永磁无刷电动机设计

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。
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。
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；
(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
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
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。
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
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。
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
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。
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。
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6Байду номын сангаас1 外径相同电机内转子和外转子结构的气隙直径比较
它们的有效材料用量和轴向长度比横向磁路电机
大。
(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
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。
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。
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。
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),
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。
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：