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永磁直流电机设计
永磁直流电机的基本原理是利用定子和转子之间的电磁相互作用来产
生转矩。
定子上排列有若干个励磁线圈，当通电时会产生磁场。
转子上则
安装有一组永磁体，它们的磁场会与定子的磁场相互作用，从而产生转矩。
而永磁体的磁场是固定不变的，因此这种电机称为“永磁直流电机”。
定子设计是为了提供足够的磁场强度和均匀性。
在设计过程中，需要
确定励磁线圈的匝数、线径和磁场方向等参数。
一般来说，匝数越多、线
径越粗，磁场强度越高。
同时，励磁线圈的布局也很重要，要尽可能使磁
场分布均匀，避免磁场偏斜和不均匀。
转子设计主要涉及永磁体的选择和布局。
永磁体的材料一般选择高磁
能积的稀土磁体，如钕铁硼磁体。
在布局上，需要考虑永磁体的磁场分布
和转矩的平衡。
通常，可以采用多极磁化的方式来增加转子上的磁通量密度，从而提高转矩。
除了定子和转子的设计，还需要考虑永磁直流电机的优化方法。
其中
一种方法是通过磁路分析，优化磁路结构和磁场分布，从而提高电机的效
率和性能。
另一种方法是通过控制算法的优化，调整电机的运行方式和参数，使其在不同负载下都具有较高的效率和响应性。
总之，永磁直流电机的设计涉及到定子设计、转子设计和优化方法的
选择。
在设计过程中，需要根据电机的使用要求和性能指标，选择合适的
设计参数和优化方法，以实现高效、高性能的电机设计。
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=62. 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。
永磁直流无刷电机是一种高效、可靠且具有广泛应用的电机类型，其设计和应用技术涉及多个方面，包括结构设计、控制系统、功率电子器件等。
以下是关于永磁直流无刷电机实用设计及应用技术的一些重要内容：1. 结构设计：-定子结构设计：合理设计定子结构，包括定子槽形状、绕组布局等，以提高电机效率和性能。
-转子结构设计：优化转子磁路设计，选择合适的永磁材料和磁路形状，提高转子磁场密度和输出功率。
-轴承选型：选择适当的轴承类型和规格，保证电机运行平稳、低噪音。
2. 控制系统：-传感器选型：选择合适的位置传感器（如霍尔传感器）或传感器less 技术，实现电机位置检测和闭环控制。
-控制算法：设计高效的电机控制算法，如FOC（Field Oriented Control）或者DTC（Direct Torque Control），以实现精确控制和高效能耗。
- PWM技术：采用PWM技术控制功率电子开关器件，实现对电机相电流的精确控制，提高电机效率和响应速度。
3. 功率电子器件：- MOSFET或IGBT选择：根据电机功率大小和工作环境选择合适的功率MOSFET或IGBT器件，以确保电机的稳定性和可靠性。
-散热设计：合理设计散热系统，确保功率电子器件能够有效散热，避免过热损坏。
4. 应用技术：-电动汽车：永磁直流无刷电机在电动汽车中得到广泛应用，提供高效、节能的动力输出。
-家用电器：如空调、洗衣机等家用电器中也有广泛应用，提供高效、低噪音的驱动。
-工业领域：如风力发电机组、泵类设备等领域也有着重要的应用。
以上是关于永磁直流无刷电机实用设计及应用技术的简要介绍，这种电机技术在各个领域都有着重要的应用前景，不断推动着电机技术的发展和创新。
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。
永磁直流电机电磁设计算例假设我们要设计一个功率为500W的永磁直流电机，额定电压为24V。
首先，我们需要确定电机的转矩常数和电机的转速范围。
转矩常数表示电机在给定电压下的输出转矩大小。
常用的永磁直流电机转矩常数一般在0.02-0.06Nm/A之间。
假设我们选择一个转矩常数为0.04Nm/A的永磁直流电机。
根据功率和转矩常数的关系，我们可以计算出电机的额定电流为500/0.04=12.5A。
接下来，我们需要确定电机的磁路尺寸和磁路材料。
磁路尺寸决定了电机的体积和重量，而磁路材料的选择直接影响电机的性能和效率。
常见的磁路材料包括硅钢片、铁氧体和软磁合金等。
这里我们选择硅钢片作为磁路材料。
根据电机的功率和额定电流，我们可以计算出电机的额定转矩为500/12.5=40Nm。
接下来，我们需要根据额定转矩和转矩常数计算出永磁体的磁通。
磁通是永磁体产生的磁场大小，它与电机的转矩和电压密切相关。
磁通的计算公式为磁通=转矩/转矩常数=40/0.04=1000Wb。
接下来，我们需要计算出电机的磁场密度和磁力线密度。
磁场密度表示单位面积内的磁场大小，而磁力线密度表示单位长度内的磁场线条数。
根据磁场强度和磁路材料的磁导率，我们可以计算出磁场密度和磁力线密度。
最后，我们需要设计电机的线圈和定子参数。
根据额定电流和电压，我们可以计算出电机的线圈匝数和线圈直径。
定子参数的计算需要根据电机的磁通和磁场密度来决定。
综上所述，永磁直流电机的电磁设计是一个复杂的过程，需要根据电机的功率、转矩和工作条件来选择合适的磁路材料和定子参数。
设计过程需要综合考虑电机的性能、效率和成本等因素，从而确保电机的稳定运行和长寿命。
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。
永磁无刷直流电机设计实例永磁无刷直流电机（Brushless DC Motor，BLDC）是一种形式先进的电机，具有高效率、长寿命、高功率密度、高控制精度等优点，已广泛应用于机床、机器人、电动工具等领域。
在本文中，我们将介绍永磁无刷直流电机的设计实例。
1. 电机参数计算在进行永磁无刷直流电机设计之前，首先需要计算出电机的一些参数，包括额定功率、额定转速、额定电压、额定电流等。
这些参数将作为电机设计的基础。
1.1 标称功率Pn = Tmax × ωnPn 为电机标称功率，Tmax 为电机最大扭矩，ωn 为电机额定转速。
1.2 额定转速永磁无刷直流电机的额定转速通常由应用需求决定。
对于电动工具来说，需要较高的额定转速，而对于机床来说，需要较低的额定转速。
通常情况下，可以根据应用的要求来选择适当的额定转速。
永磁无刷直流电机的额定电压通常由电源系统决定。
通常情况下，可以选择电压稳定器或直流电源来提供稳定的电压。
根据实际需求和电源系统的限制，可以确定电机的额定电压。
2. 永磁体设计永磁体是永磁无刷直流电机中最重要的组件之一，其设计将直接影响电机的性能。
永磁体的设计包括永磁体的形状、尺寸以及选用的材料。
2.1 形状与尺寸永磁体的形状和尺寸对电机的输出特性有着重要的影响。
通常情况下，可以选择方形、圆形、椭圆形等形状，并根据电机设计参数计算出永磁体的尺寸。
2.2 材料选择永磁体选用的材料决定了电机的性能。
目前常用的永磁体材料有 NdFeB、SmCo、AlNiCo 等。
不同的永磁体材料具有不同的磁性能、机械性能和耐温性能，应根据实际应用需求进行选择。
3. 绕组设计绕组是永磁无刷直流电机中的另一个关键组件，在电机的输出特性和效率上起着重要作用。
绕组的设计涉及到绕组的形状、导线直径、匝数和线材材料等方面。
绕组的形状通常与永磁体相对应，可以根据永磁体的形状来确定绕组的形状。
3.2 导线直径导线直径直接影响到电机的电阻和电感，对电机的输出特性和效率有着重要影响。
永磁同步电机以及直流无刷电机的电磁设计首先，永磁同步电机采用永磁体作为励磁源，与传统的感应电机相比，具有更高的效率和功率密度。
永磁同步电机的电磁设计主要包括磁极形状、磁路设计和绕组设计。
磁极形状是永磁同步电机电磁设计的重要组成部分。
常见的磁极形状有平面磁极、凸起磁极和凹陷磁极等。
磁极形状的选择与电机的输出功率和转速有关。
例如，对于高转速应用，凸起磁极可以减小磁场漏磁，提高电机的效率。
磁路设计是永磁同步电机电磁设计中的关键环节。
通过优化磁路设计，可以改善电机的磁路磁阻和磁导率等参数，提高电机的磁路利用率和效率。
同时，磁路设计也需要考虑减小磁铁磁感应强度损失，采用合适的磁路材料和结构设计，降低磁铁的温升，提高电机的稳定性和可靠性。
绕组设计是永磁同步电机电磁设计中的另一个重要方面。
绕组设计涉及电机的定子和转子绕组的布置和计算。
合理设计绕组可以降低电动机的电阻损耗和铜损耗，提高电机的效率。
此外，绕组设计还需要考虑绕组的散热和绝缘问题，确保电机的安全运行。
直流无刷电机是一种采用永磁转子的直流电机。
与传统的有刷直流电机相比，直流无刷电机具有更高的效率和更小的电刷磨损，可以实现长时间的高速运转。
直流无刷电机的电磁设计主要包括转子和定子的磁路设计和绕组设计。
转子磁路设计是直流无刷电机电磁设计的重要组成部分。
合理设计转子磁路可以提高磁路磁阻和磁导率，提高电机的效率和转矩输出。
通常情况下，直流无刷电机采用内置式磁铁转子，磁铁的选择和磁铁的磁场分布对电机的性能有重要影响。
定子绕组设计是直流无刷电机电磁设计的另一个重要环节。
定子绕组设计涉及到绕组的尺寸、材料选择以及绕组的布局和计算等。
合理设计绕组可以降低电阻和损耗，提高电机的效率和输出性能。
此外，定子绕组设计还需要考虑电机的散热和绝缘等问题，确保电机的稳定运行和安全性。
综上所述，永磁同步电机和直流无刷电机的电磁设计是电机设计中的重要环节。
通过优化磁极形状、磁路设计和绕组设计，可以提高电机的效率、功率密度和输出性能。
小型永磁直流电机设计（部分）
Ap1008331谢志恒
1.电机主要尺寸与功率,转速的关系:
与异步电机相似,直流电机的功率,转速之间的关系是:
D22*Lg=6.1*108*p’/(αP*A*Bg*Ky*n) (1)
D2 电枢直径(cm) 电机初设计时的主要尺寸
Lg 电枢计算长度(cm) 根据电机功率和实际需要确定
p’计算功率(w) p’=E*Ia=(1+2η)*P N/3η
E=Ce*Φ*n*Ky=(P*N/60*a)*Φ2*n*Ky*10-8
Ce 电势系数
a 支路数在小功率电机中取a=2
p 极数在小功率电机中取p=2
N 电枢总导体数
n 电机额定转速
Ky 电枢绕组短矩系数小功率永磁电机p=2时,采用单叠绕组Ky=Sin[(y1/τ)*π/2] y1绕组第一节矩
P 极弧系数一般取αP=0.6~0.75 正弦分布時αP=0.637
Φ每极磁通Φ=αP*τ*Lg*Bg
τ极矩(cm) τ=π*D2/P
Bg气隙磁密(Gs) 又称磁负荷，对铝镍Bg=(0.5~0.7) Br，对铁氧体Bg=(0.7~0.85) Br, Br为剩磁密度
A 电枢线负荷A=Ia*N/(a*π*D2)Ia电枢额定电流对连续运行的永磁电动机,一般取A=(30~80)A/cm另外电机负荷Δ= Ia/(a*Sd),其中Sd=π*d2/4，d为导线直径。
为了保证发热因子A*Δ≦1400 (A/cm*A/mm2 )通常以电枢直径D2和电枢外径La作为电机主要尺寸,而把电动机的输出功率和转速为电机的主要性能,在主要尺寸和主要性能的基础上,我们就可以设计电机了。
在(1)式的基础上经过变换可为:
D22*Lg*n/P’=(6.1*108/π2)*1/(αP*Bg*A)=C A
由上式可以看, CA的值并不取决於电机的容量和转速,也不直接与电枢直径和长度有关,它仅取决於气隙的平均磁密及电枢线负荷,而Bg和A的变化很小,它近似为常数,通常称为电机常数,它的导数K A=1/C A=(p’/n)/(D22* Lg)∞αP*Bg*A称为电机利用系数,它是正比於单位电枢有效体积产生的电磁转矩的一个比例常数。
2.磁钢的选择:
2.1磁钢的材质
在永磁直流电机中,磁钢相当于串激电中的定子线圈中,它在定子铁壳中产生磁场,它和其它电机一样,是利用电磁感应原理在磁场媒质中进行能量转换的,磁场在能量转换过程中起媒介作用,在永磁直流电机中产生磁场的磁源是充过磁的永磁体,也叫磁钢，充过磁的磁石性能对电机的性能有很大的影响。
在现代电机制造中,磁钢的材料有下列几种:铁氧体.铝镍鈷合金,稀士合金,釹铁硼等.由于各种材料自身特点和本公司的实际,一般选用铁氧体作为永磁材料。
2.2永磁材料的磁性能
磁钢的退磁曲线如下:
永磁材料的磁性能可以用磁滞回线来反映和描述.即用B=f(H)曲线来反映永磁体的磁感应强度随磁场强度来降改变的特性,该回线包含的面积随最大充磁磁场强度HMAX增大而增大,当HMAX达到HS时回线面积渐近地达到一个最大值,而且这时磁性能也较稳定,面积最大的回线被称为磁滞回线. 磁滞回线在第二象限的部分称为退磁曲线,它是永磁材料的基本特性曲线,退磁曲线中磁感应强度Bm 为正值而磁场强度Hm为负值,在退磁曲线过程中,永磁体相当于一个磁源.退磁
曲线的两个极限们位置是表征永磁材料磁性能的两个重要参数(Br,Hc)，退磁曲线上任一点磁通密度与磁场强度的乘积被称为磁能积,在退磁曲线中有一个最大值,这一最大值称为最大磁能积(BH)MAX 单位为J/m3 ,它是永磁材料磁性能的一个重要参数. Br对电机性能的影响很大,使用较大Br值的磁钢可以增加扭矩,但会使电机空载转速降低。
2.3永磁材料的选择
2.3.1应保证电机气隙中有中足够的气隙磁密和规定的电机性能指标
2.3.2在规定的环境条件.温度条件和使用条件下电机性能稳定
2.3.3磁石要有良好的机械性能以便加工和装配
2.3.4另外要经济性
2.3.5尽量选择最大磁能积大的磁钢
2.3.6根据对电机性能的影响,选择磁石的Br值
2.4永磁直流电动机的充磁
三种充磁方式:
1)电磁式充磁电源
2)电容式充磁电源
3)半周期式充磁电源
2.4.1电磁式充磁特点:
1)能产生很长的脉冲进行铝镍鈷充磁
2)由于充磁电流小,为了使充磁磁场达到要求,需增加充磁线圈匝数
3)不能有效地使充磁质量达到要求
2.4.2半周期式充磁特点:
1)它能在很快的循环速度下产生脉冲磁场。
2)它能给充磁夹具提供大电流 ,且受交流电流承载能力的限制。
3)通常电源是一个固定装置,因此该电器必须与较接近的变电场所
和较大的变压器用大功率电线连接。
4)交流电压110V~600V 单相50Hz或60Hz。
2.4.3电容式充磁特点:
1)电容箱中的能量可以在一个很短的时间内释放出一个很大幅值的电流
脉冲(5000A) 这些电流能够产生很大的磁场
2)对于充磁材料的几何尺寸或形状限制了充磁夹具中的线圈数量, 利
用电容式充磁电源可以满足.
3)费用较高.
要使电机有较小的充磁电压,一般使用电容式充磁,但费用较高,故根据实际情况而定.同样磁钢采用双半圆内充磁时,可以使气隙磁密的波形为正弦波,双半圆内充磁磁头的尺寸如下:
β=90°~115°
A=Dmi-(0.1~0.2)mm
R=(0.5~0.7)A 环形
R=(0.7~0.78)A 瓦形
β=180°*2p/(p/2)=135°
L=L M+(2~4)mm
LM为磁钢轴向长度(cm)
Dmi 磁钢内径(cm)
充磁夹具中的条形极,,硅钢片或碳钢的绝缘用合成的玻璃纤维缠绕或环绕氧树脂通过流化进行环氧树脂处理而成.充磁夹具按要求的循环速率和运行条件进行常规的四个小时的常规测试,它是通过安装铜散热片或钢制条形极上开通风口并在其中通入水或空气来进行冷却的.充磁夹具的绝缘耐压试验: 2倍工作电压+1000V。
