【《无刷直流电机的设计与参数计算案例分析》4000字】

无刷直流电机的设计与参数计算案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u7355无刷直流电机的设计与参数计算案例分析 199361.1电机主要结构的选择与参数计算 111051.1.1电机永磁材料的选择 181261.1.2电机尺寸的确定 2317691.1.3相数与级数的选择 2153181.1.4定子铁心内径 37411.1.5电负荷与磁负荷的选取 3176931.1.6电流密度与槽满率 4129593,1,7气隙与弧级系数选取 4191011.1.8每相绕组匝数的选取 4162151.1.9电机绕组的设计 5238161.1.10磁钢尺寸的确定 6215741.2样机的参数设定 71.1电机主要结构的选择与参数计算1.1.1电机永磁材料的选择通常情况下，永磁电机的转子磁钢有：铝镍钴磁钢，铁氧体磁钢，钐钴磁钢钕铁硼磁钢和钕铁硼磁钢。铁氧体永磁体材料，具有显著的特点，其剩磁低、矫顽力高，剩磁一般在0.2T~0.44T，矫顽力在128~264kA/m。但对于EPS用电动机而言，要求电机的功率密度高，即便是高性能铁氧体永磁材料，其剩磁也难以满足电机磁性能的要求。对几种永磁材料进行比对，可以看到铝镍钴磁钢的矫顽力较低，且充磁方式为安装后充磁，退磁曲线成非线性，不适合大批量生产使用；而钐钴磁钢固然性能很好，耐高温，稳定性好，但是考虑到其价格昂贵；于是钕铁硼便成为了EPS用电动机永磁材料的首选。钕铁硼永磁材料是目前磁性能最强的永磁材料，其不但具有较高的剩磁，矫顽力最高也可超过1000kA/m，价格也相对便宜，是理想的永磁材料，其根据制作工艺又分为粘接钕铁硼和烧结钕铁硼，粘接钕铁硼具有可以制成形状复杂的永磁体，力学特性好，尺寸精度高等优点，但是在制造过程中混合其了他材料，其中粘结剂的大约占体积的40%，对比相应的烧结钕铁硼永磁材料可以看到，其磁性能成倍的下降[27]，同时其允许使用的温度也比烧结钕铁硼低许多。考虑多种因素的综合影响，选用烧结钕铁硼作为本次电机设计的永磁体材料。1.1.2电机尺寸的确定电机的主要尺寸包括电枢铁心的直径和长度，它决定着电机的性能、重量、体积和成本等，故主要尺寸设计在电机设计工作中起着重要作用，是电机的设计过程中非常重要的一个环节。根据电机设计原理，电机主要尺寸应满足：D2l式中D为电枢直径；lef为电枢的计算长度；n为电机的额定转速；p´为电机计算功率；αp为计算极弧系数；KNm、Kdp分别为气隙磁场波形系数和电枢绕组系数。对应于断续工作制的小功率电动机而言，可以估算：p'≈1+3η4ηp式中，n为电机的效率，一般取值0.6～0.85；PH为电机额定的输出功率。对于无刷直流电机来说，要求电机的转动惯量比较小，以减小电机起动和运行时的能量损耗，缩短电机的响应时间，提高电机工作效率。通过转动惯量J的表达式：J=mR2式中，m为电机的质量；R为电机的尺寸半径。可以看出相同质量的电机，转动惯量的大小与电机的尺寸半径R有很大的关系。1.1.3相数与级数的选择永磁无刷直流电机的本质是交流电机，定子中带有多相交流绕组，由于运行机理与普通交流电机有着根本的不同，所以无刷直流电机定子绕组的相数有多种选择，两相、三相、四相，目前最常用的绕组形式为三相绕组。极对数与电机的主要尺寸关系如式所示：2pΦ=παδ级数应该在综合考虑电机的运行性能和经济指标的基础上，再结合已知的经验，可以根据式子取值，电机的磁通QUOTEΦΦ为固定值，而且在电机的转子外径、定子铁心长度、气隙磁感应强度确定之后，就可以确定极对数了。由此式可以看出：1）如果转子的极对数增加，每级磁通可以减少，同时定子轭和机座的面积也会减少。总的来说，极对数增加，可以减小电动机的体积，节约材料，降低成本。2）级数增加后，也带来了一些问题，比如：制造上会麻烦，而且在级数增加的同时，为了让漏磁不会太大，那么就要使极弧系数较小，这就会是原材料利用率变低；极对数增加的同时，在同样转速的条件下，功率管换相的次数就会增加，从而增大了功率器件的消耗，铁芯磁场交变的频率增加，铁耗增加。一般来说，电动机的效率也会随着极对数的增加而下降。3）电感方面：随着极对数的增加，电枢绕组每相的电感会有所减少，对于换相是有利的。1.1.4定子铁心内径无刷直流电动机定子内径Da(由于无刷直流电动机的气隙一般较小，粗略估计可以认为定子内径等于转子外径)一般随单位转速输出功率p的增大而增大，也就是说，当电机单位转速输出功率p相同时，定子铁芯内径Da大致相等。Da确定后，可参照所给p值，参照已制作同类电机的值进行选择。根据已知功率和额定转速，得到单位转速的输出功率，然后根据该值确定电机定子内径范围，即最大值和最小值。受试者要求功率为37W，额定转速为1500r/min，由此可以计算出定子内径范围为20mm。这只是一个一般范围，具体数值还应根据电负载a、磁负载B、铁芯有效长度L、机身长度与定子内径之比λ来计算。1.1.5电负荷与磁负荷的选取无刷直流电动机的电负载(又称线负载)是指每单位长度沿定子内径圆周方向的总安培导体数。电机负载的选择与电机的运行特性、效率和温升有很大关系。其数学表达式为:A=mNa式中QUOTENaNa每相的导体数；QUOTEDaDa是定子内径（由于气隙很小，可以认为与转子外径相等）；QUOTEiaia是定子的相电流；m是电动机的相数；直流无刷电动机的磁负荷是指气隙磁感应强度的最大值，磁负荷的定义式为：Bδ=式中QUOTEτrτr是转子极距；QUOTElala是电机铁心长度；QUOTEϕϕ是每极磁通；式（3-5）、（3-6）只是电负荷和磁负荷的理论表达式，而在实际电机设计时，它们的取值会受到多方面因素的影响。A一般取15000～50000A/m，B一般取0.3～0.6T。1.1.6电流密度与槽满率槽满流量一般为0.35~0.5。在允许绕组间距且保证额定输出功率的情况下，绕组的峰值电流会随着匝数的增加而减小，匝数越多，开关功率管的伏安电压越低容量。确定绕组匝数后，首先检查导线的电流密度，然后确定导线的截面积。（一般J=4～5.5A/mm2）3,1,7气隙与弧级系数选取气隙是指电机定子和转子之间的间隙。气隙的大小对电机的性能和制造工艺有很大的影响。如果气隙过大，磁阻会很大，增加电机的损耗，降低电机的功率因数。但气隙太小，容易造成定子和转子扫膛。如果气隙不均匀，转子会产生磁拉力，容易引起电机振动。根据经验，一般选择气隙在3~5mm左右。计算极弧系数可根据图1.1选取。图1.1定子内径与极弧系数的关系极弧系数αi的大小主要体现在电机的大小上。值越大，电机的尺寸越小。但极弧系数越大，电机两级之间的空间越窄，从而增加了磁极的漏磁，影响电机的性能。然而，直流无刷电机的极距一般较短，其值应较小。1.1.8每相绕组匝数的选取绕组匝数是电机设计中的重要参数之一。其选择与电机的输出转矩和启动电流有关。大致按照以下公式选择:w'φ=7.5式中，QUOTEΦδ0Φδ0是空载气隙磁通；U是电源电压；QUOTEn'n'是预取空载转速；QUOTEΔUΔU是功率管管压降；QUOTEαiαi是极弧系数。1.1.9电机绕组的设计一、分数槽与整数槽绕组对比在电机设计中Z代表定子槽数，m代表相数，P代表永磁体极对数，根据公式可求得每极每相的槽数q：q=Z2mp当q是整数时，电机绕组称为整数槽绕组；当q是不为整数时，电机绕组称为分数槽绕组。由于电机的体积较小，而设计的时候极数较多，采用分数槽形式可以有效的解决极数多，极距小的问题，此外，分数槽绕组也具有整数槽绕组不具有的分布效应，能够有效削弱齿谐波对感应电势的影响，同时对降低电机齿槽转矩也有一定效果[28]。对比整数槽绕组，采用分数槽绕组具有以下好处：（1）以较少的大槽代替了较多的小槽，减少了槽绝缘，提高了槽满率，简化了下线难度，降低了人工成本。（2）提高槽满率，减少了电机绕组，降低了铜耗和温升，提高了功率密度和转矩密度，提高了电机的综合性能。（3）分数槽绕组可以实现集中绕组（极距y=1），即一个线圈绕在一个齿上，减小了绕组端部，降低了用铜量，同时集中绕组结构可用机器代为绕线，降低了人工成本，提高了生产效率。（4）电机绕组改善了短距系数和分布系数，提高了电动势波形的正弦性。（5）分数槽的齿槽转矩幅值通常小于整数槽绕组，有利于电机的稳定性和降低振动噪声。二、单层绕组和双层绕组的选择电机绕组一般有单层绕组和双层绕组两种。单层绕组顾名思义就是每个槽中只放置一个线圈侧，对于三相电机，至少有六个线圈侧，这就要求电机槽数是六的倍数。如图4.2所示，双层绕组每个槽可以放两个线圈边，电机槽数是三的倍数。与两者相比，单层绕组只能选择全程，端部延伸比较长，绕组电阻和铜耗比较大。同时，双层绕组可以通过短距离系数改善电动势和磁动势的波形，削弱磁动势的谐波，降低转矩波动和振动噪声。考虑到小型无刷直流电机的设计特点，电机的定子齿较少，而且是低压供电且电机体积比较小，在输出功率相同的条件下，功率密度较大，这会导致电机电流很大，为了减小绕组电流大小，选取绕组并联支路数a=4，即采用4路并联的方法，来降低设计时每条支路上的电流值。图4.2双层绕组示意图1.1.10磁钢尺寸的确定永磁直流无刷电机的永磁体通常价格昂贵，因此为了降低制造成本，提高电机的利用率，有必要在满足性能指标的前提下合理设计磁钢尺寸。如果确定了电机结构，就确定了磁路。磁负荷由磁钢的尺寸和材料决定。此时可假定合理的气隙磁密度B，利用气隙磁密度B可计算气隙磁密度、定子轭架磁势和定子齿形磁势。最后，利用该公式计算永磁体的磁势f。F'=所以有，永磁体的厚度：h'm=这时，由永磁体去磁曲线上的两个点（Fc,0）和（F´,QUOTEΦ'δΦ'δ），最后由式子（3-13）可以确定永磁体的宽度。Fc=Φ'δbm=1.2样机的参数设定根据以上电机参数的设计方法，可以得出样机参数的设定如下表：表1.1样机的参数定子定子槽数12定子铁心外径80定子铁心内径45定子铁心长度30定子槽型硅钢片牌号B50A350定子冲片材料密度7.8定子冲片叠压系数0.95定子绕组形式集中绕组每槽匝数36线圈平均跨距1并绕根数1漆包线的双边漆皮厚度0.12导线直径0.4转子转子结构表贴转子外径44转子内径20转子铁心长度30永磁体极对数10永磁体型