永磁同步电机之关于电动机本体的电磁设计特点

无槽无刷永磁直流电动机不同于传统的电动机，电枢不存在齿槽结构，而是采用表面绕组；电枢铁心是环体状的，绕组均匀地粘在环形铁心上。转子由转轴、转子导磁体和永磁材料组成，转子导磁体套在转轴上，永磁体采用高性能稀土永磁材料。

无槽无刷永磁直流电动机的设计原则为，在保证电气性能和机械可靠性的前提下，合理的设计出电动机的电气气隙，确定出磁性材料的体积、厚度，最大限度地提高稀土永磁材料的利用率，从而得到高功率／体积比和高转矩／体积比的无槽无刷直流电动机。

该种电动机的电磁设计最关键的问题是电磁负荷的选择，对于不同的性能要求和使用场合，电磁负荷选择不同。由于该电动机电气气隙较大，我们可以选择较大的电负荷。这样，电枢绕组的直流电阻就会较小，对驱动系统电流环控制比较容易，且电动机的温升也比较容易控制。对于电负荷选择可为50-15OA / m之间。磁负荷选择首先要考虑永磁材料的性能。同时还要考虑电动机的气隙长度，考虑到该种电动机由于电气气隙大，永磁材料应采用强磁材料，如NdFeB等材料，而气隙长度应考虑在电枢绕组能合理布置前提下尽可能小。一般情况下，

电气气隙在4一smm 。当磁性材料与磁路结构初步确定后，可按下述步骤计算：l）以矩形波驱动无槽无刷直流电动机为例，则气隙磁通中。为。

    利用上述关系，用图解法即可求出B 。，如果所得B 。值与预先设定值接近，则磁钢设计合理，否则应调整磁路尺寸再进行迭代计算，直至合适为止。无槽无刷直流电动机当电枢绕组通电后，将产生跳跃式旋转磁场，电枢绕组有星形及封闭式两种接线方式。电子开关电路分为桥式和非桥式两种电路。根据需要参考本书第9章选取。当电枢绕组接线方式和电子开关电路选定后，即可根据相应公式确定每相串联导体数和总导体数，以及根据电流密度选取导线线规。

在绕组设计时应该根据给定的额定转速取空载转速，因为空载转速的确定与转速变化斜率有关，即与绕组导线电阻有关，显然绕组确定后需要重新核算空载转速，直至合适为止。当绕组确定后应进一步确定槽满率（虚拟槽），如不合适而进一步改变线规，甚至改变磁性材料尺寸。

8 . 7永磁无刷直流电动机的电磁设计

由于永磁无刷直流电动机是集电机本体、驱动器和转子位置传感器于一体的机电一体化系统，因而设计时对于给定的技术指标。首先应从系统的角度确定总体方案，进一步再考虑电动机本体的诸多问题。当然，就其电动机本体而言，与普通无刷电动机也就是说与普通同步电动机有很多相同之处，而我们重点要讨论无刷永磁直流电动机本体设计中与其他电动机如永磁同步电动机、永磁直流电动机不同之处。

8 . 7 . 1电动机系统的总体方案确定

1．电枢绕组形式与主开关的接法

电枢绕组相数一般有两相、三相与四相绕组，接法则有△联结和多边形联结。逆变器接法有桥式和非桥式两种，逆变器与电枢绕组相结合可以形成多种方式，工作方式也有一相导通三相三状态，两相导通三相六状态，三相导通三相六状态等。

目前常用的绕组为三相绕组，对于逆变器常采用三相桥式换相电路有较好的电气性能，但使用的功率开关器件多，三相非桥式电路开关器件可减半，两种逆变器接法适用于不同场合，均获得广泛应用。相应逆变器工作方式也以一相导通三相六状态和两相导通三相六状态的应用最广。

2．矩形波与正弦波电动机的选择

矩形波电动机设计时，要获得矩形波气隙磁感应强度，通常励磁永磁体为瓦片式径向放置，极弧宽度应大于120 “电角度，而且极弧宽度应尽量大，绕组形式用整矩集中绕组，从而获得梯形波反电动势，这时电枢电流为矩形波；正弦波电动机是假设气隙磁场按正弦波分布，绕组形式用短距分布绕组，反电动势波形为正弦波，电枢电流波形为直流电源电压与电枢正弦波反电动势的插值曲线。

由于瓦片形永磁体励磁方式气隙磁感应可以做到矩形波，因而电动机设计方法比较准确；而用切向式永磁体作励磁方式，气隙磁场接近正弦波，只能计算基波的情况，因而用设计方法设计此种电动机时，使用了一定的近似值。

3．转子位置传感器方案选择

根据电动机功率、体积、起动转矩、伺服性能、工作环境不同决定采用有位置传感器或无位置传感器方案，一般体积、功率较小时，或工作环境较差时，可选用无位置传感器方案；功率、体积较大者可采用有位置传感器方案。