3無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)3.1根本要求和主要指標(biāo)根本要求(1)運(yùn)行方式直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行方式有連續(xù)、短時(shí)和斷續(xù)三種(2)防護(hù)形式一般直流電動(dòng)機(jī)的防護(hù)型式主要有防護(hù)式和封閉式兩種。(3)溫升一般交流電機(jī)包括同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)，轉(zhuǎn)子不計(jì)算鐵耗，然而該類(lèi)電機(jī)正常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，定子繞組產(chǎn)生的2個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子本體轉(zhuǎn)速存在較大的轉(zhuǎn)差，轉(zhuǎn)子鐵芯損耗不容無(wú)視。不僅電磁設(shè)計(jì)時(shí)，其電磁負(fù)荷的選擇應(yīng)與常規(guī)電機(jī)有所區(qū)別，而且對(duì)通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)予足夠的重視。(4)效率(5)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化率明確電機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)行的最大區(qū)間，并應(yīng)指明電機(jī)的常用轉(zhuǎn)速區(qū)間，以便選擇適宜的電機(jī)數(shù)據(jù)，獲得良好的力能指標(biāo)。主要指標(biāo)=1\*GB3①額定功率PN=100W=2\*GB3②額定電壓UN=270V=3\*GB3③額定轉(zhuǎn)速nN=1000r/min=4\*GB3④定子相數(shù)m=3=5\*GB3⑤極對(duì)數(shù)p=4=6\*GB3⑥定子槽數(shù)Z=183.2主要尺寸確實(shí)定定子鐵心內(nèi)徑Da的選擇我國(guó)目前制造的直流電機(jī)，其Da與輸出功率PN的關(guān)系曲線如下，它可以作為選定Da的初步依據(jù)。由于PN/nN=0.0001，從張琛的《直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)原理及應(yīng)用》中圖3.1定子內(nèi)徑Da與單位轉(zhuǎn)速輸出功率PN/nN的關(guān)系曲線查得：，那么取電磁負(fù)荷的選擇電負(fù)荷A與磁負(fù)荷B的選擇與電動(dòng)機(jī)的主要尺寸直接相關(guān)。同時(shí)，A,B的選擇與電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能和使用壽命也密切相關(guān)，因此必須全面考慮各種因素，才正確選擇A,B的值。(1)線負(fù)荷A高，磁負(fù)荷B不變=1\*GB3①電機(jī)體積減小，節(jié)約材料=2\*GB3②B一定時(shí)，由于鐵心重量減小，鐵耗減小=3\*GB3③繞組用銅量增加=4\*GB3④增大電樞單位外表上銅耗，繞組溫升增高=5\*GB3⑤影響電機(jī)參數(shù)和電機(jī)特性:qa=AJ(2)磁負(fù)荷B高，線負(fù)荷A不變=1\*GB3①電機(jī)體積減小，節(jié)約材料=2\*GB3②根本鐵耗增大=3\*GB3③磁路飽和程度增大=4\*GB3④影響電機(jī)參數(shù)和電機(jī)特性電負(fù)荷A與磁負(fù)荷B與定子的內(nèi)徑Da有關(guān)，根據(jù)已生產(chǎn)的電動(dòng)機(jī)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成曲線。由于Da=5cm,由張琛的《直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)原理及應(yīng)用》中圖3.2電負(fù)荷A與定子內(nèi)徑D的關(guān)系得電負(fù)荷A=75~150A/cm,取A=90。由于Da=5cm，由張琛的《直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)原理及應(yīng)用》中圖3.3磁負(fù)荷B與定子內(nèi)徑D的關(guān)系得磁負(fù)荷B=0.50~0.65T,取B=0.55T轉(zhuǎn)子磁鋼計(jì)算長(zhǎng)度La確實(shí)定先確定極弧系數(shù)，由經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)得確定。轉(zhuǎn)子磁鋼計(jì)算長(zhǎng)度:,那么轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度La與直徑Da的比值的大小對(duì)電動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是有影響的。一般對(duì)于無(wú)刷電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，由于采用了電子換向且轉(zhuǎn)子由永磁材料組成，轉(zhuǎn)子本身不存在發(fā)熱問(wèn)題，而定子的散熱可以借助于外殼，可取得大一些。因此，，由張琛的《直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)原理及應(yīng)用》中圖3.4與轉(zhuǎn)子外徑Da的關(guān)系知符合要求。定子外徑D、轉(zhuǎn)子內(nèi)徑d和氣隙長(zhǎng)度確實(shí)定根據(jù)同規(guī)格的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的尺寸，那么定子外徑D=8cm,轉(zhuǎn)子內(nèi)徑d=2由經(jīng)驗(yàn)公式：，即,取定子槽形的設(shè)計(jì)定子槽形采用梨形槽,且齒部平行。極距=，那么定子齒距，那么槽口尺參考類(lèi)似產(chǎn)品，取b0=1.11mm,h0=0.23mm,b1=2.26mm,r1=1.5mm,h1+h2=4.46mm令,那么齒寬：.初步設(shè)定,定子軛部估計(jì)高度：齒寬計(jì)算如下：齒部根本平行，齒寬：(平均值)。繪制的定子槽形如下：圖3.5定子槽形轉(zhuǎn)子永磁體設(shè)計(jì)對(duì)于退磁曲線可近似線性化處理的永磁材料，氣隙磁通密度B可給出為：)〔3-1〕式中——永磁體剩磁密度

——相對(duì)回復(fù)磁導(dǎo)率

——?dú)庀犊傞L(zhǎng)度

——磁體厚度

σ——漏磁系數(shù)，定義為總磁通與氣隙主磁通之比在磁極內(nèi)外徑確定以后，關(guān)鍵的問(wèn)題是如何選用永磁體厚度。分析說(shuō)明，HmBm最大時(shí)，永磁體的利用最經(jīng)濟(jì)。進(jìn)一步可知Bm＝Br/2。對(duì)于釹鐵硼永磁材料可近似有μrμ0≈μ0，而忽略漏磁時(shí)有B≈Bm，那么根據(jù)式(1)，可得理想情況下，當(dāng)l＝hm時(shí)，永磁體可得以最經(jīng)濟(jì)利用。但設(shè)計(jì)中，綜合考慮，通常經(jīng)驗(yàn)選取l＜hm。因此，取hm=2=1.5mm.3.3磁路計(jì)算永磁體工作點(diǎn)確實(shí)定磁路設(shè)計(jì)，首先要據(jù)磁路選取適宜的磁體，并確定其工作點(diǎn)Bm、Hm。為滿足磁通穩(wěn)定性的要求，磁體工作點(diǎn)應(yīng)選在磁體最大磁能積點(diǎn)的上方。由于磁體工作點(diǎn)與磁性能和磁體尺寸有關(guān)，應(yīng)選定所使用的磁體后，便是要選擇適宜的磁體尺寸，以得到合理的工作點(diǎn)。在電機(jī)中，我選用的是XG160/120型號(hào)的稀土鈷永磁材料。其剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br=0.84T,Hc=600kA/m.根據(jù)永磁體的尺寸計(jì)算對(duì)應(yīng)的磁動(dòng)勢(shì)和磁通，即,.先用程序設(shè)計(jì)的方法繪出電動(dòng)機(jī)的磁化曲線。再畫(huà)出永磁體的退磁曲線，即把退磁曲線畫(huà)成以〔0，0.00111〕和Fc〔960，0〕連成的直線。此時(shí)，退磁曲線與電動(dòng)機(jī)的磁化曲線的交點(diǎn)〔，F(xiàn)m〕,即為永磁體工作點(diǎn)。經(jīng)過(guò)程序設(shè)計(jì)圖解法，采用試探法，得=0.000726Wb.程序設(shè)計(jì)畫(huà)圖求值相關(guān)內(nèi)容見(jiàn)〔3.6程序設(shè)計(jì)，詳細(xì)程序見(jiàn)附錄1〕。如下列圖所示：退磁曲線退磁曲線工作點(diǎn)FmFcF圖3.6永磁體工作點(diǎn)確實(shí)定各局部磁動(dòng)勢(shì)的計(jì)算注：為漏磁系數(shù)，這里統(tǒng)一取=1.11。(1)定子齒部的磁動(dòng)勢(shì)每極定子齒部截面積：At=kFeLabtZ1=0.920.070.00702=1017.2m2.定子齒部的磁場(chǎng)密度==0.62T查表D22硅鋼片磁化曲線：Ht=186A/m定子齒部的磁路長(zhǎng)度Lt=(h1+h2)+=0.00496定子齒部的磁動(dòng)勢(shì)Ft=HtLt=186×0.00496=0.923A(2)定子軛部的磁動(dòng)勢(shì)定子軛部計(jì)算高度：hj1==()m=9.31m.那么定子軛部導(dǎo)磁面積：Aj1=kFeLahj1=0.920.070.00931=599m.定子軛部的磁場(chǎng)密度Bj1===0.67T查表D22硅鋼片磁化曲線：Hj1=200A/cm定子軛部磁路長(zhǎng)度Lj1==0.01388m定子軛部的磁動(dòng)勢(shì)Fj1=Hj1Lj1=200×0.01388=2.78(3)轉(zhuǎn)子軛部的磁動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)子軛部計(jì)算高度：hj2==10m轉(zhuǎn)子軛部導(dǎo)磁截面積：Aj2=kFeLahj2=0.920.070.01=644m.轉(zhuǎn)子軛部的磁場(chǎng)密度Bj2===0.63T查表D22硅鋼片磁化曲線：Hj2=189A/cm轉(zhuǎn)子軛部磁路長(zhǎng)度Lj2==0.00589m轉(zhuǎn)子軛部的磁動(dòng)勢(shì)Fj2=Hj2Lj2=189×0.00589=1.112(4)氣隙的磁動(dòng)勢(shì)每極下空氣隙截面積：A=La=0.01960.07=137210-6m2氣隙的磁場(chǎng)密度B===0.53T氣隙的磁動(dòng)勢(shì)F===324.23其中，氣隙系數(shù)==1.025因此，每極下的總磁動(dòng)勢(shì)F=Ft+Fj1+Fj2+F=0.923＋2.78＋1.112＋324.23=329.0453.4繞組設(shè)計(jì)(1)繞組的結(jié)構(gòu)定子繞組分布式繞組。分?jǐn)?shù)槽繞組的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，電樞槽數(shù)不僅可以不是極數(shù)的整數(shù)倍，而且槽數(shù)可以少于磁極數(shù)，只要滿足繞組對(duì)稱(chēng)條件就能保證各相產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩對(duì)稱(chēng)。常見(jiàn)的分?jǐn)?shù)槽繞組q為一個(gè)假分?jǐn)?shù)式中，b為整數(shù)，c/d為一不可約的真分?jǐn)?shù)，該種繞組的對(duì)稱(chēng)條件及排列方法已介紹。當(dāng)z＜2p，q為真分?jǐn)?shù)，是否能夠組成對(duì)稱(chēng)繞組，對(duì)稱(chēng)條件又是如何?仔細(xì)分析交流繞組的對(duì)稱(chēng)條件對(duì)q為真分?jǐn)?shù)時(shí)依然適用?？梢院?jiǎn)潔表述為式中：d與c為無(wú)公約數(shù)，當(dāng)d不是m或m的倍數(shù)，如果各相繞組彼此位移2c(d為奇數(shù)〕或c個(gè)槽距〔d為偶數(shù)〕，那么該繞組必定是對(duì)稱(chēng)的。(2)繞組的連接三相及多相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組連接方法主要有星形和多邊形連接。下列圖表示由橋形電路供電三相永磁無(wú)刷電機(jī)電樞繞組連接圖。

其中：SA……Sc及S……S表示由晶體管組組成開(kāi)關(guān)電路，WA……Wc表示電樞繞組。圖中實(shí)線表示星形聯(lián)接，三相繞組有一個(gè)星形中點(diǎn)0。三相繞組按虛線聯(lián)接那么構(gòu)成多邊形聯(lián)接。V1-V1-V6V1V4V3V5V6V2ACB圖3.7三相永磁無(wú)刷電機(jī)電樞繞組連接圖三相繞組聯(lián)接成星形有一個(gè)中點(diǎn)。不同的聯(lián)接方式，同一種聯(lián)接方式中點(diǎn)數(shù)目不同或聯(lián)接次序不同，采用適當(dāng)?shù)耐姺绞?，?duì)電機(jī)主要性能沒(méi)有太大影響，但影響電子開(kāi)關(guān)線路的參數(shù)，影響電樞磁勢(shì)中諧波含量，影響轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。(3)線圈匝數(shù)由公式N=然后，計(jì)算得N=285匝。(4)定子繞組導(dǎo)線截面積的選擇定子繞組導(dǎo)線電流密度J==5A/其中查表的AJa=450(A/cm).(5A/)于是，預(yù)計(jì)的導(dǎo)線截面積==0.63mm2在查表的相近的導(dǎo)線規(guī)格ACua=0.5675mm2,導(dǎo)線的直徑為(5)定子繞組導(dǎo)線的總長(zhǎng)重量和電阻的計(jì)算繞組元件的平均半匝長(zhǎng)度Laav=La+1.5=7+1.52.85=11.275定子一相繞組總長(zhǎng)度LCua=2NLaav=5680繞組銅重GCua=m8.9LCuaACua=0.定子一相繞組電阻R==2.173.5參數(shù)計(jì)算和性能計(jì)算定子相電流Ia==0.83電磁轉(zhuǎn)矩Tn==0.227N.m額定工作點(diǎn)的反電動(dòng)勢(shì)E==252.3V3.6程序設(shè)計(jì)框圖下面是電機(jī)永磁體工作點(diǎn)的程序框圖詳細(xì)程序見(jiàn)附錄1。輸入電機(jī)根本數(shù)據(jù)輸入電機(jī)根本數(shù)據(jù)給定的初始值氣隙段磁動(dòng)勢(shì)定子