永磁无刷电动机设计.pptx

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永磁无刷电动机设计永磁无刷电动机设计设计技术要求与典型设计过程n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：

n1.电机主要技术要求n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。

n2.与电机设计有关的控制方面技术要求n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。

n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。

典型的设计流程n1）分析设计任务书要求，明确设计目标；n2）工作方式的选择，如相数选择、导通方式、换相电路形式等；n3）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；n4）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；n5）极数和槽数选择，定子冲片和转子磁路初步设计；n6）磁路计算或有限元分析，计算确定气隙磁场参数；n7）绕组设计，绕组形式选择与匝数、线规计算；n8）电磁参数计算，特性计算；n9）设计复核与调整，核算电流密度、电磁负荷、电机温升、性能。

n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、MotorSolve、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。

nCAD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。

若干设计要素的选择n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n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。

工作方式的选择n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。

n一般不推荐封闭式绕组接法,也不推荐180导通方式。

n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n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n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。

n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。

（2）外转子和内转子结构n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。

n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。

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n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15%左右。

n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。

n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n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。

n（4）一体化结构设计n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。

n4.绕组层数的选择n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。

项目单层集中绕组双层集中绕组基波绕组系数较高较低绕组端部较长短槽满率较高较低自感较高较低互感较低较高反电动势波形接近梯形波接近正弦波磁动势谐波含量较高较低转子永磁体涡流损耗较高较低转矩过载能力较高较低n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。

n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。

5.极数、槽数的选择n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。

n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。

n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。

n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。

n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n1）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:

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工作频率f/Hz定子和转子的磁轭厚度4133最大6200大8267中10333小n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。

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LCM齿槽转矩绕组系数径向不平衡磁拉力选择建议6/412大0.8669/618大0.866推荐9/872小0.945有，不推荐使用12/824大0.866推荐9/1090小0.945有，不推荐使用12/1060小0.933结论:

宜选择9槽6极或12槽8极方案。

n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。

6.整数槽绕组和分数槽绕组的选择n槽数选择首先要考虑采用整数槽绕组还是分数槽绕组。

分数槽绕组有许多优点,首先是绕组端部短,可降低绕组电阻,节省铜材;特别是铁心不必采用斜槽,就能够有效地降低齿槽转矩;因为有较少的槽,工艺性好,便于大批量生产,在中小功率电机中适宜广泛采用分数槽集中绕组。

另一方面,它的基波绕组系数较低,MMF有大量的谐波含量会导致转子永