谈永磁无刷直流电机的设计特点
2019-10-30 16:34:09 来源：电机技术日参
【哔哥哔特导读】目前三相永磁无刷直流电动机应用最为广泛。逆变器采用半桥结构的三相三状态工作方式时，多用于小功率高速电机;逆变器采用桥式结构的三相六状态工作方式时，可应用于多种驱动系统中。由于绕组电动势非正弦，其中含有大量高次谐波，所以三相绕组多采用星形连接。
永磁无刷直流电动机是集电动机本体、控制器和转子位置传感器于一体的机电一体化器件，电动机的工作特性是各组成部分共同作用的结果，要满足一定的技术指标要求，需从系统的角度出发确定永磁无刷直流电动机的具体工作方式，主要包括电动机相数、绕组连接方式、逆变器拓扑结构、绕组通电方式、转子位置检测方式等。
目前三相永磁无刷直流电动机应用最为广泛。逆变器采用半桥结构的三相三状态工作方式时，多用于小功率高速电机;逆变器采用桥式结构的三相六状态工作方式时，可应用于多种驱动系统中。由于绕组电动势非正弦，其中含有大量高次谐波，所以三相绕组多采用星形连接。当对电动机体积要求不高、环境不恶劣时，一般采用位置传感器检测转子位置，使电动机具有较好的起动特性和抗过载、抗冲击能力，动态特性较好。恒转速运行的永磁无刷直流电动机可采用无位置传感器控制方式，由于无需转子位置传感器，减小了电机的体积，降低了成本，但起动困难、动态特性较差。
电磁负荷选择由于永磁无刷直流电动机的电枢是定子，绕组的散热条件优于直流电动机，故其电负荷选取可适当高于直流电动机。磁负荷Bδ取决于永磁体与其外部磁路的匹配关系，同时永磁体的几何尺寸、性能及其充磁方式对Bδ也有较大影响。通常情况下，采用烧结钕铁硼永磁时，其气隙磁密可取0.7~0.9T;采用粘结钕铁硼时，气隙磁密可取0.35~0.45T。
电机极数和槽数的确定当转子外径、铁心有效长度和气隙磁密确定后，电机内气隙圆周的磁通量就确定了，如果选用较多的极数，每极磁通量减小，电机轭部截面积也可以减小;同时绕组端部缩短，用铜量减少，绕组电感减小，有利于绕组电流换向。但极数选得过多会使转子水磁磁极的极间漏磁通增大，降低永磁体的利用率。在相同转速下，极数越多，电机铁心内磁场的交变频率越高，导致电机的铁耗增大，效率下降。随电流交变频率的增大，逆变器开关的开关频率升高，开关损耗增大，所以极数增大后电机的综合效率降低。极数的确定应综合考虑电机的工作性能和经济性。电机设计时，可选择几种极数，对电机特性进行计算，综合比较性能后，确定合适的极数。
电机极数确定后，可参考电机设计的原则选定定子槽数。一般有两种方案供选择，即整数槽结构和分数槽结构。分数槽结构可有效减小齿槽转矩，其极槽数配合种类多种多样，其中分数槽电机工艺性好，适合大批量生产的小功率电动机，但其永磁体利用率较低。整数槽结构电机多在功率较大的电动机中采用，其永磁材料利用率较高，但需要采取适当措施削弱齿相转矩。
确定了电机的主要参数后，可以根据场路耦合电磁设计方法计算电机的工作特性，将计算结果与设计指标要求相对比，若不满足要求，则调整相应的设计参数重新计算，直至满足设计要求。
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