表示的幾種。Z/2p組合LCM齒槽轉矩繞組系數(shù)徑向不平衡磁拉力選擇建議6/412大0.8669/618大0.866推薦9/872小0.945有，不推薦使用12/824大0.866推薦9/1090小0.945有，不推薦使用12/1060小0.933共八十三頁結論(jiln):宜選擇9槽6極或12槽8極方案。表中，9/8和9/10組

18、合存在徑向(jn xin)不平衡磁拉力,會引起振動和噪聲問題,盡管齒槽轉矩小, 繞組系數(shù)較大,但建議不采用。12/10是一個較好的組合,但在我們討論的電機轉速較高、工作頻率高的情況下,也不推薦采用。4極電機的每極磁體為90,工藝性較差,而且定子和轉子的磁軛厚度大,不是最佳選擇。共八十三頁6.整數(shù)槽繞組和分數(shù)(fnsh)槽繞組的選擇槽數(shù)選擇首先要考慮采用整數(shù)槽繞組還是分數(shù)槽繞組。分數(shù)槽繞組有許多優(yōu)點,首先是繞組端部短,可降低繞組電阻,節(jié)省銅材;特別是鐵心不必采用斜槽,就能夠有效地降低齒槽轉矩;因為有較少的槽,工藝性好,便于大批量生產(chǎn),在中小功率電機中適宜廣泛采用分數(shù)槽集中繞組。另一方面,它的基波

19、繞組系數(shù)較低,MMF有大量的諧波含量會導致(dozh)轉子永磁體和鐵心的損耗。需要指出的是,無刷直流電動機分數(shù)槽集中繞組的槽數(shù)和極數(shù)有個合理組合的問題。共八十三頁某臺電機(dinj)的幾種設計方案的有效材料重量比較共八十三頁圖可見,分布式繞組(q =1)比集中繞組電機重了許多。這是由于集中繞組設計的齒數(shù)少,槽和齒都可以更寬;此外,繞組端部短使電阻低,所以在規(guī)定銅損耗下,電機電負荷A可取得較高。此外,允許選用較厚永磁體, 氣隙磁通密度可取較高也不致齒部飽和。即使基波繞組系數(shù)稍低。集中繞組電機還是比整數(shù)槽電機更短更輕。另外的好處是轉矩波動從分布繞組的10%減少到集中繞組的3%。圖中還顯示,在這個例

20、子中,三種集中繞組槽極數(shù)組合中,q =2/5和2/7的有效材料重量與q =3/8和3/10, q =5/14和5/16的相比(xin b),要稍重一些。共八十三頁7.轉子(zhun z)永磁體結構的選擇徑向磁路永磁電機可分為三類:表貼式、埋入式和內置式結構。表貼式的主要優(yōu)點是結構簡單,從而降低制造成本。其主要缺點是,永久磁鐵易被電樞反應(fnyng)退磁。埋入式結構的永磁體從轉子鐵心表面埋入,因此它綜合了表貼式的優(yōu)勢又因為存在鐵心凸極而可以產(chǎn)生磁阻轉矩。內置式結構的永磁體嵌入轉子鐵心內部,其優(yōu)點是永磁體得到良好的保護而能防止電樞反應退磁和機械應力影響,并且具有聚磁效果,將永磁體產(chǎn)生的磁通集中,

21、從而獲得高氣隙磁通密度。此外,內置式結構存在鐵心凸極可以產(chǎn)生磁阻轉矩。它還可以實現(xiàn)寬速度范圍恒功率運行。因此它常用于有弱磁控制要求的正弦波驅動方式。共八十三頁8.氣隙長度(chngd)的選擇在無刷電動機設計中,氣隙長度需要(xyo)謹慎選擇。因為它對電動機的許多性能有影響。取較大氣隙的正面作用,是有可能獲得更接近正弦波氣隙磁通分布,從而在定子鐵心的磁通密度諧波減少,渦流損耗降低。電樞反應磁通密度諧波也會減少,有助于降低轉子方的渦流損耗較大氣隙的齒槽轉矩也會減小。總的結果,它有利于降低電動機的振動和噪聲,降低鐵損耗。共八十三頁而氣隙越大,產(chǎn)生一定的氣隙磁通密度需要的永磁材料越多,增加了永磁材料成

22、本。而且因為等效氣隙等于氣隙與磁鋼厚度之和e+hm/r,而使等效氣隙加大。因此,增大氣隙的結果減少了電機的電感(din n)。電機弱磁控制范圍主要取決于電感(din n),電感(din n)的減少使弱磁控制范圍減少。對于有弱磁控制要求的電機,氣隙應設計得盡可能小,這樣所需的磁鐵材料可以降低,電機的電感可以增大,讓弱磁控制范圍盡可能擴展。相對于感應電機,永磁電機的氣隙長度可以更自由選擇,一般氣隙長度選在0.53mm范圍內,它包括用于固緊和保護磁鐵的護套層或纏繞層厚度在內。而在感應電機氣隙要小許多,為的是限制磁化電流和改善功率因數(shù)。共八十三頁9.永磁體厚度(hud)的選擇表貼式轉子結構永磁體厚度h

23、m按需要的氣隙磁通密度通過磁路計算來選擇(xunz)。另外一個考慮因素是抑制最大過載電流時的去磁能力。一般情況下,永磁體厚度/氣隙比按1018(永磁鐵氧體)或48(釹鐵硼永磁)選取。試圖以增加永磁體厚度大幅提高氣隙磁通密度的效果不大,而永磁體成本卻會大大增加。共八十三頁定子(dngz)裂比的選擇設計內轉子式電機定子沖片時,其外徑Do由給定空間條件預先限定,需要確定的是定子內徑D i，內外徑比有文獻稱為定子裂比(Stator Split-ratio),是永磁無刷直流電動機一個重要的設計參數(shù)(cnsh),因為它對電動機轉矩密度和效率都有重大影響。定子裂比表示為共八十三頁這里定子內徑即氣隙直徑Da,

24、是電動機主要尺寸(ch cun)之一,它決定了電動機關鍵性能,見下節(jié)分析。定子外徑與內徑之差決定了軛高h y和槽高h s共八十三頁關于定子(dngz)裂比選擇的討論：1)定子裂比與磁體材料關系:軛高的大小與通過的磁通量有關。當取電機氣隙磁通密度較低時,軛高較小,定子裂比可取較大值。所以,若采用鐵氧體永磁材料,氣隙磁通密度較低,通常內徑(ni jn)要比采用釹鐵硼永磁材料的電機要大。此時,齒寬較窄,槽面積相對較大,有利于抵償氣隙磁通密度低對電機性能的影響。共八十三頁2)當取極數(shù)較多,或分數(shù)槽集中繞組電機(有Z2p)的齒數(shù)Z較多時,軛高較小,定子裂比可取較大值。3)若定子裂比設計得較大,電樞反應去

25、磁作用就減小。這是因為,電樞反應磁動勢的最大Famax=WI/p,內徑越大,那么為了產(chǎn)生一定的轉矩而所需的安匝數(shù)就越小,W降低,所以去磁作用就越弱。在采用分數(shù)槽集中繞組結構時,作用在某個磁鋼上的最大去磁磁動勢就是與它面對的一個定子齒上的線圈所產(chǎn)生的最大安匝數(shù),齒數(shù)Z越多,最大去磁磁動勢就越小。這樣(zhyng),從抗去磁角度出發(fā),設計的磁片厚度可以減小。共八十三頁4)為了提高電機輸出轉矩,宜取內徑大些,即定子裂比大些。但槽高h s的降低使槽面積減少,又對粘性(zhn xn)阻尼系數(shù)D不利,會降低電機機械特性硬度和效率,所以,對定子裂比有個最佳選擇問題。5)對于有需要較小轉動慣量的伺服電動機,常

26、取較小的定子裂比。共八十三頁共八十三頁共八十三頁用釹鐵硼永磁的表貼式內轉子式無刷直流電動機,通常取B g/B max=(O. 750.9) T/1.5T =0.5O.6,當極對數(shù)p =36時,已有設計電動機一般取定子(dngz)裂比范圍在0.500.63之間共八十三頁確定電機(dinj)主要尺寸共八十三頁物理意義：電機產(chǎn)生的電磁轉矩與電動機由氣隙處的尺寸Da和L形成的圓柱體體積大小成正比,并與電動機氣隙處的電磁負荷ABm成正比。所以, Da和L是影響電動機電磁轉矩的主要因素。故稱為(chn wi)電動機的主要尺寸,而把式（6.7）稱為電動機主要尺寸基本關系式。共八十三頁這里需要特別(tbi)提

27、醒注意的是,式（6.7）表明決定電機主要尺寸大小的是電機的電磁轉矩而不是電機的功率。共八十三頁例如以輸出大轉矩為特征(tzhng)的無刷直流力矩電動機,其尺寸可能相當大,輸出轉矩很大,但由于運行轉速低,其輸出功率并不大。這也就是當電動機體積受到限制時，為何將電機設計為高速將有可能得到更大功率的緣故。例如，航空用的電動機在可能情況下，往往設計為高速電機,以降低電機的體積重量。當被驅動的機械要求一定功率時，如果用高速電機(通過減速器降速)驅動，由于只需要電機輸出較小轉矩，電機尺寸較??；如果改為低速電機直接驅動，輸出同樣功率，則電機輸出轉矩必須增加，電機尺寸要大許多才行。共八十三頁C表示了單位體積有

28、效材料產(chǎn)生的轉矩,體現(xiàn)了所設計電動機有效材料的利用程度(chngd),常稱為電機利用系數(shù)共八十三頁電磁負荷愈高,則電機材料的利用率愈高,反之亦然。但是,要采用高值的電磁負荷,可能意味著銅損耗或鐵損耗的增加,效率的降低,因而受到電機因內部損耗引起的發(fā)熱和溫升的限制。所以,電機的主要尺寸基本關系式的內在核心是體現(xiàn)電機的損耗發(fā)熱散熱問題,電機主要尺寸的正確選擇是與電機運行時預期的溫升相對應。電磁負荷ABm的選擇主要受限于電機所選取的材料,包括永磁材料、導磁材料、導電材料、絕緣材料等,并和電機的結構(jigu)、絕緣等級、散熱條件以及運行工況等因素有關。共八十三頁采用稀土類永磁材料獲得高值的氣隙磁通密

29、度,除了能減小電機轉子尺寸外,同時還由于轉子轉動慣量的減小而改善電機的動態(tài)性能。高值的氣隙磁通密度受到定子磁路飽和和鐵損耗的約制,特別是定子齒的飽和程度將大大限制氣隙磁通密度值的選取,當沖片材料確定之后,氣隙磁通密度值實際上決定了定子齒的尺寸。由于鐵損耗還和磁場交變頻率相關(xinggun),氣隙磁通密度的選擇還受到電機工作轉速和極數(shù)的約束。共八十三頁定子(dngz)繞組電流密度j與熱負荷Aj上式表明熱負荷Aj與氣隙圓周單位表面積上的繞組銅損耗(snho)成正比關系，表征了因定子銅損耗(snho)而發(fā)熱程度的指標。電負荷A、定子繞組電流密度j或熱負荷Aj的選擇與定子銅導線用量、銅損耗、絕緣材料

30、等級和電機的冷卻方式等因素有關，他們可以在較大的范圍內變動。共八十三頁一些(yxi)設計參考數(shù)據(jù)磁通密度B： 氣隙：燒結(shoji)釹鐵硼為0.71.1T，粘結釹鐵硼為0.450.75T，鐵氧體為0.30.4T 定子齒：1.51.9T 定子軛：1.21.5T 轉子軛：1.31.6T電負荷A：小型電機為30150A/cm，中大型電機為100800A/cm電流密度j：39A/mm2熱負荷Aj：（10.540）1010A2/m3電流密度j（A/ mm2）可按下列數(shù)據(jù)范圍選?。鹤酝L電機：67迎面氣流冷卻電機：1420油冷電機：1825共八十三頁由電磁負荷確定(qudng)電機主要尺寸方法的不確定(

31、qudng)性由電磁負荷確定電機主要尺寸方法是電機設計經(jīng)典方法。需要指出的是,以電磁負荷決定電機主要尺寸方法用于電機電磁設計時,它是由額定工作點(額定轉矩和轉速)的要求決定電機的主要尺寸,即僅以機械(jxi)特性一個點作為設計的出發(fā)點。但是,設計目標還應當使電機符合所要求的機械特性和其他要求。表示輸出轉矩和轉速關系的機械特性是無刷直流電動機的主要性能之一。通過同一個額定點可以有許多條不同的機械特性曲線,電機主要尺寸基本關系式并沒有顧及到對具體機械特性的設計要求。因此,按照電磁負荷計算出主要尺寸后,再計算得出的機械特性往往和設計技術要求的機械特性差距甚大。這時需要調整主要尺寸,重新進行設計方案計

32、算。這是因為最初設計時選取的電磁負荷的數(shù)值,特別是電負荷值的選取有很大的隨意性。這是電磁初步設計時僅采用電磁負荷決定電機主要尺寸方法所存在的問題。共八十三頁系列產(chǎn)品設計需考慮(kol)的幾個問題對于系列電動機的設計,除了對每一臺電動機要進行單個電動機設計的工作外,還需要另外考慮下列幾個問題:（1）確定功率等級與機座中心高的對應關系。當功率等級確定后,如果一個機座中心高尺寸對應于過多的功率等級,雖然可以減少電動機制造的工藝裝備和便于用戶安裝使用。但會導致電磁設計不夠合理,材料不能充分利用。因此,設計時應考慮整個系列的技術經(jīng)濟指標,在設計過程中往往需要進行多方案的計算、比較。(2)加強零部件的標準

33、化、系列化和通用化。零件應盡量采用標準件和標準尺寸、標準結構。按系列要求合理安排同類型(lixng)零部件的尺寸。在整個系列中盡量考慮零部件的通用程度,以減少零部件的規(guī)格數(shù)目。(3)考慮派生系列的可能性。在進行基本系列設計時,應盡量為派生系列留有余地。這就是說,在基本系列設計的基礎上,應盡可能做到改換部分零部件或增添某些措施,就可以滿足某些特殊性能、特殊環(huán)境或特殊使用條件等要求,從而產(chǎn)生派生系列,以擴大其應用范圍。共八十三頁4極轉子結構(jigu)選擇實例用有限元法研究比較四種不同轉子結構、三相4極、q =3永磁電動機的性能,它們的功率為1.1KW,都是使用(shyng)相同體積的釹鐵硼永磁材

34、料。磁片表貼式埋入式內置切向式內置徑向式磁體體積/mm37995799579957995磁極極弧角/（）75757575磁體厚度/mm1.81.83.52.1氣隙磁通密度/T0.4450.4260.3380.354空載反電動勢/V127.1123.3101.3103.6Ld/H0.0840.0860.2250.18Lq/H0.0840.140.2360.236轉矩/（Nm）7.887.426.286.84鐵損耗/W137.5131.6106.499.2銅損耗/W70.370.370.370.3效率0.8380.8340.830.845共八十三頁美國航空航天局格倫研究中心開發(fā)的儲能(ch nn)

35、飛輪技術在航天器中應用,電機選擇了4極永磁同步電動機方案,它滿足了高比功率、高效率、反電動勢波形、低總諧波畸變率(THD)、低齒槽轉矩和低轉子損耗等設計要求。研究對五種轉子結構選擇進行了對比:共八十三頁共八十三頁多極轉子結構選擇(xunz)實例結構槽數(shù)/極數(shù)有效材料總重量/kg永磁體總重量/kg轉矩波動量（%）表貼式63/70 q =3/1076.152.4210/70 q =191.45.59.3內置切向式63/70 q =3/1055.93.44.2210/70 q =176.45.541.7共八十三頁磁路(c l)計算磁路計算的目的是求出磁路各部分的工作磁密，檢查它們是否在合理范圍之內，

36、因而可以檢查包括主要尺寸(ch cun)、磁極、沖片等在內的電機各部分設計是否合理并作相應的修改。因為它們的計算都預先假定了一定的磁密，如果氣隙磁密的假定值與磁路計算求得的數(shù)值相差很大，那么主要尺寸(ch cun)都要作相應的修改。共八十三頁永磁無刷電機的磁路從永磁體N極出發(fā)，經(jīng)氣隙、定子齒、定子軛、定子齒、氣隙、永磁體 轉子軛、氣隙回到永磁體N極。磁場經(jīng)過各部分時，會產(chǎn)生磁位降。永磁體產(chǎn)生的磁勢應等于(dngy)磁路各部分產(chǎn)生磁位降的和，因此，永磁體的工作點為永磁體去磁曲線與外磁路負載線的交點。共八十三頁永磁材料去磁曲線對于稀土永磁材料，其去磁曲線為一條直線(zhxin)，回復曲線與去磁曲線

37、相吻合。因此只要決定兩點：（Fm，0）與（0，m）即可。對于其它永磁材料，可按給定的永磁材料去磁曲線計算。Fm=2Hmhmm=BrSm =BrLab共八十三頁外磁路(c l)負載線1)氣隙磁位降F由于齒槽的存在使氣隙磁場分布不均勻，我們引入氣隙系數(shù)（卡特系數(shù)）K的概念，將K稱為有效氣隙長度。這意味著從計算氣隙磁勢的角度來看，有槽電機可以用一臺無槽電機來代替，但后者的氣隙長度為K，而氣隙磁密最大值仍為B。K的數(shù)值根據(jù)下面(xi mian)的經(jīng)驗公式來計算：共八十三頁單個氣隙磁位降F共八十三頁氣隙磁密為：共八十三頁定子齒磁位降Ft2定子齒磁密為：根據(jù)(gnj)附表查出Ht2。則電樞齒磁位降Ft2為：共八十三頁定子軛磁位降Fj2定子軛磁密為：根據(jù)(gnj)附表查出Ht2。則電樞軛磁位降 為：共八十三頁 轉子軛磁位降Fj1轉子軛磁密為：根據(jù)(gnj)附表查出Hj1。則定子軛磁位降Fj1為：共八十三頁這樣總的外磁路磁位降F =2 F+ 2Ft2+ Fj2 +Fj1這就是(jish)要求的F =F()關系式。共八十三頁利用作圖法，所選永磁材料的退磁曲線(qxin)與F=F()關系式的交點即是永磁材料的工作點。為了方便，通常先列表計算，如表6-6示。共八十三頁，用作圖法(t f)求出永磁體的工作點，如圖6-9示。共八十三頁損耗(snho)和效