无刷电机设计基础知识三

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1、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

2、能指标。3.1.2主要指标 额定功率PN= 100W 额定电压UN= 270V 额定转速nN= 1000 r/min 定子相数m = 3 极对数p = 4 定子槽数Z = 183.2主要尺寸的确定3.2.1定子铁心内径Da的选择我国目前制造的直流电机，其Da与输出功率PN的关系曲线如下，它可以作为选定Da的 初步依据。由于PN/nN=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Da与单 位转速输出功率PN/nN的关系曲线查得：D = 4.0 - 5.5cm，则取 D = 5cm3.2.2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

3、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) 线负荷人高，磁负荷B不变 电机体积减小，节约材料 B一定时，由于铁心重量减小，铁耗减小 绕组用铜量增加 增大电枢单位表面上铜耗，绕组温升增高 影响电机参数和电机特性:幻=p AJ(2) 磁负荷B高，线负荷人不变 电机体积减小，节约材料 基本铁耗增大 磁路饱和程度增大 影响电机参数和电机特性电负荷人与磁负荷8与定子的内Da有关，根据已生产的电动机的经验数据绘制成曲线。由TDa=5cm,由张琛的直流无刷电动机原理及应用中图3.2电负荷人与定子内径0的关 系得电负 荷A=75150A/Cm,取A=90o由T

4、Da=5cm，由张琛的直流无刷电动机原理及应用中图3.3磁负荷8与定子内径的关 系得磁负荷B=0.500.657；取B=0.55T3.2.3转子磁钢计算长度La的确定先确定极弧系数a，由经验数据得确定a =0.9。,61x10k pL =- _d _转子磁钢计算长度：a030门n，则 L = 7.0cm3.2.4转子长度匕与直径Da的比值人x =匕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， Da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，人可取得大一些。因此，X = La =1.4，由张琛的直流无刷电动机原理及应用中

5、图3.4人与转子外径DDaa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5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：8 3.6x10-7 x ， 即5 0.5mm ,取5 = 0.75mmDBa53.2.6定子槽形的设计定子槽形采用梨形槽,且齿部平行。兀D 极距T =一a，则t = 0.0285m2 P 兀D 定子齿距t = a，则t = 0.0122mZ槽口尺参考类似产品，取b0= 1.11mm,ho=0.23mm,b1=2.26mm,r1=1.5mm,h1+h2=4.46mm,hs=6.19mm.令 B = 0.77T，则齿宽

6、：b = kBB = 0.00675m .Fe t初步设定B = 0.25T，定子轭部估计高度：h =竺巴 =0.021mjj 2k f B.齿宽计算如下：兀(D + 2h + 2h + 2h )b =a0z1a - 2r = 0.007364mb = (Da + 2h0 + 2h1) - b = 0.00668mtZ1齿部基本平行，齿宽：b = 0.00702m （平均值）。绘制的定子槽形如下: t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Bg可给出为：B&= B 即 l /h )(3-1)式中 B& 永磁体剩磁密度七相对回复磁导率、气隙总长

7、度hm磁体厚度。一漏磁系数，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，HmBm最大时， 永磁体的利用最经济。进一步可知Bm=B/2。对于钕铁硼永磁材料可近似有尸尸，而忽略 漏磁时有Bg =m，则根据式(1)，可得理想情况下，当ls =hm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i s Vhm。因此，取 hm=25 =1.5mm.3.3磁路计算3.3.1永磁体工作点的确定磁路设计，首先要据磁路选取合适的磁体，并确定其工作点Bm.久。为满足磁通稳定性 的要求，磁体工作点应选在磁体最大磁能积点的上方。由于磁体工作点与磁性能和磁体

8、尺寸有 关，故选定所使用的磁体后，便是要选择合适的磁体尺寸，以得到合理的工作点。在电机中，我选用的是XG160/120型号的稀土钻永磁材料。其剩余磁感应强度B =0.84T,H =600kA/m.根据永磁体的尺寸计算对应的磁动势和磁通，即 rc=k A B = 0.88x0.92x 1333.2x 10-6Wb = 0.00111Wb , F = H h = 960A .先用程序设计的J Fe m mc c c方法绘出电动机的磁化曲线。再画出永磁体的退磁曲线，即把退磁曲线画成以O r （0，0.00111） 和Fc （960，0）连成的直线。此时，退磁曲线与电动机的磁化曲线的交点（气，Fm）,

9、即为 永磁体工作点。经过程序设计图解法，采用试探法，得Om=0.000726Wb.程序设计画图求值相关内容见（3.6程序设计，详细程序见附录1）。如下图所示：图3.6永磁体工作点的确定3.3.2各部分磁动势的计算注：b为漏磁系数，这里统一取b =1.11。（1）定子齿部的磁动势每极定子齿部截面积：4=kFeLabtZ!9=0.92 x 0.07 x 0.00702 x -4=1017.2 x 10 -6 m2.定子齿部的磁场密度ba_0.000726=1.11 x 0.9 x 1017.2 x 10-6=0.62T查表D22硅钢片磁化曲线：Ht=186A/m.r定子齿部的磁路长度Lt=(h1+

10、h2)+ 3=0.00496m定子齿部的磁动势Ft = HLt=186x0.00496=0.923A.(2)定子轭部的磁动势定子轭部计算高度：h=(80 50 - 6.19 +15) x 10-3 m23=9.31 x 10 -3 m.则定子轭部导磁面积：Aj1= kLh.1=0.92 x 0.07 x 0.00931=599 x 10-6 m 2.定子轭部的磁场密度8初=一-一 ba 5 Aj1_0.000726=2 x 1.11 x 0.9 x 599 x 10-6=0.67T查表D22硅钢片磁化曲线：Hj1=200A/cm.定子轭部磁路长度L =七匚x L=0.01388mj12 p2定

11、子轭部的磁动势F11=HjiLji=200x0.01388=2.78A(3) 转子轭部的磁动势转子轭部计算高度:岫 D-S-28=10 x 10 -3 m转子轭部导磁截面积：气广kFeLahj2=0.92 x 0.07 x 0.01=644 x 10-6 m 2.转子轭部的磁场密度Bj2= 一-一以 8 j 2_0.000726=2 x 1.11 x 0.9 x 644 x 10-6=0.63T查表D22硅钢片磁化曲线：H.=189A/cm.j2转子轭部磁路长度L., = : + h2)x !=0.00589m j 2 p 2转子轭部的磁动势Fj2=Hj2Lj2=189x0.00589=1.1

12、12A(4) 气隙的磁动势每极下空气隙截面积：A8 = t La=0.0196 x 0.07=1372 x 10-6m2.气隙的磁场密度B8 =a8 8_0.000726=1.11 x 0.9 x 1372 x 10-6=0.53T气隙的磁动势F = ABE 8 曰 0_ 1.025 x 0.53 x 0.00075=0.4 x 兀 x 10-6=324.23A其中，气隙系数七=(4.45+ 0.750)=1.0255t (4.48 + 0.75b0) - b；因此，每极下的总磁动势F = F+F.1+F.2+F5=0.923 + 2.78 + 1.112 + 324.23=329.045A3

13、.4绕组设计(1)绕组的结构定子绕组分布式绕组。分数槽绕组的无刷直流电动机，电枢槽数不仅可以不是极数的整数 倍，而且槽数可以少于磁极数，只要满足绕组对称条件就能保证各相产生的转矩对称。常见的 分数槽绕组q为一个假分数Cq - b + d式中，b为整数，c/d为一不可约的真分数，该种绕组的对称条件及排列方法已介绍。当z 2p， q为真分数，是否能够组成对称绕组，对称条件又是如何?仔细分析交流绕组的对称条件对q 为真分数时依然适用。可以简洁表述为z cq =2mp d式中：d与c为无公约数，当d不是m或m的倍数，如果各相绕组彼此位移2c(d为奇数)或 c个槽距(d为偶数)，则该绕组必定是对称的。(

14、2)绕组的连接三相及多相无刷直流电动机电枢绕组连接方法主要有星形和多边形连接。下图表示由桥形 电路供电三相永磁无刷电机电枢绕组连接图。其中：公S及s_&表示由晶体管组组成开关电路，吧W表示电枢绕组。图C ACC中实线表示星形联接，三相绕组有一个星形中点0。三相绕组按虚线联接则构成多边形联接。图3.7三相永磁无刷电机电枢绕组连接图三相绕组联接成星形有一个中点。不同的联接方式，同一种联接方式中点数目不同或联接次序 不同，采用适当的通电方式，对电机主要性能没有太大影响，但影响电子开关线路的参数，影 响电枢磁势中谐波含量，影响转矩脉动。(3)线圈匝数7.5a E由公式 广然后，计算得N =285匝。e

15、(4)定子绕组导线截面积的选择J定子绕组导线电流密度J =一a a A=5A/ m m2其中查表的 AJ=450(A/cm).( 5A/mm2)于是，预计的导线截面积A； = La-Cua J，a=0.63mm2在查表的相近的导线规格ACua=0.5675mm2,导线的直径为0.85mm(5) 定子绕组导线的总长重量和电阻的计算绕组元件的平均半匝长度Laav=L+1.5t=7+1.5 乂 2.85=11.275cm定子一相绕组总长度LCua=2N La=5680cm绕组铜重 GCua=m8.9LCuaACua乂 10-5=0.1135Kg定子一相绕组电阻R= 土 x 2.17 x 10-4a 75C ACua=2.17 Q3.5参数计算和性能计算定子相电流I = a兀AD a 2mN4=0.83A电磁转矩T = PN!an2兀a=0.227N.m额定工作点的反电动势E = C O5nN2 pN n=15a5=25 V3.6程序设计框图下面是电机永磁体工作点的程序框图 详细程序见附录1。i+1 n i +0.000002 n 图3.8电机永磁体工作点的程序框图