永磁无刷电动机设计

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无槽永磁无刷电动机设计研究

ｔｄ．ｅ
ＫｅｏｄｙＷｒｓ：Ｓｏｌｓｌｔｓ；Ｐｒｎｎｔｍａｎｔｍｏｏ；ＰＭｕｓｌｓｔｒｅｅｍａｅ－ｇｅｔｒＢｒｈｅｓｍｏｏ
０引言
无槽永磁无刷电动机是近年来产生并得到发展的一种新型电机，把无槽结构引入永磁无刷电动机就是为了最大程度的利用稀土永磁材料的高性能，从而得到高性能无刷永磁电动机的特殊性
Hale Waihona Puke ＤｅｉｎａｎＲｅｅｃｏｌｓｕｈｌｓｓｇｄｓａｒｈｏｎＳｌｔｅｓＢｒｓｅｓＤＣｏｏＭｔｒ
ＷＥｉｇｗｉＩＪｎ — ｅ，ＺＨＡＮＧＨｏｇｙｎ —ｕ
（．ＣｌｇｆｌｔｃｌｎｌｃｏｉＥｇｎｅｉｇａｂｎＵｉｒｔｏｃｅｃｎ１ｏｌｅｏＥｅｒａａｄＥｅｔｎｃｎｉｅｒ，ＨｒｉｎｖｓｙｆｉｅａｄｅｃｉｒｎｅｉＳｎ
试制样机的测试，得出该电机的实验数据及特性曲线，经过与理论设计值比较，验证理论分析的正确性。
关键词：无槽；永磁电机；永磁无刷电动机
中图分类号：Ｔ３１Ｍ３Ｍ５：Ｔ６＋１文献标志码：Ａ文章编号：１０．８８２１０ —０９００１６４（００）２００ —３
无槽永磁无刷电动机设计研究
魏静微，等
无槽永磁无刷电动机设计研究

永磁直线直流无刷电动机控制系统设计及实验研究

鱼：堑
ＳｃｉｅｎｃｅａｎＴｅｃｈｄｎｏｌｏｇｙｎｎｏＩｖａｔｏｎｉＨｅｒｄａｌ
研究报告
永磁直线直流无刷电动机控制系统设计及实验研究
高鑫
（广东省电力设计研究院广州５０６）１６３
摘要：本文详细介铝了￣ＴＤＰＭ３０Ｆ４７ＳＴｓ２Ｌ２０的永磁直线直流无刷电动机硬件设计和控制方法，出了电机的控制程序流程，给试验结果表明本方法简单可行。关键词：ＳＰＭ控制系统试验ＤＰＷ中图分类号：２４Ｕ６文献标识码：Ａ文章编号：６４０８（０ｏ１（）００ — ２１７ — ９Ｘ２１）２ｂ一０２０
永磁直线直流无刷电动机作为一种新２ＰＷＭ波形生成模块型直线电机，具有直线电机的特点，既同时２０事件管理器模块中，用定时器１４７通、
器上下桥臂直通，两路相互对应的ＰＷＭ将引脚（ＰＷＭ对应ＰＷＭ２；如ｌＰＷＭ３应对
器ＴｌＯＮ，置定时器１Ｃ配的计数模式和倍频
系数，启动ＰＷＭ调制运行。照上述步骤，按
的中断类别及中断源）初始化系统控制器中不同的调制值，复以上比较过程，及重从即可由２０７成的带有可变编程死区的４生变量和标志值（定ＰＭ占空比等变量）确Ｗ。而产生不同占空比的ＰＭ信号。此，Ｗ因在ＰＷＭ信号。系统初始化完成后，Ｓ进入一个查询操作２０内产生ＰＭ信号所需寄存器的配置步２２对称模式的ＰＤＰ４７ＷＷＭ调制

永磁无刷EPS电机设计刘敏1孙江2

永磁无刷EPS电机设计刘敏*1 孙江2发布时间：2023-05-27T08:16:48.107Z 来源：《工程管理前沿》2023年6期作者：刘敏*1 孙江2[导读] 汽车蓄电池电压为直流电压12V，决定了EPS无刷电机的工作电压是12V，确定了电流，电机的输入功率就确定了，之后确定EPS无刷电机其它参数，本设计方法以电机相电流为切入点和起始点，抓住EPS无刷电机主要矛盾，设计路线就比较清晰。

设计过程比较简单耗用时间较短。

1.贵州航天林泉电机有限公司苏州公公司江苏省苏州市 2150112.贵州航天林泉电机有限公司苏州公公司江苏省苏州市 215011摘要：汽车蓄电池电压为直流电压12V，决定了EPS无刷电机的工作电压是12V，确定了电流，电机的输入功率就确定了，之后确定EPS无刷电机其它参数，本设计方法以电机相电流为切入点和起始点，抓住EPS无刷电机主要矛盾，设计路线就比较清晰。

设计过程比较简单耗用时间较短。

关键词：汽车蓄电池；EPS无刷电机；电机设计；电机相电流随着节能减排和微电子技术的发展，车载电子助力转向系统（EPS）取代了传统液压转向系统的技术在过去20年间得到飞速的发展[1-2]。

目前国内，有刷电机在EPS电子助力系统上已经大批量配套，以德昌电机、凯宇电器、派尔福为代表的有刷EPS电机生产商，具备非常成熟的设计和制造能力[3-4]。

但是，有刷EPS电机本身的转矩转速特性注定了其在满足最大助力能力需求的条件下，很难去兼顾高速时候的响应性能，同时电机本身的扭矩常数偏低，受限于车上安装空间限制也导致它无法很好的应对包括B级及以上的乘用车领域的EPS系统[5-6]。

近年来，随着自动驾驶技术的日新月异，具有高可控性，快速响应能力的永磁无刷电机成为现代电子助力转向系统的首选电机[7-8]。

1 无刷EPS电机的结构及工作原理1.1 无刷EPS电机的结构无刷EPS电机的结构选择，不仅关系到电机的性能，而且还关系到整个EPS系统的性能是否最优，安装强度和寿命能否覆盖汽车的整个生命周期。

基于遗传算法的永磁无刷直流电动机优化设计

ＯｐｉａｓｇｆＰｅｍａｎｔＭａｎｔＢｒｓｅｓＤＣｏｏｓＢａｅｏｎｔｃＡｌｏｉｈｔｍｌＤｅｉｎｏｒｎｅｇｅｕｈｌｓＭｔｒｓｄｎＧｅｅｉｇｒｔｍ
ＱＡｉｎ，ＡＧＳｕｈｎＩＮＱａｇＷＮｈ — ｏｇ（ａｕｎＵｉｅｉｆｅｈｏｇ，ａｕｎ００２，ｈｎ）ＴｉａｎｖｒｔｏｃｎｌｙＴｉａ３０４ＣｉａｙｓｙＴｏｙ
钱强，王淑红
（原理工大学，太山西太原００２）３０４
摘
要：利用遗传算法对一台４相７对极外转子永磁无刷直流电动机的永磁体尺寸、气隙高度、电枢长径比、极
弧系数以及槽口宽度进行了优化设计，并用有限元电磁场分析软件ＭｘｅｌＤ分析了优化前后电机磁力线、ａｗｌ２气隙磁
密、电机转矩和转速随时间变化过程。仿真结果表明，优化的电机转矩脉动明显削弱，明了遗传算法与有限元数证
值计算相结合对无刷直流电动机优化设计有较好的效果。关键词：无刷直流电动机；优化设计；遗传算法；转矩脉动；限元有中图分类号：Ｍ３Ｔ３文献标识码：Ａ文章编号：０４７１（０００ — ０８０１０ — ０８２１）２０１ — ３
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轴向磁场无铁心永磁无刷直流电动机设计

ｍｅｈｏｔｄｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｃｏｎｓｉｄｅｉｎｇｒｈｅｔｃｈａｒａｃｔｅｉｓｒｉｔｃｓｏｆｔｈｅａｘｉｌ— ａｌｕｆｘｃｏｒｅｌｅｓｓｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｏｕｒｅｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００９６，Ｃｈｉｎａ）（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｃｈｅｎｏｌｏｇｙ，Ｎｎｊａｉｎｇ２１００４４，Ｃｈｉｎａ）
ｍａｇｎｅｔｂｍｓｈｌｅｓｓｄｃｍｏｔｏｒｂａｓｅｄｏｎｂｏｈｔｆｉｎｉｔｅ — ｅｌｅｍｅｎｔｎａａｌｙｓｉｓ（ＦＥＡ）ａｎｄｈｅｔｍａｇｎｅｉｔｃｃｉｒｃｕｉｔ
第４３卷第２期
２０１３年３月
东南大学学报（自然科学版）
ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＯＵＴＨＥＡＳＴＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮａｍｒｌｆＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）

一种高效永磁无刷直流电动机设计仿真与分析

ｔｅｍｅｈｄｏｏｈｔｏｆｃｍｂｉｉｇｆｅｄａｄｃｒｕｔｉｏｒｃ．ｎｎｌｎｉｃｉｓｃｒｅｔｉＫｅｒｙｗｏｄｓ：ｅｍａｎｇｅｒｓｌｓｐｒｎｅｔｍａｎｔｂｕｈｅｓＤＣｔｒ；ｉｈｆｃｅｃｍａｎｅｉｃｔｄｓｇｆｎｔｌｍｅｔｓｍｕｌｔｎｍｏｏｈｇｅｉｎｙ；ｇｔｃｒｕｉｅｉｎ；ｉｉｅｅｅｎｉｉａｉｏ
微持电棚２０第期０年６１
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种高效永磁无刷直流ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ电动机设计仿真与分析
王光伟，满峰，晓晖，延升窦李李
（－］业大学，西西安７０２）西ｉ２１￣陕１１９
既直观又准确。
关键词：磁无刷直流电动机；效；路设计；限元仿真永高磁有中图分类号：Ｍ３Ｔ３文献标识码：Ａ文章编号：０４７１（０００ — ０３０１０ — ０８２１）６０１ — ２
倍，低速电机的电阻为高速电机的倍，低速电ｊｊ
机的铜损耗为高速电机的倍，在相同损耗情况；
下，高速电机可以取较大的线负荷，通过合理选择电
有计算结果精确等特点，是进行仿真计算用时很但
长。本文采用场路结合的设计方法对一台２４ｋ．Ｗ的永磁无刷直流电动机进行高效率设计研究，磁在路设计的基础上进行有限元仿真优化，对设计的并

永磁无刷直流电机控制系统设计

永磁无刷直流电机控制系统设计1.电机模型的建立：建立电机的数学模型是进行控制系统设计的第一步。

永磁无刷直流电机可以使用动态数学模型来描述其动态特性，常用的模型包括简化的转子动态模型和电动机状态空间模型。

简化的转子动态模型以电机的电磁转矩方程为基础，通过建立电机的电流-转速模型来描述电机的动态响应。

这个模型通常用于低频控制和电机启动阶段的设计。

电动机状态空间模型则是通过将电机的状态变量表示为电流和转速变量，用微分方程的形式描述电机的动态特性。

这个模型适用于高频控制和电机稳态响应分析。

2.控制器设计：经典的控制方法包括比例积分控制器（PI）和比例积分微分控制器（PID）。

比例积分控制器是最简单的控制器，通过调节电流的比例增益和积分时间来控制电机的速度。

这种控制器适用于低精度控制和对动态响应要求不高的应用。

比例积分微分控制器在比例积分控制器的基础上增加了微分项，通过调节微分时间来控制系统的阻尼比，提高系统的稳定性和动态响应。

3.参数调节：在控制器设计中，参数调节和整定是非常重要的环节，主要包括根据系统的要求选择合适的控制器参数，并进行优化。

参数调节可以通过试探法、经验法和优化算法等方法进行。

其中，试探法和经验法是相对简单的方法，通过调整控制器的参数值来达到稳定运行或者较好的控制性能。

优化算法可以通过数学模型和计算机仿真的方式进行，通过优化目标函数和约束条件，得到最合适的控制器参数。

总结起来，永磁无刷直流电机控制系统设计主要包括电机模型的建立、控制器设计和参数调节。

在设计过程中，需要根据系统的要求选择合适的控制器，通过参数调节和优化算法来提高系统的稳定性和动态性能。

无刷直流永磁电动机设计流程和实例

无刷直流永磁电动机设计实例一. 主要技术指标1. 额定功率：W 30P N =2. 额定电压：V U N 48=,直流3. 额定电流：A I N 1<3. 额定转速：m in /10000r n N =4. 工作状态：短期运行5. 设计方式：按方波设计6. 外形尺寸：m 065.0036.0⨯φ二．主要尺寸的确定 1. 预取效率63.0='η、 2. 计算功率i P '直流电动机 W P K P NNm i 48.4063.03085.0'=⨯==η,按陈世坤书; 长期运行 N i P P ⨯''+='ηη321 短期运行 N i P P ⨯''+='ηη431 3．预取线负荷m A A s /11000'= 4．预取气隙磁感应强度T B 55.0'=δ 5. 预取计算极弧系数8.0=i α 6．预取长径比L/D λ′=27．计算电枢内径m n B A P D N s i i i 23311037.110000255.0110008.048.401.61.6-⨯=⨯⨯⨯⨯⨯=''''='λαδ 根据计算电枢内径取电枢内径值m D i 21104.1-⨯= 8. 气隙长度m 3107.0-⨯=δ 9. 电枢外径m D 211095.2-⨯= 10. 极对数p=111. 计算电枢铁芯长 m D L i 221108.2104.12--⨯=⨯⨯='='λ根据计算电枢铁芯长取电枢铁芯长L= m 2108.2-⨯12. 极距 m p D i 221102.22104.114.32--⨯=⨯⨯==πτ 13. 输入永磁体轴向长m L L m 2108.2-⨯==三．定子结构 1. 齿数 Z=6 2. 齿距 m z D t i 22110733.06104.114.3--⨯=⨯⨯==π3. 槽形选择梯形口扇形槽,见下图;4. 预估齿宽: m K B tB b Fe t t 2210294.096.043.155.010733.0--⨯=⨯⨯⨯==δ ,t B 可由设计者经验得,t b 由工艺取m 210295.0-⨯5. 预估轭高: m B K B a K lB h j Fe i Fe j j 211110323.056.196.0255.08.02.222-⨯=⨯⨯⨯⨯=≈Φ=δδτ1j B 可由设计者经验得,1j h 由工艺取m 210325.0-⨯根据齿宽和轭高作出下图,得到具体槽形尺寸6. 气隙系数 135.1)5()5(2010101=-++=b b t b t K δδδ7．电枢铁心轭部沿磁路计算长度m h ph h D L j ij t i i 2111110064.2)21(2)2(-⨯=+-⨯++=απ8．槽面积2410272.0m S -⨯=电枢铁芯材料确定从数据库中读取电枢冲片材料DW540-50电枢冲片叠片系数96.01=Fe K 电枢冲片材料密度331/1075.7m j ⨯=ρ电枢冲片比损耗kg W p s /16.2)50/10(=四.转子结构1. 转子结构类型:瓦片磁钢径向冲磁2. 永磁体外径m D D i m 211026.12-⨯=-=δ3. 永磁体内径m H D D m m mi 21086.02-⨯=-=4. 永磁体极弧系数8.0=m α5. 紧圈外经D 2=m 21032.1-⨯6. 永磁材料磁化方向截面积24221043.421026.114.3108.28.02m p D L S mm m m ---⨯=⨯⨯⨯⨯⨯==πα7. 永磁材料的选取永磁体材料：钕铁硼剩磁r B ：矫顽力c H ：796 kA/m 永磁体材料密度m ρ:cm 38. r B 对应的磁通Wb S B m r r 41087676.4-⨯=⋅=φ 9．c H 对应的磁势A D D H F mim c c 3200)2(2=-= 10．转子轭材料选择由于转子较细,故转轴、磁轭为一体,选用10号钢 11．转子磁轭等效宽度 m D D D D b i mi i e j 22222221033.02102.01086.022---⨯=⨯-⨯=-=-=12．转子磁轭沿磁路方向长度瓦片m pD D b L mii e j j 222221083.0)21(4)(-⨯=-++=απ五、磁路计算1. 漏磁系数2.1=σ2. 气隙磁通δδδταB L B i 926.4==Φ3．空载电枢齿磁密δδδB B K b t B B Fe t t 588.296.010295.010733.022=⨯⨯⨯⨯==-- 4. 空载电枢轭磁密δδδB B L K h B Fe j j 819.28.296.0325..02926.4211=⨯⨯⨯=Φ=5. 空载转子轭磁密δδδσB B L b B j j 198.38.233.02926.42.1222=⨯⨯⨯=Φ= 6. 气隙磁势A B B B K F 462610127.010135.11007.06.1106.1⨯=⨯⨯⨯⨯⨯=⨯=-δδδδδδ7. 定子齿磁势A H H h H F t t t t t 22109.01045.022--⨯=⨯⨯== 8. 定子轭部磁势A H L H F j j j j 211110064.2-⨯== 9. 转子轭部磁势A H L H F j j j j 222221083.0-⨯== 10．总磁势∑+++=21j j t F F F F F δ 11. 总磁通Wb B m 410926.42.1-⨯⨯=Φ=Φδδσ12.空载特性曲线计算见表;因为表面磁钢永磁电机电动机负载时气隙的合成磁场与空载时差不多;六．电路计算1. 绕组形式及电子开关形式：两相导通星形三相六状态 2. 绕组系数采用单层集中整距绕组,即第一节距)(31槽==τy 每极每相槽数12pmZq ==m 是相数；p 为极对数故绕组系数1=w K3. 预取空载转速m in /120000r n =' 4. 每相绕组串联匝数φW '0.7V U 24.8025.700为管子压降，取匝，∆=Φ'∆-='δφαpn UU W i取匝82W =φ5. 电枢总导体数根4922==φmW N6. 实际每槽导体数N s =N/Z=82根7. 实际空载转速0nmin /11742109039.28217.02488.05.725.7400r pW U U n i=⨯⨯⨯⨯-⨯⨯=Φ∆-=-δφα8. 计算绕组端部长度m pD D pDav l i b 211101.42)2)(2.122.1-⨯=+=='ππ 9. 计算电枢绕组每匝平均长度m l L L bav 2108.13)(2-⨯='+= 10．预估导线截面积2661007086.01101463.04830m a J U P S aN N c-⨯=⨯⨯⨯⨯=''='η 式中26'/1014m A J a⨯=为预取导线电流密度 1=a 为每相绕组支路数 11. 导线选取选择F 级绝缘导线QZY-2 导线计算截面积26210066.04m d S c c -⨯==π导线最大截面积262max max 10092.04m d S c c -⨯==π导线直径md m d c c 3max 310342.01029.0--⨯=⨯=12. 槽满率计算公式选择35.01042max=⨯⋅=-S c s s S S N K π13. 实际导线电流密度26'/1015m A aS U P J c N Na ⨯==η 14. 每相电枢绕组电阻Ω==⨯=Φ-31022)20(62)20(20cavcava S a l W S ma Nl r ρρ式中)/(0157.02)20(m mm ⋅Ω=ρ为导线的电阻率设电机绕组的工作温度t 为75C 0,则导线工作温度电阻Ω=⨯-+=65.3])20(1[20t a at p t r r 式中00395.0=t p 为导线的电阻温度系数七．电枢反应计算1. 起动电流 A r UU I atst 77.722=∆-=2. 起动时每极直轴电枢反应最大值A K W I F w st sdm 27643==φ 3. 额定工作时的反电动势 V n W pC N ie 5.39152'==δφφα 4. 额定工作时电枢电流 A r EU U I ata 97.022=-∆-=5. 额定工作时最大直轴去磁磁势A K W I F W a adm 3443==φ 6. 负载工作点：根据sdm F 和adm F ,可在空载永磁体工作图上作出负载和起动时的特性曲线2、3,求负载特性曲线与永磁体去磁曲线的交点,得负载工作点：负载气隙磁感应强度T B 5872.0=δ 负载气隙磁通Wb 4108925.2-⨯=Φδ负载电枢齿磁感应强度t B = 负载电枢轭磁感应强度j B =7. 额定工作时电磁转矩m N I W pT a iem .0366.04==δφφπα8. 起动电磁转矩 m N I C T st T st .293.0=Φ=δ 八. 性能计算1. 电枢铜损W r I p at a Cu 87.622== 2. 电枢铁损W G B G B f p K p j j t t a Fe 11.4)()50)(50/10(12123.1=+= 式中a K ------铁损工艺系数,取2=a K1j G ------定子轭重kg L h D D G j s j 05816.010])2([43211211=⨯--=-πρt G ------定子齿重kg ZL h b G t t s t 0173.0103=⨯=-ρ3. 轴承摩擦损耗W n G K p N p mp mpn 05.1103=⨯=-Kmp=3,p G 为磁钢重转子轭重转轴重传感器转子重的和 3=mp K 为默认情况,可让用户自己指定kg G G G G r g m p 035.0=++=4. 风损W L n D p N mpb 13.01026332=⨯=-5. 机械损耗和铁损W p p p p mpb mpn Fe 29.5=++='6. 考虑到附加损耗后的机械损耗和铁损 W p p 877.63.1='=系数可选 7. 开关管损耗W U I p a 358.12=∆⨯=∆8. 电机总损耗W p p p p Cu 1.15=++=∆∑9. 输入功率W I U P a N 56.461==10. 输出功率W p P P N 46.311=-=∑ 11. 效率%57.67%1001=⨯=P P N η 12. 摩擦转距m N n p T N.00657.056.90== 13. 额定输出转距 m N T T T em .03.002=-=。

永磁无刷直流电机的设计与电磁分析

本次演示采用有限元模拟和优化设计等方法对永磁无刷直流电机进行设计和电磁分析。最后，对永磁无刷直流电机的电磁性能进行分析和讨论，包括磁场分布、功率损耗、效率等，并指出了研究的不足和未来研究方向。
引言：
永磁无刷直流电机是一种具有高效率、低噪音、长寿命等优点的电机，在工业自动化、电动汽车、航空航天等领域得到了广泛应用。随着技术的不断发展，对永磁无刷直流电机的性能要求也不断提高。因此，本次演示旨在通过对永磁无刷直流电机的设计与电磁分析，提高其性能指标，以满足不同领域的应用需求。
参考内容
基本内容
盘式永磁无刷直流电机是一种先进的电动设备，具有高效率、低噪音、长寿命等优点。本次演示将详细介绍盘式永磁无刷直流电机的电磁设计过程，包括磁场分布、线圈绕制、绝缘设计、冷却系统等，旨在为优化电机性能提供理论支持和实践指导。
盘式永磁无刷直流电机是一种结合了永磁电机和无刷直流电机的优点的新型电动设备。它采用永磁体作为磁源，可直接产生恒定的磁场，避免了传统有刷直流电机需要定期更换电刷的缺点。盘式结构使得电机散热性能好、机械强度高，能够在恶劣环境中稳定运行。
电磁设计是盘式永磁无刷直流电机设计的核心环节。磁场分布是电磁设计的首要环节，合理的磁场分布可以提高电机性能、降低谐波损耗。线圈绕制方法对电机的功率密度、电气性能和机械特性有着重要影响。在电磁设计中，需要综合考虑线圈材料、线径、匝数等因素，以实现电机的高效运行。
绝缘设计对于盘式永磁无刷直流电机的可靠性至关重要。线圈绝缘材料的选用和结构设计直接影响到电机的电气性能和机械特性。在电磁设计中，应充分考虑绝缘材料的电气性能和机械性能，以满足电机在高温、高湿等恶劣环境下的正常运行。
文献综述：
自20世纪50年代第一台永磁无刷直流电机问世以来，国内外学者对其进行了广泛研究。研究内容主要包括电磁场分析、优化设计、控制策略、可靠性等方面。在电磁场分析方面，有限元法等效磁路法、模拟仿真等方法被广泛应用。在优化设计方面，主要从电机结构、材料、工艺等方面进行优化。

（毕业论文）永磁无刷直流电机论文

小功率永磁无刷直流电动机的设计和仿真研究摘要永磁无刷直流电动机是把电机、电子和稀土材料的高新技术产品发展紧密的结合在一起的新型电机，它具有单位体积转矩高、重量轻、转矩惯量小、控制简单、能耗少和调速性能好等优点，因而在航天航空、数控机床、机器人、汽车、计算机外围设备、军事等领域及家用电器等方面都获得了广泛的应用。

因此，设计性能优异的永磁无刷直流电机具有重要的理论意义和应用价值。

本论文系统的研究了35w小功率永磁无刷直流电机的本体设计，包括设计方法、有限元分析、性能计算、软件仿真等。

本文主要的研究内容如下：1、综述了永磁无刷直流电机的研究现状、存在问题和发展前景，分析了永磁无刷直流电机的基本理论。

2、建立永磁无刷直流电机的数学模型，先利用解析法对该电机进行电磁设计，然后利用有限元法对电机进行优化。

3、基于星形连接三相三状态的控制电路，利用Infolytic公司的MagNet电磁场分析软件建立了永磁无刷直流电机的有限元分析模型，仿真分析其静态气隙磁场分布及动态带负载时的电机特性。

并将软件仿真所得结果与设计计算结果进行比较分析，验证了设计方法的正确性。

关键词：电机设计，无刷直流电动机，有限元分析，稳态特性第一章绪论1．1永磁无刷直流电动机的发展状况永磁无刷直流电动机是一种新型的电动机，其应用广泛，相关技术仍然在不断的发展中，该类电动机的发展充分体现了现代电动机理论、电力电子技术和永磁材料的发展过程。

其中，永磁材料、大功率开关器件、高性能微处理器等的快速发展对永磁无刷直流电动机的进步功不可没。

1821年9月，法拉第建立的世界上第一台电机就是永磁电机，自此奠定了现代电机的基本理论基础。

十九世纪四十年代，人们研制成功了第一台直流电动机。

1873年，有刷直流电动机正式投入商业应用。

从此以后，有刷直流电动机就以其优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用，占据了极其重要的地位。

随着生产的发展和应用领域的扩大，对直流电动机的要求也越来越高。

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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。

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。

如图6-1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1 5%左右。
图6-1 外径相同电机内转子和外转子结构的气隙直径比较
永磁无刷电动机设计
设计技术要求与典型设计过程

对一台无刷电动机的设计技术要求常体现在电机设计技术任务书中。电机设计除应符合有关国家标准和行业标准外,设计技术任务书常包括如下内容：

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, 防护等级等。
9/10
12/10
90
60
小
小
0.945
0.933
有，不推荐使用

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。

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:
pn 4000 p f 67 p 6060
若干设计要素的选择

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。
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。
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
极数2p
4 6
工作频率f/Hz
133 200
定子和转子的磁轭厚度最大大
8 10
267 333
中小

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。

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。
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, 参见第3章分析。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。
典型的设计流程

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。

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、Moto rSolve、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。
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。
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

这是相对于电机转轴轴心来说的,常见的是径向磁路结构,电机呈圆柱状,定转子间气隙也呈圆柱状。轴向磁路结构电机的气隙是与轴心垂直的平面。轴向磁路常设计为盘式,外形呈现为扁平型式, 轴向尺寸短,径向尺寸大,适用于有这种结构要求的场合。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。

(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6-1 比较了单层和双层集中绕组的某些特征。

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。
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。
Z/2p组合
6/4 9/6 9/8 12/8