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1、3 无刷直流电动机的电磁设计3.1 基本要求永磁无刷直流电机的设计原理和方法与普通无刷直流电动机有许多相同之处，但由于前者 采用稀土永磁磁提励磁，因而在后者相比，在转子励磁结构、参数选取、性能计算等许多方面 存在较大差异，故合理的设计对于充分利用稀土永磁体的特点，最大限度地发挥其优越性，降 低成本，保证其性能至关重要的。3.1.1 总体方案的确定由于无刷直流电动机是集电机本体、控制器和转子位置传感器于一身的机电一体化电机，因而对于给定的技术指针，首先应从系统的角度出发确定总体方案，包括以下几个方面。电枢绕组的形式和开关主电路的接法 电枢绕组通常是星形绕组和多边形绕组两类，相数一般有两相、三相和
2、四相绕组。逆变器 接法有桥式和非桥式两种。逆变器与电枢绕组相组合，可以形成多种多样的形式，其工作方式 相应也有许多种，如一相导通三相三状态、两相导通三相六状态、三相导通三相六状态目前最常用的绕组为三相绕组。对于逆变器，三相桥式换向电路可实现较好的电机性能， 但使用的开关功率管较多，价格较高；三相非桥式换向的开关管数量减少一半，较为经济。因 而两种逆变器接法适用于不同的场合，均获得广泛应用。相应地逆变器工作方式也以一相导通 星形三相三状态、两相导通星形三相六状态应用最为广泛。方波电动机与普通无刷直流电动机设计方法的选择 方波电动机的设计思想是要获得方波气隙磁感应强度，通常的激磁方式为瓦片稀土永磁
3、径 向激磁，极弧宽度大于 120电角度。为了减小力矩波动，极弧宽度应尽量取大。绕组形式应 采用整距集中绕组，以获得梯形波反电势。这时电枢电流也为方波。普通无刷直流电动机的设计思想是假设气隙磁场感应强度，通常的激磁方式按正弦波分 布，绕组方式采用短距分布绕组，反电势波形为正弦波。电枢电流波形为电源直流电压于电枢 正弦波反电势的差值曲线。当气隙磁场较为接近正弦波，以该方法设计电机较为准确。当气隙 磁场较为方波，呈梯形波分布时，用该方法设计有一定裕度，通常电机出力较设计值略大。 3.1.2 转子激磁结构确定转子激磁结构对于发挥不同种类稀土永磁材料的性能、保障电机的性能指针和体积重量要 求，起着至关重
4、要的作用。当电机的额定功率和转速给定后，电机的主要尺寸基本取决于电磁负荷的选取。其计算方式为：D 2 L6.14 =31)Pa K ABi w 6其中A-电负荷K -绕组系数 P -电机的计算容量w其中磁负荷B取决于稀土永磁体与外磁路系统的配合，而稀土永磁体的形状、尺寸、性能、6种类以及其激磁结构形式，对磁负荷B的大小起着决定作用。63.1.3 磁路设计磁路设计是要求出稀土永磁体的尺寸、外磁路特性，并作永磁体工作图，求出工作点的气 隙磁感应强度和磁通量。对于稀土永磁体，主要是确定其磁化方向厚度和横截面积，以确定永磁体去磁曲线的坐标 值。由于各类稀土永磁体的性能不同，各种励磁方式的永磁体形状不同
5、，较难找到永磁体尺寸 与技术指标之间准确的对应关系。通常的方法是先按设计要求，根据经验预取一个尺寸，经过 磁路计算求出工作点，根据磁路各部分的饱和情况工作点的大小，对永磁体尺寸进行调整，或 经过电路计算和性能计算后，对永磁体尺寸进行再调整，直至满足为止。外磁路特性计算方法与普通无刷直流电动机基本相同，当永磁体尺寸和外磁路特性确定后 就可以作磁铁工作图，如图 3.1所示。从图中可见，稀土永磁体的去磁曲线基本上为一直线， 气隙磁场由于电枢反应的作用变化时，工作点始终沿该直线变化。图中B点和C点分别为额 定负载工作时和最大电枢反应时的工作点。稀土永磁体的磁阻比较大，一般情况下电枢反应的 影响较小，在
6、一些小功率的稀土永磁无刷直流电机的设计中，也常常将空载工作点近似看承负 载工作点而不会产生较大误差。由于稀土永磁体具有负温度系数，当温度升高时，磁性能有所下降，如图所示，此时空载 工作点由A点降至E点。上面所介绍的磁路设计方法是建立在磁路分析的基础上。由于稀土永磁体价格高，磁路等 效计算方法往往难以准确计算磁场分布，就造成了稀土永磁体的浪费，或是磁场分布不合理。 最好是采用有限元法进行电机磁场的分析。特别对于分析方波或者正弦波气隙磁场分布，采用 有限元方法是十分需要的。磁场有限元方法在电机设计中有两种应用：一是直接代替磁路计算， 二是校核磁路设计结果。随着有限元计算软件的通用化、商业化和自动化
7、的发展，以及计算机 速度的提高，有限元法在电机设计中的设计和分析已越来越广泛。3.1.4 电路设计电路设计是在电机总体方案和磁路设计的基础上，对绕组参数进行设计计算，同时校核电 机的各项指标要求。由于方波电动机与普通无刷直流电动机的反电势和电流波形不同，因而反电势与电流的表 达式，以及电磁转矩和转速的表达式均不相同。3.2 主要指标3.2.1 主要技术指标(1) 额定功率P 二 100WN(2) 额定电压U =270VN(3) 额定转速n =1000r/minN(4) 额定电流I 1AN3.2.2 主要尺寸的确定(1) 预取效率耳=0.5(2) 计算功率 电机短期工作，故P =125Wi(3)
8、 预取线负荷A = 110 x 102 A / ms(4) 预取气隙磁感应强度二 0.5T(5) 预取计算极弧系数a = 0.8i(6) 预取长径比(L/D)九=1.527(8) 计算气隙D = 3.6 x 10 -2 mi15 二 1mm(9) 电枢外径(10) 极对数(11) 电枢铁芯长(12) 极距(13) 永磁体轴向长D = 3.95 x 10 -2 m1p=3L=九D = 5.5 x 10 -2 mi1t =ii = 1.9 x 10 -2 m2 PL = L = 5.5 x 10 -2 m m3.2.3 定子结构确定(1) 齿数(2) 齿距(3) 齿距角(4) 槽形尺寸Z=18t=
9、Da = 0.628 x 10-2 m Z360。 t = j Z=20槽口宽 b 二 0.2x 10-2m01槽口高 h = 0.05x 10-2m01槽肩高 h = 0.05 x 10-2 mx1槽高 h = 0.45 x 10-2 mt齿宽 b 二 0.295 x 10-2 mt电枢轭高 h = 0.325 x 10-2 mj1二 1.1Kt (56+ b )K 二6 t (56 + b ) 一 b 201 01(6) 槽面积S = 0.39 x 10 -4 m 2 s(7) 电枢铁心轭部沿磁路计算长度L = 1.413 x 10 -2 mi1(8) 电枢铁心材料确定电枢冲片材料 DW5
10、40-50电枢冲片叠数系数K二0.96fe电枢冲片材料密度P二7.75 x 103 kg /m3s3.2.4 转子结构确定(1) 转子结构类型其厚度=0.3mm 6二1mm电机的实际工作气隙为0.7mm(2) 永磁体外径D = 3.4 x 10 -2 m m(3) 永磁体内径D = 3.26 x 10 -2 m mi(4) 永磁体极弧系数a = 0.8 m(5) 永磁体磁化方向截面积=2.369 x 10-4 m 2a L tDmmm4p(6) 永磁体材料参数永磁体材料 钕铁硼剩磁B二1.3Tt矫顽力H二796kA / mc内禀矫顽力H二1592kA/mj材料密度 P = 7.4g /cm3t
11、二 B S 二 3.0797 x 10-4 Wb(8) H 对应的磁势 c(9) 转子磁轭材料3.3 磁路计算F = 2H (Dm - Dmi) = 5600A cC2选用 10 号钢(1)漏磁系数b 二 1.2(2)气隙磁通二 B a tL 二 8.36B x 10-4 Wb s ms(3)电枢齿磁感应强度B t 二 A 6.6B(T)t fe(4)电枢轭感应强度Bi1s二 4.872B (T)2h K Lsj1 fe(5)转子轭磁感应强度B 二 2.76B (T)j 2s(6)气隙磁势F 二 0.176B x 104 Ass(7)电枢齿磁势F 二 0.9H x 10-2 Att(8)电枢轭
12、磁势F = 1.413H x 10-2 Aj1j(9)转子轭磁势口 = 0.83H x 10-2 AF j 2a(10) 总磁势EF 二 F + F + F + Fs t j 2j1 二 10.032B x 10-4Wbms(12) 空载工作点空载气隙磁感应强度B二0.55TO空载气隙磁通。二5.5176x 10-4WbO0空载电枢齿磁感应强度B二3.63Tt空载电枢轭感应强度B二2.6796Tj1空载转子轭感应强度 B二1.518Tj2预取负载气隙磁通 2二2.89 x 10-4WbO3.4 绕组设计(1) 绕组形式及电子开关形式两相导通星形三相六状态(2) 绕组系数采用单层集中整距绕组，即
13、每极每相槽数 q=1 故绕组系数 K =1 w(3)每相绕组串联匝数E - aW - 7.5230匝2 p 2 n a qO0 0 i(4)电枢总导体数N =2mW=1380 匝 n(5)每槽导体数N=76 匝(6)计算绕组端部长度bl- 4.2 x10-2 m(7)电枢绕组每匝平均长度L -19.4x10-2mav(8)预估导体截面积S - 0.0529 x 10 -6 m 2 c(9)选择导线选择F级绝缘导线QZY-2(10) 槽满率K - 0.35sJ=15 x 106 A / m 23.5 参数计算和性能计算3.5.1 电枢反应计算(1) 起动电流(2)I 二st起动时直轴电枢反应最大
14、值2ra20F 二 276Asdm(3)额定工作时的反电势E=C n 二 266.8Ve 5 N(4)额定工作时工作电流I 二 0.97s(5)额定工作时最大直轴去磁磁势F 二 34A adm(6) 负载工作点负载气隙磁感应强度B二0.5872T 5负载气隙 。二2.8925 x 10-4Wb 5负载定子齿磁感应强度B = 1.5176Tt负载定子轭感感应强度B二1.6555Tj(7) 额定工作时电磁转距T = 0.0366N m em(8) 起动电磁转距T 二 C I 二 0.293N m st T 5 st3.5.2 性能计算(1) 电机总损耗Ep = 15.1W(2) 额定输入功率P = 98.3W1(3) 额定输出功率P 二 83.2 WN(4) 电机效率
