•1.电机主要技术要求

•　　包括使用电源电压,工作制,连续工作下功率、转矩、转速, 峰值功率、峰值转矩,最高转速,效率,振动与噪声,使用环境,温升要求,防护等级等。

2.与电机设计有关的控制方面技术要求

　　控制类型:开环或闭环,转矩(电流)控制,转速控制,或位置控制;控制精度和带宽;转向或正反转；软起动,制动,限流;动态要求,转矩转动惯量比,加/减速能力;故障保护等。

传统经典设计方法：

永磁无刷电动机设计目前用得较多的仍然是传统电磁设计方法。电磁设计方法是电机的经典基本设计方法,其中最常用的是电机主要尺寸计算法:由技术要求确定定子和转子结构,由转子结构和永磁体性能确定磁负荷Bm,由性能要求及散热条件选择电负荷A,然后根据电磁负荷确定电机主要尺寸Da和L。该方法属于经验设计,需要设计者有较多的设计经验积累,计算结果常需要多次调整。

•1)分析设计任务书要求，明确设计目标；

•2)工作方式的选择，如相数选择、导通方式、换相电路形式等；

•3)电机结构形式选择:定子结构、永磁材料和转子磁路结构、传感器结构；

•4)主要尺寸决定。根据电磁负荷或转矩特性要求计算电机主要尺寸Da、L；

•5)极数和槽数选择，定子冲片和转子磁路初步设计；

•6)磁路计算或有限元分析，计算确定气隙磁场参数；

•7)绕组设计，绕组形式选择与匝数、线规计算；

•8)电磁参数计算，特性计算；

•9)设计复核与调整，核算电流密度、电磁负荷、电机温升、性能。

CAD设计方法：

•目前,已有多种适用于永磁无刷电机设计使用的软件,例如ANSYS, ANSOFT、J-MAG 、 MotorSolve、SPEED等。国内也有多个新开发的设计软件可用于无刷直流电机设计。

•CAD技术将计算机的快速准确计算能力与电机专家研究理论成果及设计经验结合起来,加速了产品的设计过程,缩短了设计周期,提高电机产品设计质量。尽管设计软件功能越来越丰富,为电机设计带来不少方便,但设计者的无刷电机基本理论相关知识和设计经验是不可或缺的。实际上,在初始设计和设计程序中,参数的选择都需要设计者正确参与和判断。利用现代设计软件并与传统电磁设计方法相结合,有利于提高设计水平。

仿真扭矩波形：

仿真电流波形（方波控制）：

无刷直流电动机空载磁场仿真

无刷直流电动机空载磁场仿真

•无刷电机是机电一体化产品,要达到设计任务书所要求的技术指标、工作特性,需要从电机本体和控制器整体角度出发,首先要确定合适的工作方式,例如相数、绕组连接方式、导通方式等,然后考虑电机本体的定转子结构形式、定子裂比、定子槽极数、转子永磁体结构、位置传感器方式等选择。

以下是具体指标选定

1.相数的选择

大多数的无刷电动机驱动系统采用三相。三相驱动系统已被广泛应用,因而有许多成熟的通用驱动器产品可供选用。然而,多相电机驱动系统比三相电机驱动系统更具优势，近年有各种多相驱动技术，专门应用于要求高性能、高可靠性和低直流电压供电、大功率，而在成本不那么受到限制的场合(如电动汽车、混合动力汽车、航空航天、船舶推进等),对于一些小型风机、泵类等为节省成本又对转矩波动无要求的产品,可采用单相无刷电机驱动。两相或四相一般不推荐采用

2.工作方式的选择

•最为广泛应用的是三相、桥式驱动、六状态、120°导通、星形接法、有位置传感器的工作方式,应首先考虑采用。无论从电机性能、性价比和功率(转矩)密度出发,还是方便配置通用控制器和采用专用集成电路角度看,这种系统方案都宜列为首选。只在小功率或为节约成本时,可以考虑采用非桥式三相或四相驱动方式或单相驱动方式。

•一般不推荐封闭式绕组接法,也不推荐180°导通方式。

•如果特别关注运行可靠性或因为工作环境限制等因素,可考虑采用无位置传感器的工作方式。

3.电机本体结构形式的选择

•从原理结构上看,无刷直流电动机本体部分就是一个永磁同步电动机:有多相绕组的定子和有永磁体的转子。无刷直流电动机整体结构形式多种多样,主要有以下几类：

•(1)径向磁路和轴向磁路结构

•径向磁路电机制造是最简单、最便宜的,但是它们的有效材料用量和轴向长度比横向磁路电机大。

(2)外转子和内转子结构

大多数径向磁路电机设计为内转子结构。一般来说,内转子结构的转子转动惯量较低，适用于要求快速加减速、期望转矩转动惯量比高的情况，特别是伺服用途电机中常常采用；由于定子散热条件较好，电机安装方便，大多数径向磁路电机设计为内转子式。内转子电机更适用于需要经减速机构间接驱动的场合。此时，电机设计成高速电机,具有较高功率密度；

•径向磁路也有设计为盘式的，这种电机径向尺寸大，轴向长度相对较短，容易设计为多槽多极，所以往往用于要求低速大转矩直接驱动的场合。这样的盘式电机常设计为外转子结构，例如电动车用轮毂电机、一些风机用电机。外转子无刷电机更适用于要求恒定速度连续工作的应用场合。和内转子转子比较，外转子转子支撑结构较为复杂，但在防止永磁体飞逸方面不成问题。较高转速的内转子式电机、表贴式结构转子往往需要增加离心力防护措施。

•如图所示，具有相同外径的电机,若电机设计为外转子式，它与内转子相比，可以得到较大气隙直径。由于电机电磁转矩与气隙直径的二次方成正比关系，从而使外转子电机的长度和重量可减小，具有较高转矩密度。优化设计的外转子电机有效材料重量比内转子电机大约轻15%左右。

外径相同电机内转子和外转子结构的气隙直径比较

•采用集中绕组的外转子电机，因为定子齿朝外，绕制绕组要容易得多,适合于快速机械绕线，特别是采用开口槽的情况下。

•在外转子电机中，内置式转子磁路结构是罕见的，因为机械设计上有一定难度，采用表贴式结构则为常见。

(3)有槽和无槽结构

最常见的定子是有铁心的结构，铁心上开槽用以放置绕组。无槽结构电机的定子电枢没有铁心，或定子环状铁心没有齿和槽，绕组安放在定转子间较大的气隙中。由于没有齿和槽，因而消除了齿槽效应，具有转矩波动小、运行平稳、噪声低、电枢电感小、机械特性线性度好、控制性能优异等一系列优点。径向磁路和轴向磁路都可以设计为无槽结构。轴向磁路无槽结构电机的绕组还可以采用绕线式绕组，也可采用印制绕组技术制作绕组。但是，与有齿槽铁心结构相比，无槽结构电机气隙大，需要永磁材料多，增加了永磁材料成本。无槽电机的绕组散热较困难，过载能力较差，绕组工艺复杂，成本较高

•(4)一体化结构设计

•根据特定用途,可将驱动器安放在电动机内部而进行一体化设计,或将电机与被驱动的机械作一体化设计,融合为一个紧凑的整体构件,以减少电路的连接或简化机械传动链,缩小空间尺寸和降低重量,提高可靠性。对特定用途的电机应采用这样的一体化设计思维。

•4.绕组层数的选择

•绕组层数的选择主要取决于应用。表比较了单层和双层集中绕组的某些特征。

•在需要高容错的应用中,单层绕组优于双层绕组。因为各相绕组之间在电和热两方面都是相互隔离的,而且因自感高而限制了短路电流,互感低使各相之间磁场也是隔离的。由于有较高的电感,在宽速度范围恒功率运行应用时,单层绕组是首选。但是高电感就意味着低功率因数。

•反之,为了限制损耗和降低转矩波动,最好选择双层绕组。此外,双层绕组比单层绕组有更多可能的极数和槽数组合的选择。一般用途电机常采用双层绕组。

5. 极数、槽数的选择

•选择层数后,下一步是确定极数和槽数。一般而论,首先选择极对数，然后选择定子槽数Z。基于铁损耗和效率考虑,最高运行速度或频率限制了可能的极数上限范围。然后,综合考虑绕组系数、齿槽转矩和转矩波动、避免单向磁拉力、磁动势(MMF)谐波引起的转子损耗和电感等几个因素,选择合适的槽极数组合。

在极对数p的允许范围内,如果选择较少的p,则旋转频率较低,定子铁心有较低的铁损耗,容易保证预定的空载电流和最大效率要求,同时有可能选择较少的Z,槽绝缘和相间绝缘所占比例减少,可以有较大的槽面积空间放置铜线;选择较少的Z还可以减少下线工时；

•如果选择较多的p,则能够有更多的Z/(2p)组合可以选择,有更多优选机会,可得到较低的齿槽转矩、较高的绕组系数。选择较多的槽数Z,集中绕组线圈端部尺寸较小,绕组电阻有可能降低。此外,通常随极数的增加,每极安匝数成反比地下降,因此绕组电感将减少。较低的电感使电机有更接近线性的输出特性。而且定子和转子的磁轭厚度与极对数p成反比,采用较多的极数有利扩大槽面积,线圈端部较短,可提高电机性能。对于一个给定的电负荷和磁负荷的永磁无刷电机设计,极数增加使整个电机外径可以减少。但是,较多的极数使磁极间漏磁增加,减低永磁体的利用率;在同样转速下,极数越多,电机铁心磁场交变频率越大,铁损耗增大,同时,驱动器开关频率上升,开关损耗增大,总体效率可能下降。所以,极数选择是一个关键,需要做多方案对比、分析计算后确定。

•一般而言,极数多的永磁电机有效材料重量降低。事实上,在需要产生同样额定转矩时,具有大极数的电机磁路较短。假设电机空载气隙磁通密度相同,一极下的磁通量与极数成反比。较高的极数使磁通量较低,定子和转子铁心轭部厚度可以较薄,也不会引起高饱和。所谓有效材料重量是指参与产生转矩的零部件重量,即定子和转子铁心、永磁体和绕组铜的重量。图6-2显示了一台4.5kW低速50r/min电机在所有的设计有同样铜损耗前提条件下,不同极数设计方案的有效材料重量和铁心损耗比较。可以看出,随着极数增加, 最初有效材料重量下降很快,以后就不明显了。虽然频率随着极数增加而增加,但由于铁心材料用量也减小,铁损耗的增加是有限的。虚线显示如果该电机铁心重量保持不变时的铁损耗变化情况。这种情况下,铁损耗增加反而更为明显。这个例子提示,有时适当减小 铁心尺寸是降低铁损耗的一个有效途径。

•不同极数设计时的有效材料重量和铁损耗变化

设计一个工作转速4000r/min、集中绕组无刷直流电机,对极数和槽数选择分析的例子。

•1）首先是选择极对数p:主要由电动机最高转速和电子驱动器可承受的最高工作频率决定极对数p的选择范围。定子铁心磁化工作频率f由转子极对数p和电机转速n决定:

对于转速为4000r/min，几个可能选择的极数2p和对应的工作频率f

•由于硅钢片铁损耗随工作频率f的1.3次方增长,为了使定子铁心有较低的铁损耗,宜选择较少极数,否则需使用低损耗硅钢片,必要时采用O.35mm厚度的硅钢片。

Z/2p组合的选择:在上述几个可能选择的极数下,能够构成集中绕组的槽极数组合有表示的几种：

•表中，9/8和9/10组合存在径向不平衡磁拉力,会引起振动和噪声问题,尽管齿槽转矩小, 绕组系数较大,但建议不采用。12/10是一个较好的组合,但在我们讨论的电机转速较高、工作频率高的情况下,也不推荐采用。4极电机的每极磁体为90°,工艺性较差,而且定子和转子的磁轭厚度大,不是最佳选择。

结论:宜选择9槽6极或12槽10极方案

6.整数槽绕组和分数槽绕组的选择

•槽数选择首先要考虑采用整数槽绕组还是分数槽绕组。分数槽绕组有许多优点,首先是绕组端部短,可降低绕组电阻,节省铜材;特别是铁心不必采用斜槽,就能够有效地降低齿槽转矩;因为有较少的槽,工艺性好,便于大批量生产,在中小功率电机中适宜广泛采用分数槽集中绕组。另一方面,它的基波绕组系数较低,MMF有大量的谐波含量会导致转子永磁体和铁心的损耗。需要指出的是,无刷直流电动机分数槽集中绕组的槽数和极数有个合理组合的问题。

某台电机的几种设计方案的有效材料重量比较

•图可见,分布式绕组(q =1)比集中绕组电机重了许多。这是由于集中绕组设计的齿数少,槽和齿都可以更宽;此外,绕组端部短使电阻低,所以在规定铜损耗下,电机电负荷A可取得较高。此外,允许选用较厚永磁体, 气隙磁通密度可取较高也不致齿部饱和。即使基波绕组系数稍低。集中绕组电机还是比整数槽电机更短更轻。另外的好处是转矩波动从分布绕组的10%减少到集中绕组的3%。图中还显示,在这个例子中,三种集中绕组槽极数组合中,q =2/5和2/7的有效材料重量与q =3/8和3/10, q =5/14和5/16的相比,要稍重一些。

7. 转子永磁体结构的选择

•径向磁路永磁电机可分为三类:表贴式、埋入式和内置式结构。表贴式的主要优点是结构简单,从而降低制造成本。其主要缺点是,永久磁铁易被电枢反应退磁。

•埋入式结构的永磁体从转子铁心表面埋入,因此它综合了表贴式的优势又因为存在铁心凸极而可以产生磁阻转矩。

•内置式结构的永磁体嵌入转子铁心内部,其优点是永磁体得到良好的保护而能防止电枢反应退磁和机械应力影响,并且具有聚磁效果,将永磁体产生的磁通集中,从而获得高气隙磁通密度。此外,内置式结构存在铁心凸极可以产生磁阻转矩。它还可以实现宽速度范围恒功率运行。因此它常用于有弱磁控制要求的正弦波驱动方式。

8.气隙长度的选择

•在无刷电动机设计中,气隙长度需要谨慎选择。因为它对电动机的许多性能有影响。取较大气隙的正面作用,是有可能获得更接近正弦波气隙磁通分布,从而在定子铁心的磁通密度谐波减少,涡流损耗降低。电枢反应磁通密度谐波也会减少,有助于降低转子方的涡流损耗较大气隙的齿槽转矩也会减小。总的结果,它有利于降低电动机的振动和噪声,降低铁损耗。

•而气隙越大,产生一定的气隙磁通密度需要的永磁材料越多,增加了永磁材料成本。而且因为等效气隙等于气隙与磁钢厚度之和δe+hm/μr,而使等效气隙加大。因此,增大气隙的结果减少了电机的电感。电机弱磁控制范围主要取决于电感,电感的减少使弱磁控制范围减少。对于有弱磁控制要求的电机,气隙应设计得尽可能小,这样所需的磁铁材料可以降低,电机的电感可以增大,让弱磁控制范围尽可能扩展。

•相对于感应电机,永磁电机的气隙长度δ可以更自由选择,一般气隙长度δ选在0.5～3mm范围内,它包括用于固紧和保护磁铁的护套层或缠绕层厚度在内。而在感应电机气隙要小许多,为的是限制磁化电流和改善功率因数。

9.永磁体厚度的选择

•表贴式转子结构永磁体厚度hm按需要的气隙磁通密度通过磁路计算来选择。另外一个考虑因素是抑制最大过载电流时的去磁能力。

•一般情况下,永磁体厚度/气隙比按10～18(永磁铁氧体)或4～8(钕铁硼永磁)选取。试图以增加永磁体厚度大幅提高气隙磁通密度的效果不大,而永磁体成本却会大大增加。

10.定子裂比的选择

•设计内转子式电机定子冲片时,其外径Do由给定空间条件预先限定,需要确定的是定子内径D i，内外径比有文献称为定子裂比(Stator Split-ratio),是永磁无刷直流电动机一个重要的设计参数,因为它对电动机转矩密度和效率都有重大影响。定子裂比表示为

n这里定子内径即气隙直径Da,是电动机主要尺寸之一,它决定了电动机关键性能,见下节分析。定子外径与内径之差决定了轭高h y和槽高hs

关于定子裂比选择的讨论：

•1)定子裂比与磁体材料关系:轭高的大小与通过的磁通量有关。当取电机气隙磁通密度较低时,轭高较小,定子裂比可取较大值。所以,若采用铁氧体永磁材料,气隙磁通密度较低,通常内径要比采用钕铁硼永磁材料的电机要大。此时,齿宽较窄,槽面积相对较大,有利于抵偿气隙磁通密度低对电机性能的影响。

•2)当取极数较多,或分数槽集中绕组电机(有Z≈2p)的齿数Z较多时,轭高较小,定子裂比可取较大值。

•3)若定子裂比设计得较大,电枢反应去磁作用就减小。这是因为,电枢反应磁动势的最大Famax=WI/p,内径越大,那么为了产生一定的转矩而所需的安匝数就越小,W降低,所以去磁作用就越弱。在采用分数槽集中绕组结构时,作用在某个磁钢上的最大去磁磁动势就是与它面对的一个定子齿上的线圈所产生的最大安匝数,齿数Z越多,最大去磁磁动势就越小。这样,从抗去磁角度出发,设计的磁片厚度可以减小。

•4)为了提高电机输出转矩,宜取内径大些,即定子裂比大些。但槽高h s的降低使槽面积减少,又对粘性阻尼系数D不利,会降低电机机械特性硬度和效率,所以,对定子裂比有个最佳选择问题。

•5)对于有需要较小转动惯量的伺服电动机,常取较小的定子裂比

•用钕铁硼永磁的表贴式内转子式无刷直流电动机,通常取B g/B max=(O. 75～0.9) T/1.5T =0.5～O.6,当极对数p =3～6时,已有设计电动机一般取定子裂比范围在0.50～0.63之间

11.确定电机主要尺寸

•物理意义：电机产生的电磁转矩与电动机由气隙处的尺寸Da和L形成的圆柱体体积大小成正比,并与电动机气隙处的电磁负荷ABm成正比。所以, Da和L是影响电动机电磁转矩的主要因素。故称为电动机的主要尺寸,而上式称为电动机主要尺寸基本关系式。

•这里需要特别提醒注意的是,式中表明决定电机主要尺寸大小的是电机的电磁转矩而不是电机的功率。

•例如以输出大转矩为特征的无刷直流力矩电动机,其尺寸可能相当大,输出转矩很大,但由于运行转速低,其输出功率并不大。这也就是当电动机体积受到限制时，为何将电机设计为高速将有可能得到更大功率的缘故。例如，航空用的电动机在可能情况下，往往设计为高速电机,以降低电机的体积重量。当被驱动的机械要求一定功率时，如果用高速电机(通过减速器降速)驱动，由于只需要电机输出较小转矩，电机尺寸较小；如果改为低速电机直接驱动，输出同样功率，则电机输出转矩必须增加，电机尺寸要大许多才行。

nC表示了单位体积有效材料产生的转矩,体现了所设计电动机有效材料的利用程度,常称为电机利用系数

•电磁负荷愈高,则电机材料的利用率愈高,反之亦然。但是,要采用高值的电磁负荷,可能意味着铜损耗或铁损耗的增加,效率的降低,因而受到电机因内部损耗引起的发热和温升的限制。所以,电机的主要尺寸基本关系式的内在核心是体现电机的损耗—发热—散热问题,电机主要尺寸的正确选择是与电机运行时预期的温升相对应。电磁负荷ABm的选择主要受限于电机所选取的材料,包括永磁材料、导磁材料、导电材料、绝缘材料等,并和电机的结构、绝缘等级、散热条件以及运行工况等因素有关。

•采用稀土类永磁材料获得高值的气隙磁通密度,除了能减小电机转子尺寸外,同时还由于转子转动惯量的减小而改善电机的动态性能。高值的气隙磁通密度受到定子磁路饱和和铁损耗的约制,特别是定子齿的饱和程度将大大限制气隙磁通密度值的选取,当冲片材料确定之后,气隙磁通密度值实际上决定了定子齿的尺寸。由于铁损耗还和磁场交变频率相关,气隙磁通密度的选择还受到电机工作转速和极数的约束。

定子绕组电流密度j与热负荷Aj

•上式表明热负荷Aj与气隙圆周单位表面积上的绕组铜损耗成正比关系，表征了因定子铜损耗而发热程度的指标。

•电负荷A、定子绕组电流密度j或热负荷Aj的选择与定子铜导线用量、铜损耗、绝缘材料等级和电机的冷却方式等因素有关，他们可以在较大的范围内变动。

附：一些设计参考数据

•磁通密度B：

气隙：烧结钕铁硼为0.7～1.1T，粘结钕铁硼为0.45～0.75T，铁氧体为0.3～0.4T

定子齿：1.5～1.9T

定子轭：1.2～1.5T

转子轭：1.3～1.6T

•电负荷A：小型电机为30～150A/cm，中大型电机为100～800A/cm

•电流密度j：3～9A/mm2

•热负荷Aj：（10.5～40）×1010A2/m3

•电流密度j（A/ mm2）可按下列数据范围选取：

•自通风电机：6～7

•迎面气流冷却电机：14～20

•油冷电机：18～25

由电磁负荷确定电机主要尺寸方法的不确定性

•由电磁负荷确定电机主要尺寸方法是电机设计经典方法。

　　需要指出的是,以电磁负荷决定电机主要尺寸方法用于电机电磁设计时,它是由额定工作点(额定转矩和转速)的要求决定电机的主要尺寸,即仅以机械特性一个点作为设计的出发点。但是,设计目标还应当使电机符合所要求的机械特性和其他要求。表示输出转矩和转速关系的机械特性是无刷直流电动机的主要性能之一。通过同一个额定点可以有许多条不同的机械特性曲线,电机主要尺寸基本关系式并没有顾及到对具体机械特性的设计要求。因此,按照电磁负荷计算出主要尺寸后,再计算得出的机械特性往往和设计技术要求的机械特性差距甚大。这时需要调整主要尺寸,重新进行设计方案计算。这是因为最初设计时选取的电磁负荷的数值,特别是电负荷值的选取有很大的随意性。这是电磁初步设计时仅采用电磁负荷决定电机主要尺寸方法所存在的问题

系列产品设计需考虑的几个问题

•对于系列电动机的设计,除了对每一台电动机要进行单个电动机设计的工作外,还需要另外考虑下列几个问题:

•（1）确定功率等级与机座中心高的对应关系。当功率等级确定后,如果一个机座中心高尺寸对应于过多的功率等级,虽然可以减少电动机制造的工艺装备和便于用户安装使用。但会导致电磁设计不够合理,材料不能充分利用。因此,设计时应考虑整个系列的技术经济指标,在设计过程中往往需要进行多方案的计算、比较。

•(2)加强零部件的标准化、系列化和通用化。零件应尽量采用标准件和标准尺寸、标准结构。按系列要求合理安排同类型零部件的尺寸。在整个系列中尽量考虑零部件的通用程度,以减少零部件的规格数目。

•(3)考虑派生系列的可能性。在进行基本系列设计时,应尽量为派生系列留有余地。这就是说,在基本系列设计的基础上,应尽可能做到改换部分零部件或增添某些措施,就可以满足某些特殊性能、特殊环境或特殊使用条件等要求,从而产生派生系列,以扩大其应用范围。