无刷电机设计基础知识三

3 无刷直流电动机的电磁设计

3.1 基本要求和主要指标

3.1.1基本要求

(1) 运行方式

直流无刷电动机的运行方式有连续、短时和断续三种

(2) 防护形式

一般直流电动机的防护型式主要有防护式和封闭式两种。

(3) 温升

一般交流电机包括同步电机和感应电机，转子不计算铁耗，然而该类电机正常稳态运行时，定子绕组产生的2个旋转磁场转速与转子本体转速存在较大的转差，转子铁芯损耗不容忽视。不仅电磁设计时，其电磁负荷的选择应与常规电机有所区别，而且对通风冷却结构设计应予足够的重视。

(4) 效率

(5) 电动机的转速变化率

明确电机转速运行的最大区间，并应指明电机的常用转速区间，以便选择合适的电机数据，获得良好的力能指标。

3.1.2主要指标

①额定功率P N = 100W

②额定电压U N = 270V

③额定转速n N = 1000 r/min

④定子相数m = 3

⑤极对数p = 4

⑥定子槽数Z = 18

3.2 主要尺寸的确定

3.2.1 定子铁心内径D a的选择

我国目前制造的直流电机，其D a 与输出功率P N 的关系曲线如下，它可以作为选定D a 的初步依据。

由于P N /n N =0.0001，从张琛的《直流无刷电动机原理及应用》中图3.1定子内径D a 与单位转速输出功率P N /n N 的关系曲线查得：

cm D a 5.5~0.4=，则取cm D a 5=

3.2.2 电磁负荷的选择

电负荷A 与磁负荷B 的选择与电动机的主要尺寸直接相关。同时，A ,B 的选择与电动机的运行性能和使用寿命也密切相关，因此必须全面考虑各种因素，才正确选择A,B 的值。 (1) 线负荷A 高，磁负荷B 不变

① 电机体积减小，节约材料

② B 一定时，由于铁心重量减小，铁耗减小 ③ 绕组用铜量增加

④ 增大电枢单位表面上铜耗，绕组温升增高 ⑤ 影响电机参数和电机特性: q a =ρAJ (2) 磁负荷B 高，线负荷A 不变

① 电机体积减小，节约材料 ② 基本铁耗增大 ③ 磁路饱和程度增大 ④ 影响电机参数和电机特性

电负荷A 与磁负荷B 与定子的内径D a 有关，根据已生产的电动机的经验数据绘制成曲线。 由于D a =5cm ,由张琛的《直流无刷电动机原理及应用》中图3.2电负荷A 与定子内径D 的关系得电负荷A=75~150A/cm ,取A =90。

由于D a =5cm ，由张琛的《直流无刷电动机原理及应用》中图3.3磁负荷B 与定子内径D 的关系得磁负荷B=0.50~0.65T ,取B=0.55T

3.2.3 转子磁钢计算长度L a 的确定

先确定极弧系数δα，由经验数据得确定9.0=δα。

转子磁钢计算长度:n p

k AD B L D a a ⋅⋅⨯=ηαδδ27

101.6 ,则cm L

a

0.7=

3.2.4 转子长度L a 与直径D a 的比值λ

a

a

D L =

λ的大小对电动机的性能指标和经济指标是有影响的。一般对于无刷电动机来说，由于采用了电子换向且转子由永磁材料组成，转子本身不存在发热问题，而定子的散热可以借助于外壳，λ可取得大一些。

因此，4.1==

a

a

D L λ，由张琛的《直流无刷电动机原理及应用》中图3.4λ与转子外径D a 的关系知符合要求。

3.2.5 定子外径D 、转子内径d 和气隙长度δ的确定

根据同规格的无刷电动机的尺寸，则定子外径D =8cm , 转子内径d =2cm . 由经验公式：

δ

δ

B A

D a

⨯

⨯≥-7106.3， 即mm 5.0≥δ, 取mm 75.0=δ 3.2.6 定子槽形的设计

定子槽形采用梨形槽,且齿部平行。 极距τ=

p

D a

2π，则m 0285.0=τ

定子齿距 Z

D t a

π=

，则m t 0122.0=

槽口尺参考类似产品，取

b 0=1.11mm,h 0=0.23mm,b 1=2.26mm,r 1=1.5mm,h 1+h 2=4.46mm,h s =6.19mm . 令T B t 77.0=,则齿宽： m B k tB b t

Fe t 00675.0==

δ

. 初步设定T B j 25.0=,定子轭部估计高度： m B k B h j

Fe j 021.02==δ

δτα

齿宽计算如下：

m r Z

h h h D b a t 007364.02)

222(1210=-+++=

π

m b Z

h h D b a t 00668.0)

22(110=-++=

π

齿部基本平行，齿宽：m b t 00702.0=(平均值)。绘制的定子槽形如下：

图3.5定子槽形

3.2.7 转子永磁体设计

对于退磁曲线可近似线性化处理的永磁材料，气隙磁通密度B δ可给出为：

m m r r h l B B /(σμδ=) （3-1）

式中 δB ——永磁体剩磁密度

r μ——相对回复磁导率

m l ——气隙总长度 m h ——磁体厚度

σ——漏磁系数，定义为总磁通与气隙主磁通之比

在磁极内外径确定以后，关键的问题是如何选用永磁体厚度。分析表明，H m B m 最大时，永磁体的利用最经济。进一步可知B m ＝B r /2。对于钕铁硼永磁材料可近似有μr μ0≈μ0，而忽略漏磁时有B δ≈B m ，则根据式(1)，可得理想情况下，当l δ＝h m 时，永磁体可得以最经济利用。但设计中，综合考虑，通常经验选取l δ＜h m 。 因此，取h m =2δ=1.5mm .

3.3 磁路计算

3.3.1 永磁体工作点的确定