永磁无刷电动机设计

径向磁路也有设计为盘式的，这种电机径向尺寸 大，轴向长度相对较短，容易设计为多槽多极， 所以往往用于要求低速大转矩直接驱动的场合。 这样的盘式电机常设计为外转子结构，例如电动 车用轮毂电机、一些风机用电机。外转子无刷电 机更适用于要求恒定速度连续工作的应用场合。 和内转子转子比较，外转子转子支撑结构较为复 杂，但在防止永磁体飞逸方面不成问题。较高转 速的内转子式电机、表贴式结构转子往往需要增 加离心力防护措施。

大多数的无刷电动机驱动系统采用三相。三相 驱动系统已被广泛应用,因而有许多成熟的通用驱动 器产品可供选用。然而,多相电机驱动系统比三相电 机驱动系统更具优势，近年有各种多相驱动技术， 专门应用于要求高性能、高可靠性和低直流电压供 电、大功率，而在成本不那么受到限制的场合(如电 动汽车、混合动力汽车、航空航天、船舶推进等), 对于一些小型风机、泵类等为节省成本又对转矩波 动无要求的产品,可采用单相无刷电机驱动。两相或 四相一般不推荐采用。

不同极数设计时的有效材料重量和铁损耗变化
设计一个工作转速4000r/min、集中绕组无刷直流电机,对极数和槽数 选择分析的例子

1）首先是选择极对数p:主要由电动机最 高转速和电子驱动器可承受的最高工作 频率决定极对数p的选择范围。定子铁心 磁化工作频率f由转子极对数p和电机转 速n决定:
pn 4000 p f 67 p 6060


采用集中绕组的外转子电机，因为定子 齿朝外，绕制绕组要容易得多,适合于快 速机械绕线，特别是采用开口槽的情况 下。 在外转子电机中，内置式转子磁路 结构是罕见的，因为机械设计上有一定 难度，采用表贴式结构则为常见。
(3)有槽和无槽结构

最常见的定子是有铁心的结构，铁心上开槽用以放置 绕组。无槽结构电机的定子电枢没有铁心，或定子环状铁 心没有齿和槽，绕组安放在定转子间较大的气隙中。由于 没有齿和槽，因而消除了齿槽效应，具有转矩波动小、运 行平稳、噪声低、电枢电感小、机械特性线性度好、控制 性能优异等一系列优点。径向磁路和轴向磁路都可以设计 为无槽结构。轴向磁路无槽结构电机的绕组还可以采用绕 线式绕组，也可采用印制绕组技术制作绕组。但是，与有 齿槽铁心结构相比，无槽结构电机气隙大，需要永磁材料 多，增加了永磁材料成本。无槽电机的绕组散热较困难， 过载能力较差，绕组工艺复杂，成本较高。
电机本体结构形式的选择

从原理结构上看,无刷直流电动机本 体部分就是一个永磁同步电动机:有多相 绕组的定子和有永磁体的转子。无刷直 流电动机整体结构形式多种多样,主要有 以下几类：
(1)径向磁路和轴向磁路结构


这是相对于电机转轴轴心来说的,常见的是径向 磁路结构,电机呈圆柱状,定转子间气隙也呈圆柱 状。轴向磁路结构电机的气隙是与轴心垂直的平 面。轴向磁路常设计为盘式,外形呈现为扁平型式, 轴向尺寸短,径向尺寸大,适用于有这种结构要求 的场合。 径向磁路电机制造是最简单、最便宜的,但是 它们的有效材料用量和轴向长度比横向磁路电机 大。
永磁无刷电动机设计
设计技术要求与典型设计过程

对一台无刷电动机的设计技术要求常体 现在电机设计技术任务书中。电机设计 除应符合有关国家标准和行业标准外,设 计技术任务书常包括如下内容：

1.电机主要技术要求 包括使用电源电压,工作制,连续工作 下功率、转矩、转速,峰值功率、峰值转 矩,最高转速,效率,振动与噪声,使用环境, 防护等级等。

目前,已有多种适用于永磁无刷电机设计 使用的软件,例如ANSYS, ANSOFT、Moto rSolve、SPEED等。国内也有多个新开发 的设计软件可用于无刷直流电机设计。

Fra Baidu bibliotek
CAD技术将计算机的快速准确计算能力与电 机专家研究理论成果及设计经验结合起来,加速 了产品的设计过程,缩短了设计周期,提高电机产 品设计质量。尽管设计软件功能越来越丰富,为 电机设计带来不少方便,但设计者的无刷电机基 本理论相关知识和设计经验是不可或缺的。实 际上,在初始设计和设计程序中,参数的选择都需 要设计者正确参与和判断。利用现代设计软件 并与传统电磁设计方法相结合,有利于提高设计 水平。
Z/2p组合的选择:在上述几个可能选择的极数下,能够构成集中绕组的槽极数组 合有表示的几种。
Z/2p组合
6/4 9/6 9/8 12/8
LCM 12 18 72 24
齿槽转矩 绕组系数 大 大 小 大 0.866 0.866 0.945 0.866
径向不平衡磁 拉力
选择建议
推荐 有，不推荐使 用 推荐

如图6-1所示，具有相同外径的电机,若电机设计为外转子 式，它与内转子相比，可以得到较大气隙直径。由于电 机电磁转矩与气隙直径的二次方成正比关系，从而使外 转子电机的长度和重量可减小，具有较高转矩密度。优 化设计的外转子电机有效材料重量比内转子电机大约轻1 5%左右。
图6-1 外径相同电机内转子和外转子结构的气隙直径比较
对于转速为4000r/min，几个可能选择的极数2p和对应的工作频率f
极数2p
4 6
工作频率f/Hz
133 200
定子和转子的磁 轭厚度 最大 大
8 10
267 333
中 小

由于硅钢片铁损耗随工作频率f的1.3次方 增长,为了使定子铁心有较低的铁损耗,宜 选择较少极数,否则需使用低损耗硅钢片, 必要时采用O.35mm厚度的硅钢片。

2.与电机设计有关的控制方面技术要求 控制类型:开环或闭环,转矩(电流)控 制,转速控制,或位置控制;控制精度和带 宽;转向或正反转；软起动,制动,限流;动 态要求,转矩转动惯量比,加/减速能力;故 障保护等。

永磁无刷电动机设计目前用得较多的仍然是传 统电磁设计方法。电磁设计方法是电机的经典 基本设计方法,其中最常用的是电机主要尺寸计 算法:由技术要求确定定子和转子结构,由转子 结构和永磁体性能确定磁负荷Bm,由性能要求 及散热条件选择电负荷A,然后根据电磁负荷确 定电机主要尺寸Da和L。该方法属于经验设计, 需要设计者有较多的设计经验积累,计算结果常 需要多次调整。

(4)一体化结构设计 根据特定用途,可将驱动器安放在电 动机内部而进行一体化设计,或将电机与 被驱动的机械作一体化设计,融合为一个 紧凑的整体构件,以减少电路的连接或简 化机械传动链,缩小空间尺寸和降低重量, 提高可靠性。对特定用途的电机应采用 这样的一体化设计思维。

4.绕组层数的选择 绕组层数的选择主要取决于应用。表6-1 比较了单层和双层集中绕组的某些特征。

在极对数p的允许范围内,如果选择较少 的p,则旋转频率较低,定子铁心有较低的 铁损耗,容易保证预定的空载电流和最大 效率要求,同时有可能选择较少的Z,槽绝 缘和相间绝缘所占比例减少,可以有较大 的槽面积空间放置铜线;选择较少的Z还 可以减少下线工时。

如果选择较多的p,则能够有更多的Z/(2p)组合可以选择,有 更多优选机会,可得到较低的齿槽转矩、较高的绕组系数。 选择较多的槽数Z,集中绕组线圈端部尺寸较小,绕组电阻 有可能降低。此外,通常随极数的增加,每极安匝数成反比 地下降,因此绕组电感将减少。较低的电感使电机有更接 近线性的输出特性。而且定子和转子的磁轭厚度与极对数 p成反比,采用较多的极数有利扩大槽面积,线圈端部较短, 可提高电机性能。对于一个给定的电负荷和磁负荷的永磁 无刷电机设计,极数增加使整个电机外径可以减少。但是, 较多的极数使磁极间漏磁增加,减低永磁体的利用率;在同 样转速下,极数越多,电机铁心磁场交变频率越大,铁损耗增 大,同时,驱动器开关频率上升,开关损耗增大,总体效率可 能下降。所以,极数选择是一个关键,需要做多方案对比、 分析计算后确定。
9/10
12/10
90
60
小
小
0.945
0.933
有，不推荐使 用

表中，9/8和9/10组合存在径向不平衡磁拉 力,会引起振动和噪声问题,尽管齿槽转矩小, 绕组系数较大,但建议不采用。12/10是一个 较好的组合,但在我们讨论的电机转速较高、 工作频率高的情况下,也不推荐采用。4极电 机的每极磁体为90°,工艺性较差,而且定子 和转子的磁轭厚度大,不是最佳选择。
若干设计要素的选择

无刷电机是机电一体化产品,要达到设计 任务书所要求的技术指标、工作特性,需 要从电机本体和控制器整体角度出发,首 先要确定合适的工作方式,例如相数、绕 组连接方式、导通方式等,然后考虑电机 本体的定转子结构形式、定子裂比、定 子槽极数、转子永磁体结构、位置传感 器方式等选择。
1.相数的选择

一般而言,极数多的永磁电机有效材料重量降低。事实上, 在需要产生同样额定转矩时,具有大极数的电机磁路较短。 假设电机空载气隙磁通密度相同,一极下的磁通量与极数成 反比。较高的极数使磁通量较低,定子和转子铁心轭部厚度 可以较薄,也不会引起高饱和。所谓有效材料重量是指参与 产生转矩的零部件重量,即定子和转子铁心、永磁体和绕组 铜的重量。图6-2显示了一台4.5kW低速50r/min电机在所 有的设计有同样铜损耗前提条件下,不同极数设计方案的有 效材料重量和铁心损耗比较。可以看出,随着极数增加, 最 初有效材料重量下降很快,以后就不明显了。虽然频率随着 极数增加而增加,但由于铁心材料用量也减小,铁损耗的增 加是有限的。虚线显示如果该电机铁心重量保持不变时的 铁损耗变化情况。这种情况下,铁损耗增加反而更为明显。 这个例子提示,有时适当减小 铁心尺寸是降低铁损耗的一 个有效途径。
项目 基波绕组系数 绕组端部 槽满率 自感 互感 反电动势波形 磁动势谐波含量 转子永磁体涡流损耗 转矩过载能力 单层集中绕组 较高 较长 较高 较高 较低 接近梯形波 较高 较高 较高 双层集中绕组 较低 短 较低 较低 较高 接近正弦波 较低 较低 较低


在需要高容错的应用中,单层绕组优于双层绕组。 因为各相绕组之间在电和热两方面都是相互隔离 的,而且因自感高而限制了短路电流,互感低使各相 之间磁场也是隔离的。由于有较高的电感,在宽速 度范围恒功率运行应用时,单层绕组是首选。但是 高电感就意味着低功率因数。 反之,为了限制损耗和降低转矩波动,最好选择 双层绕组。此外,双层绕组比单层绕组有更多可能 的极数和槽数组合的选择。一般用途电机常采用 双层绕组。
(2)外转子和内转子结构

大多数径向磁路电机设计为内转子结构。一 般来说,内转子结构的转子转动惯量较低，适用于 要求快速加减速、期望转矩转动惯量比高的情况， 特别是伺服用途电机中常常采用；由于定子散热 条件较好，电机安装方便，大多数径向磁路电机 设计为内转子式。内转子电机更适用于需要经减 速机构间接驱动的场合。此时，电机设计成高速 电机,具有较高功率密度。
工作方式的选择


最为广泛应用的是三相、桥式驱动、六状态、120° 导通、星形接法、有位置传感器的工作方式,应首先考虑 采用。无论从电机性能、性价比和功率(转矩)密度出发,还 是方便配置通用控制器和采用专用集成电路角度看,这种 系统方案都宜列为首选。只在小功率或为节约成本时,可 以考虑采用非桥式三相或四相驱动方式或单相驱动方式, 参见第3章分析。 一般不推荐封闭式绕组接法,也不推荐180°导通方式。 如果特别关注运行可靠性或因为工作环境限制等因素, 可考虑采用无位置传感器的工作方式。
典型的设计流程

1)分析设计任务书要求，明确设计目标； 2)工作方式的选择，如相数选择、导通方式、换相电路形式等； 3)电机结构形式选择:定子结构、永磁材料和转子磁路结构、传感器结构； 4)主要尺寸决定。根据电磁负荷或转矩特性要求计算电机主要尺寸Da、L； 5)极数和槽数选择，定子冲片和转子磁路初步设计； 6)磁路计算或有限元分析，计算确定气隙磁场参数； 7)绕组设计，绕组形式选择与匝数、线规计算； 8)电磁参数计算，特性计算； 9)设计复核与调整，核算电流密度、电磁负荷、电机温升、性能。
5.极数、槽数的选择

选择层数后,下一步是确定极数和槽数。 一般而论,首先选择极对数 ，然后选择定 子槽数Z。基于铁损耗和效率考虑,最高运 行速度或频率限制了可能的极数上限范围。 然后,综合考虑绕组系数、齿槽转矩和转 矩波动、避免单向磁拉力、磁动势(MMF) 谐波引起的转子损耗和电感等几个因素, 选择合适的槽极数组合。