无刷电机设计基础知识三

13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PN=100W②额定电压UN=270V③额定转速nN=1000r/min④定子相数m=3⑤极对数p=4⑥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2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：cmDa5.5~0.4，则取cmDa5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②B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:qa=AJ(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Da有关，根据已生产的电动机的经验数据绘制成曲线。由于Da=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B与定子内径D的关系得磁负荷B=0.50~0.65T,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，由经验数据得确定9.0。转子磁钢计算长度:npkADBLDaa27101.6,则cmLa0.733.2.4转子长度La与直径Da的比值aaDL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，可取得大一些。因此，4.1aaDL，由张琛的《直流无刷电动机原理及应用》中图3.4与转子外径Da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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：BADa7106.3，即mm5.0,取mm75.0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=pDa2，则m0285.0定子齿距ZDta，则mt0122.0槽口尺参考类似产品，取b0=1.11mm,h0=0.23mm,b1=2.26mm,r1=1.5mm,h1+h2=4.46mm,hs=6.19mm.令TBt77.0,则齿宽：mBktBbtFet00675.0.初步设定TBj25.0,定子轭部估计高度：mBkBhjFej021.02齿宽计算如下：mrZhhhDbat007364.02)222(1210mbZhhDbat00668.0)22(110齿部基本平行，齿宽：mbt00702.0(平均值)。绘制的定子槽形如下：4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可给出为：mmrrhlBB/()（3-1）式中B——永磁体剩磁密度r——相对回复磁导率ml——气隙总长度mh——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，HmBm最大时，永磁体的利用最经济。进一步可知Bm＝Br/2。对于钕铁硼永磁材料可近似有μrμ0≈μ0，而忽略漏磁时有B≈Bm，则根据式(1)，可得理想情况下，当l＝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l＜hm。因此，取hm=2=1.5mm.3.3磁路计算3.3.1永磁体工作点的确定5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、Hm。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型号的稀土钴永磁材料。其剩余磁感应强度Br=0.84T,Hc=600kA/m.根据永磁体的尺寸计算对应的磁动势和磁通，即WbWbBAkmmFe00111.0102.133392.088.06,AhHFccc960.先用程序设计的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（m，Fm）,即为永磁体工作点。经过程序设计图解法，采用试探法，得m=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：为漏磁系数，这里统一取=1.11。(1)定子齿部的磁动势每极定子齿部截面积：At=kFeLabtZ1=0.920.070.0070249退磁曲线工作点FmFcFm6=1017.2610m2.定子齿部的磁场密度ttAB=6-101017.29.011.1000726.0=0.62T查表D22硅钢片磁化曲线：Ht=186A/m.定子齿部的磁路长度Lt=(h1+h2)+31r=0.00496m定子齿部的磁动势Ft=HtLt=186×0.00496=0.923A.(2)定子轭部的磁动势定子轭部计算高度：hj1=321rhDDsa=(35.119.625080)310m=9.31310m.则定子轭部导磁面积：Aj1=kFeLahj1=0.920.070.00931=599610m2.定子轭部的磁场密度Bj1=12jA=6-109959.011.12000726.0=0.67T查表D22硅钢片磁化曲线：Hj1=200A/cm.定子轭部磁路长度Lj1=212)(1phDj=0.01388m定子轭部的磁动势Fj1=Hj1Lj1=200×0.013887=2.78A(3)转子轭部的磁动势转子轭部计算高度：hj2=22dDa=10310m转子轭部导磁截面积：Aj2=kFeLahj2=0.920.070.01=644610m2.转子轭部的磁场密度Bj2=22jA=6-106449.011.12000726.0=0.63T查表D22硅钢片磁化曲线：Hj2=189A/cm.转子轭部磁路长度Lj2=212)(2phdj=0.00589m转子轭部的磁动势Fj2=Hj2Lj2=189×0.00589=1.112A(4)气隙的磁动势每极下空气隙截面积：A=La=0.01960.07=137210-6m2.气隙的磁场密度B=A=6-1013729.011.1000726.0=0.53T气隙的磁动势F=0Bk=6104.000075.053.0025.18=324.23A其中，气隙系数k=2000)75.04.4()75.04.4(bbtbt=1.025因此，每极下的总磁动势F=Ft+Fj1+Fj2+F=0.923＋2.78＋1.112＋324.23=329.045A3.4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dcbq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dcmpzq2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。(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。9其中：SA……Sc及SA……SC表示由晶体管组组成开关电路，WA……Wc表示电枢绕组。图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)线圈匝数由公式N=NalnLpBE5.7然后，计算得N=285匝。(4)定子绕组导线截面积的选择定子绕组导线电流密度Ja=AAJa=5A/2mm其中查表的AJa=450(A/cm).(5A/2mm)V1-V6V1V4V3V5V6V2ACB10于是，预计的导线截面积CuaA=aaJI=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=La+1.5=7+1.52.85=11.275cm定子一相绕组总长度LCua=2NLaav=5680cm绕组铜重GCua=m8.9LCuaACua510=0.1135Kg定子一相绕组电阻RCa。75=41017.2CuaCuaAL=2.173.5参数计算和性能计算11定子相电流Ia=mNADa2=0.83A电磁转矩Tn=aIpNa2=0.227N.m额定工作点的反电动势ENenC=152NnpN=252.3V3.6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。输入电机基本数据给定的初始值气隙段磁动势定子齿段磁势定子轭段磁势转子轭段磁势1i电机每极磁动势程序绘图i+1i+0.00000212NY图3.8电机永磁体工作点的程序框图