永磁同步電機(jī)之關(guān)于電動(dòng)機(jī)本體的電磁設(shè)計(jì)特點(diǎn)

無槽無刷永磁直流電動(dòng)機(jī)不同于傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)，電樞不存在齒槽結(jié)構(gòu)，而是采用表面繞組；電樞鐵心是環(huán)體狀的，繞組均勻地粘在環(huán)形鐵心上。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體和永磁材料組成，轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體套在轉(zhuǎn)軸上，永磁體采用高性能稀土永磁材料。

無槽無刷永磁直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)原則為，在保證電氣性能和機(jī)械可靠性的前提下，合理的設(shè)計(jì)出電動(dòng)機(jī)的電氣氣隙，確定出磁性材料的體積、厚度，最大限度地提高稀土永磁材料的利用率，從而得到高功率／體積比和高轉(zhuǎn)矩／體積比的無槽無刷直流電動(dòng)機(jī)。

該種電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的問題是電磁負(fù)荷的選擇，對(duì)于不同的性能要求和使用場合，電磁負(fù)荷選擇不同。由于該電動(dòng)機(jī)電氣氣隙較大，我們可以選擇較大的電負(fù)荷。這樣，電樞繞組的直流電阻就會(huì)較小，對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電流環(huán)控制比較容易，且電動(dòng)機(jī)的溫升也比較容易控制。對(duì)于電負(fù)荷選擇可為50-15OA / m之間。磁負(fù)荷選擇首先要考慮永磁材料的性能。同時(shí)還要考慮電動(dòng)機(jī)的氣隙長度，考慮到該種電動(dòng)機(jī)由于電氣氣隙大，永磁材料應(yīng)采用強(qiáng)磁材料，如NdFeB等材料，而氣隙長度應(yīng)考慮在電樞繞組能合理布置前提下盡可能小。一般情況下，

電氣氣隙在4一smm 。當(dāng)磁性材料與磁路結(jié)構(gòu)初步確定后，可按下述步驟計(jì)算：l）以矩形波驅(qū)動(dòng)無槽無刷直流電動(dòng)機(jī)為例，則氣隙磁通中。為。

    利用上述關(guān)系，用圖解法即可求出B 。，如果所得B 。值與預(yù)先設(shè)定值接近，則磁鋼設(shè)計(jì)合理，否則應(yīng)調(diào)整磁路尺寸再進(jìn)行迭代計(jì)算，直至合適為止。無槽無刷直流電動(dòng)機(jī)當(dāng)電樞繞組通電后，將產(chǎn)生跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場，電樞繞組有星形及封閉式兩種接線方式。電子開關(guān)電路分為橋式和非橋式兩種電路。根據(jù)需要參考本書第9章選取。當(dāng)電樞繞組接線方式和電子開關(guān)電路選定后，即可根據(jù)相應(yīng)公式確定每相串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)和總導(dǎo)體數(shù)，以及根據(jù)電流密度選取導(dǎo)線線規(guī)。

在繞組設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該根據(jù)給定的額定轉(zhuǎn)速取空載轉(zhuǎn)速，因?yàn)榭蛰d轉(zhuǎn)速的確定與轉(zhuǎn)速變化斜率有關(guān)，即與繞組導(dǎo)線電阻有關(guān)，顯然繞組確定后需要重新核算空載轉(zhuǎn)速，直至合適為止。當(dāng)繞組確定后應(yīng)進(jìn)一步確定槽滿率（虛擬槽），如不合適而進(jìn)一步改變線規(guī)，甚至改變磁性材料尺寸。

8 . 7永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)

由于永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)是集電機(jī)本體、驅(qū)動(dòng)器和轉(zhuǎn)子位置傳感器于一體的機(jī)電一體化系統(tǒng)，因而設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)于給定的技術(shù)指標(biāo)。首先應(yīng)從系統(tǒng)的角度確定總體方案，進(jìn)一步再考慮電動(dòng)機(jī)本體的諸多問題。當(dāng)然，就其電動(dòng)機(jī)本體而言，與普通無刷電動(dòng)機(jī)也就是說與普通同步電動(dòng)機(jī)有很多相同之處，而我們重點(diǎn)要討論無刷永磁直流電動(dòng)機(jī)本體設(shè)計(jì)中與其他電動(dòng)機(jī)如永磁同步電動(dòng)機(jī)、永磁直流電動(dòng)機(jī)不同之處。

8 . 7 . 1電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的總體方案確定

1．電樞繞組形式與主開關(guān)的接法

電樞繞組相數(shù)一般有兩相、三相與四相繞組，接法則有△聯(lián)結(jié)和多邊形聯(lián)結(jié)。逆變器接法有橋式和非橋式兩種，逆變器與電樞繞組相結(jié)合可以形成多種方式，工作方式也有一相導(dǎo)通三相三狀態(tài)，兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)，三相導(dǎo)通三相六狀態(tài)等。

目前常用的繞組為三相繞組，對(duì)于逆變器常采用三相橋式換相電路有較好的電氣性能，但使用的功率開關(guān)器件多，三相非橋式電路開關(guān)器件可減半，兩種逆變器接法適用于不同場合，均獲得廣泛應(yīng)用。相應(yīng)逆變器工作方式也以一相導(dǎo)通三相六狀態(tài)和兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)的應(yīng)用最廣。

2．矩形波與正弦波電動(dòng)機(jī)的選擇

矩形波電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，要獲得矩形波氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度，通常勵(lì)磁永磁體為瓦片式徑向放置，極弧寬度應(yīng)大于120 “電角度，而且極弧寬度應(yīng)盡量大，繞組形式用整矩集中繞組，從而獲得梯形波反電動(dòng)勢，這時(shí)電樞電流為矩形波；正弦波電動(dòng)機(jī)是假設(shè)氣隙磁場按正弦波分布，繞組形式用短距分布繞組，反電動(dòng)勢波形為正弦波，電樞電流波形為直流電源電壓與電樞正弦波反電動(dòng)勢的插值曲線。

由于瓦片形永磁體勵(lì)磁方式氣隙磁感應(yīng)可以做到矩形波，因而電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方法比較準(zhǔn)確；而用切向式永磁體作勵(lì)磁方式，氣隙磁場接近正弦波，只能計(jì)算基波的情況，因而用設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)此種電動(dòng)機(jī)時(shí)，使用了一定的近似值。

3．轉(zhuǎn)子位置傳感器方案選擇

根據(jù)電動(dòng)機(jī)功率、體積、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、伺服性能、工作環(huán)境不同決定采用有位置傳感器或無位置傳感器方案，一般體積、功率較小時(shí)，或工作環(huán)境較差時(shí)，可選用無位置傳感器方案；功率、體積較大者可采用有位置傳感器方案。