无刷电机设计基础知识三.docx

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1、3无刷直流电动机的电磁设计3.1根本要求和主要指标根本要求(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 铁芯损耗不容无视。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，以便选择适宜的 电机数据，获得良好的力能指标。主要指标额定

2、功率Pn= IOOW额定电压Un =IrIQV额定转速n= 1000 r/min定子相数m = 3极对数p = 4定子槽数Z= 183.2主要尺寸确实定定子铁心内径功的选择我国目前制造的直流电机，其Di与输出功率PN的关系曲线如下，它可以作为选 定。”的初步依据。由于Pn/iinW.OOOI,从张琛的直流无刷电动机原理及应用中图3.1定子内径 功与单位转速输出功率Pnn的关系曲线查得：Da = 4.0 - 5.5cm ,那么取。tz= 5cm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，AB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

3、确选择 AfB的值。(1)线负荷A高，磁负荷8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 增大电枢单位外表上铜耗，绕组温升增高 影响电机参数和电机特性:私=夕A/(2)磁负荷B高，线负荷A不变 电机体积减小，节约材料根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A与磁负荷B与定子的内径”有关，根据已生产的电动机的经验数据绘制成 曲线。由于。a=5c私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 。的关系得电负荷A=75150Ac私取A=90。由于。=5cm,由张琛的直流无刷电动机原理及应用中图3.3磁负荷与定子内 彳空。的关系得磁

4、负荷6=0.500.657,取B=0.55T转子磁钢计算长度La确实定先确定极弧系数%,由经验数据得确定% = 09。6.1 IO7kD pI 转子磁钢计算长度：a a B AD 2 Ti n ,那么4=7.0s/转子长度乙与直径优的比值几4=Z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 Da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，4可取得大一些。因此，a=, = ：1/,由张琛的直流无刷电动机原理及应用中图3.44与转子外径为的关系知符合要求。定子外径。 转子内径d和气隙长度S确实定根据同规格的无刷电动机的尺寸，

5、那么定子外径I)=8c加，转子内径d=2c加.6 A由经验公式： 3.6107 ,BP 0.5mm, = 0.75mmDaB定子槽形的设计定子槽形采用梨形槽,且齿部平行。jr)极星巨C =-,刃口么 - 0.0285m2pjr)定子齿距t = -,那么 = 0.0122mZ槽口尺参考类似产品，取bo=llmmfho=O.23mmfb=2.26mmf = 1.5mmfh+h2=4A6mmfhs=69mm.令昆=0.77T,那么齿宽：勿=盘J = 0.00675根.kFeBt初步设定Bj= 0.25T ,定子瓢部估计高度：%= % = 0.021m7 J fcBj齿宽计算如下：bt =(+2%;2

6、4+2/22)=0.007364mbt =小 Da +2%+2%)= 0.00668mtZ1齿部根本平行，齿宽：2= 0.00702机(平均值)。绘制的定子槽形如下:1. 5图3.5定子槽形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Bb可给出为：B-Br(orlmhm)3-1)式中 B永磁体剩磁密度r相对回复磁导率Im气隙总长度hm磁体厚度漏磁系数，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。分析说明，Bn最 大时，永磁体的利用最经济。进一步可知BW=HZ2。对于钱铁硼永磁材料可近似有 roo,而忽略漏磁时有6尸吕团 那么根据式(1

7、),可得理想情况下，当=心时，永 磁体可得以最经济利用。但设计中，综合考虑，通常经验选取瓦-因止匕，取 hm=2 =1.5mm.3.3 磁路计算永磁体工作点确实定磁路设计，首先要据磁路选取适宜的磁体，并确定其工作点B小Hmo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，应选定所使用的磁体后，便是要选择适宜的磁体尺寸，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 B0.MTfHc=600kAm.根据永磁体的尺寸计算对应的磁动势和磁通，即 z = kreAmBm = 0.880.92

8、1333.2 10 = 0.00111WZ?, FC=HJlC =96OA .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 ,0, 0.001 m和冗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f m, EJ ,即为永磁体工作点。经过程序设计图解法，采用试探法，得 m=0.000726W.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)。如下列图所示：图3.6永磁体工作点确实定各局部磁动势的计算注：。为漏磁系数，这里统一取11。(1)定子齿部的磁动势每极定子齿部截面积：Ar 二 kpe La bt ZI9=0.92 0.

9、07 0.00702 -4=1017.2106 m2.B -定子齿部的磁场密度，aAt_0.000726一 l.ll0.91017.210-6=0.62T查表022硅钢片磁化曲线：Ht=lS6Am.定子齿部的磁路长度 3(hl+h2) + 三=0.00496根定子齿部的磁动势Ft = HtLt=1860.00496=0.923A.(2)定子飘部的磁动势定子甄部计算高度：历尸2等一4十1_z80-501.5、n.3二(6.19 + )10 m23=9.31x10-3 利那么定子班部导磁面积：Ajl- kFeLahjl=0.92 0.070.00931二599x10-6 加2.定子轨部的磁场密度B

10、jI= J 2aAji_0.000726 2l.0.9599W6=0.67T查表。22硅钢片磁化曲线：Hj=2QQAcm.7(D h )1定子甄部磁路长度Lj=-=0.01388m2p 2定子辗部的磁动势FjI=HjILjl=2000.01388=2.78A(3)转子甄部的磁动势转子班部计算高度：hj2=-2=10103m转子掘部导磁截面积：Aj2= kFeLahj2=0.92 0.07 0.01=644 IO-6 m2.转子甄部的磁场密度Bj2=- 2aAjl_0.000726 2l.ll0.9644106= 0.637查表。22硅钢片磁化曲线：Hj2=lS9Acm.转子班部磁路长度Lj2=

11、 - X =0.00589m2p 2转子甄部的磁动势Fj2=Hj2Lj2=1890.00589=1.112A(4)气隙的磁动势每极下空气隙截面积：A=La=0.01960.07二1372 X 10-6加 2气隙的磁场密度B广吟&_0.000726一 l.ll0.91372106= 0.537气隙的磁动势F =0k3B_ 1.025x0.53x0.000750.4 X-XlO=324.23A其中气隙系数3 Vzzl =o25因此，每极下的总磁动势F = Ft+Fji+Fj2+F5= 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

12、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。常见的分数槽绕组乡为一个假分数q=b+l式中，为整数，9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2,乡为真分数，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2 Cq = 一Imp d式中：d与。为无公约数，当d不是根或根的倍数，如果各相绕组彼此位移2c为奇 数)或。个槽距 卜为偶数)，那么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

13、有星形和多边形连接。下列图 表示由桥形电路供电三相永磁无刷电机电枢绕组连接图O其中：SAScRS-SE表示由晶体管组组成开关电路，皿於表示电枢绕 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那么构 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75% 用由公式N。= PBbLa勿N然后，计算得=285匝。(4)定子绕组导线截面积的选择定子绕组导线电

14、流密度(=AA A=5A mm2其中查表的 AJa=450(Acm) 5A mm2)于是，预计的导线截面积A晨=Q.63mm2在查表的相近的导线规格AC“4=0.5675帆帆2,导线的直径为0.85相机(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LaaLa + L5=7+1.52.85=11.275cm定子一相绕组总长度Lcua=2N Laav二5680Cm绕组铜重 GcuaYyi8.9LcuaAcua 10 5=O.11357定子一相绕组电阻A 75。C = 畀x217l71Cua=2.173.5 参数计算和性能计算定子相电流Ia =兀ADa2叫=0.83A电磁转矩Tn= PNpIa 2a=0.227N.加额定工作点的反电动势E=Ce心_ 2pN声和N15%=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