永磁直流无刷电机设计之路（三）——电磁参数设计

1.主要尺寸计算

这篇文章在设计的是一款外转子轮毂电机，这种电机的主要尺寸由内定子外径与有效铁芯长度决定，通过电机学的理论可以得知，轮毂电机的有效铁芯长度与电机的定子外径的关系：

D2lefnPem=6.1×103αp′kNmKdpABδ=CA\frac{D^2l_{ef}n}{P_{em}}=\frac{6.1×10^3}{α'_pk_{Nm}K_{dp}AB_\delta}=C_APem​D2lef​n​=αp′​kNm​Kdp​ABδ​6.1×103​=CA​

式中

Bδ——气隙磁通密度幅值(T)；

α’p——极弧系数；

Lef——电枢铁芯长度(mm)；

A——电枢绕组的线负荷(A/m)；

Kdp——气隙磁场的波形系数；

Pem——电机计算功率(kW)；

KNm——电枢的绕组系数；

D——电枢外径(mm)。外转子根据尺寸的要求主要由转速 n，计算功率 Pem，以及常数CA来决定。其中，Pem可根据给定的相关数值按公式计算：

Pem=KEPNηcosφP_{em}=\frac{K_EP_N}{ηcos\varphi}Pem​=ηcosφKE​PN​​

式中

η——电机效率；

PN——电机额定功率(kW)；

KE——压降系数。线负荷 A 和气隙磁密B ζ是对于电机尺寸影响最大的几个参数了。永磁电机的线负荷 A，是指电枢直径沿圆周单位长度上的安培导体数，它的大小直接关系到电机的大小，它的计算方法由公式可表示：

A=2mWINπDA=\frac{2mWI_N}{\pi D}A=πD2mWIN​​

式中

m——电机相数；

W——每相串联导体数；

I N——绕组电流(A)。贴式外转子永磁电机的气隙磁密

Bδ=Brhmσhm+μrkδksδB_\delta=B_r\frac{h_m}{\sigma h_m+\mu _rk_\delta k_s \delta}Bδ​=Br​σhm​+μr​kδ​ks​δhm​​

式中

Br——剩磁密度；

kδ——主磁路饱和系数；

δ——漏磁系数；

μr——永磁体相对磁导率；

ks——气隙系数。选择电机尺寸比λ要从整体性能的方面去考虑到电机的各个参数以及在工作时候的一个温度变化；在工作环境的方面还需要去考虑到能够让我们安装的空间有多大；在成本上面去考虑的话，我们需要主要考虑到绕组是需要使用多少铜的，并且永磁体的使用量又是需要多少。综上考虑，λ取值小一点，λ=0.31。

2.绕组方案设计

电机绕组按照平均每相每极下占有的槽数，可分为分数槽绕组和整数槽绕组，计算：

q=z2mpq=\frac{z}{2mp}q=2mpz​

式中

p——转子极对数；

z——定子槽数；

m——定子绕组相数；

q——每极每相槽数。

3.永磁体设计

对于永磁体的尺寸来说，磁化方向长度、宽度和轴向长度都需要进行参考，其中轴向长度尺寸和铁芯长度尺寸大小相同，永磁体的宽度确定：

bm=apτb_m=a_p\taubm​=ap​τ

式中

τ——极距；

ap——极弧系数。永磁体的磁化方向长度可确定：

hm=μrBτBδ−1δih_m=\frac{\mu _r}{\frac{B_\tau }{B_\delta}-1}\delta _ihm​=Bδ​Bτ​​−1μr​​δi​

式中

μr——相对回复磁导率；

δi——计算气隙长度；

4.定子冲片设计

定子铁芯长度计算：

La=λDaL_a=\lambda D_aLa​=λDa​极距计算：

τ=πDa2p\tau=\frac{\pi D_a}{2p}τ=2pπDa​​齿距计算:

t=πDazt=\frac{\pi D_a}{z}t=zπDa​​齿宽计算:

bt=tBδBtKFeb_t=\frac{tB_\delta}{B_tK_{Fe}}bt​=Bt​KFe​tBδ​​电枢轭部高度计算:

hj=ϕs2LaBjkFeh_j=\frac{\phi _s}{2L_aB_jk_{Fe}}hj​=2La​Bj​kFe​ϕs​​

5.转子设计

永磁体转子内径计算：

Dm=DA+2δD_m=D_A+2\deltaDm​=DA​+2δ永磁体外径计算:

Dmi=Dm+2hmD_{mi}=D_m+2h_mDmi​=Dm​+2hm​永磁体极弧系数计算:

am=aia_m=a_iam​=ai​永磁体长度计算:

Lm=LaL_m=L_aLm​=La​永磁体磁化方向面积计算:

Sm=amLmπDm4S_m=\frac{a_mL_m\pi D_m}{4}Sm​=4am​Lm​πDm​​

6.基于设计要求的初步设计

结语

至此完成了电机的初步设计。