吳 震，段升階，邱國(guó)平

(常州蓓斯特寶馬電機(jī)有限公司,常州 213011)

1 電機(jī)的運(yùn)行特性與目標(biāo)設(shè)計(jì)

1.1 電機(jī)目標(biāo)設(shè)計(jì)概論

世界萬(wàn)物千差萬(wàn)別，每個(gè)事物總有區(qū)別于其他事物的特性，我們用事物的特性來(lái)區(qū)別或分門別類。電機(jī)運(yùn)行時(shí)有共同的特性，如電機(jī)運(yùn)行時(shí)的機(jī)械特性、質(zhì)量特性、物理特性，每個(gè)電機(jī)有區(qū)別于其他電機(jī)的運(yùn)行特性。

電機(jī)的特性由各種參數(shù)組成，這些參數(shù)決定了電機(jī)某種特性。如電機(jī)不同的工作點(diǎn)的電壓、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電流、功率或功率因數(shù)等參數(shù)形成了機(jī)械特性曲線, 稱電機(jī)機(jī)械特性。

電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、電機(jī)諧波、電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、噪聲與振動(dòng)、溫升等參數(shù)決定了電機(jī)的運(yùn)行質(zhì)量，稱電機(jī)運(yùn)行質(zhì)量特性。

電機(jī)在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生各種物理變化或要考核的物理量，其中包括電機(jī)的電流密度、溫升、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、槽滿率、電阻和電感，這些物理量決定了電機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)或電機(jī)的工藝加工，這里統(tǒng)稱電機(jī)的物理特性。

可以看出，電機(jī)性能是由電機(jī)的三大特性決定的，電機(jī)的三大特性分別由各種電機(jī)參數(shù)組成。對(duì)于電機(jī)用戶，三大特性中的某些參數(shù)要符合他們的使用要求，這些參數(shù)稱電機(jī)的目標(biāo)參數(shù)。作為電機(jī)設(shè)計(jì)工作者，我們既要確保電機(jī)設(shè)計(jì)達(dá)到電機(jī)的三大特性，又要使電機(jī)中三大特性中的各目標(biāo)參數(shù)達(dá)到用戶要求。

1.2 電機(jī)特性的目標(biāo)設(shè)計(jì)法

幾十年來(lái)，無(wú)論是等效磁路法、電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法，還是磁場(chǎng)、磁路相結(jié)合的方法，電機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算均沿用前蘇聯(lián)葉爾穆林《小功率電機(jī)》中的一些公式和方法。在實(shí)際工程中采用這種方法進(jìn)行電磁設(shè)計(jì)，參數(shù)初選隨意性大、不確定因素多、電樞尺寸公式不能全面反映電機(jī)的運(yùn)行特性，且計(jì)算繁瑣，并受到其取值思路束縛，特別是不同于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的電機(jī)，設(shè)計(jì)方法受到了一些困擾。

電機(jī)在運(yùn)行時(shí)的三大特性決定了電機(jī)運(yùn)行的性能和電機(jī)狀況。一個(gè)電機(jī)首先要達(dá)到所需要的機(jī)械性能，其次要看電機(jī)的運(yùn)行質(zhì)量如何，還要看影響電機(jī)運(yùn)行的物理特性的變化。只有三種特性的各項(xiàng)參數(shù)達(dá)到要求，電機(jī)設(shè)計(jì)才能算是成功的。

利用電機(jī)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，要先確定一個(gè)電機(jī)的額定參數(shù)，憑設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)或者依靠一些電機(jī)結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)公式建立電機(jī)初始模塊，再對(duì)這個(gè)電機(jī)初始模塊進(jìn)行核算，計(jì)算電機(jī)性能的各項(xiàng)指標(biāo)，如果與電機(jī)特性的設(shè)計(jì)目標(biāo)值有差距，則對(duì)各種電機(jī)結(jié)構(gòu)等參數(shù)進(jìn)行修正后，再進(jìn)行計(jì)算。

不斷計(jì)算修正，直至電機(jī)機(jī)械、物理和工藝特性參數(shù)符合要求。這是一種電機(jī)參數(shù)“后知”修正法，是電機(jī)設(shè)計(jì)的試湊法。

電機(jī)設(shè)計(jì)程序或方法基本上有三種。第一種是沿用了多年的典型“磁路”設(shè)計(jì)方法，用“磁路”方法計(jì)算，把電機(jī)各段復(fù)雜的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)變成“磁路”。由于影響磁路的因素多，許多地方只有用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)、公式、圖表等化解或修正，有著諸多不確定的因素。

第二種是用“磁場(chǎng)”的方法進(jìn)行電機(jī)設(shè)計(jì)，需要建立一個(gè)電機(jī)初始模塊，憑借計(jì)算機(jī)進(jìn)行有限元場(chǎng)的理論分析。在電機(jī)設(shè)計(jì)之前，要先確定電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，才能計(jì)算電機(jī)的性能，因此這是一種電機(jī)的“核算”方法。

第三種是“路”和“場(chǎng)”結(jié)合計(jì)算方法，先用“路”的方法對(duì)電機(jī)進(jìn)行核算，通過(guò)對(duì)電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行多次調(diào)整，計(jì)算出一個(gè)設(shè)計(jì)者認(rèn)為比較理想的電機(jī)結(jié)構(gòu)，然后再對(duì)該電機(jī)進(jìn)行“場(chǎng)”的分析計(jì)算，從而達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。

這三種設(shè)計(jì)方法都是先建立電機(jī)模塊，再對(duì)電機(jī)模塊進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與電機(jī)運(yùn)行特性相比較，再進(jìn)行電機(jī)參數(shù)修改，直至逼近試湊法。數(shù)十年來(lái)，電機(jī)設(shè)計(jì)從“路”計(jì)算，到利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行“場(chǎng)”分析，設(shè)計(jì)手段得到了很大的提高和進(jìn)步，但是核算思路依然沒(méi)有太大變化。

電機(jī)運(yùn)行的機(jī)械特性和質(zhì)量特性決定了電機(jī)的運(yùn)行質(zhì)量，而電機(jī)的運(yùn)行質(zhì)量是由電機(jī)的數(shù)百個(gè)參數(shù)決定的，如果建立的電機(jī)初始模塊與目標(biāo)電機(jī)參數(shù)相近，那么電機(jī)“試湊”次數(shù)少，計(jì)算時(shí)間相對(duì)就少，否則計(jì)算時(shí)間很長(zhǎng)。

如果電機(jī)設(shè)計(jì)前，能提出電機(jī)主要參數(shù)的設(shè)計(jì)目標(biāo)值，以此參與電機(jī)初始模塊的建立，所建立的初始模塊與目標(biāo)模塊相近，那么計(jì)算出的電機(jī)性能不會(huì)相差很大，即使電機(jī)性能稍有誤差，再進(jìn)行必要的調(diào)整，電機(jī)各項(xiàng)性能也會(huì)較好地符合目標(biāo)電機(jī)，這種方法稱為電機(jī)的目標(biāo)設(shè)計(jì)方法。簡(jiǎn)單地說(shuō)，在電機(jī)建模過(guò)程中按目標(biāo)電機(jī)的要求建立電機(jī)模塊，這是一種電機(jī)目標(biāo)參數(shù)“先置”設(shè)計(jì)法。

1.3 電機(jī)運(yùn)行的機(jī)械特性和質(zhì)量特性

電機(jī)運(yùn)行的機(jī)械性能是由電機(jī)的有效導(dǎo)體根數(shù)和有效工作磁通這兩個(gè)因素決定的。只要控制好電機(jī)的磁鏈，電機(jī)運(yùn)行的機(jī)械特性就基本上確定了。

電機(jī)設(shè)計(jì)工作者往往用較大的精力去分析、研究如何電機(jī)達(dá)到機(jī)械特性要求，但是，實(shí)現(xiàn)機(jī)械特性的控制并不是電機(jī)設(shè)計(jì)的全部。對(duì)有相同機(jī)械特性的電機(jī)，有的電機(jī)運(yùn)行非常平穩(wěn)，而有的電機(jī)卻有較大的齒槽轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，電機(jī)高次諧波多，振動(dòng)、噪聲大，這是電機(jī)本身的運(yùn)行質(zhì)量特性差的緣故。

電機(jī)運(yùn)行的質(zhì)量特性也是電機(jī)的內(nèi)特性，是由電機(jī)的某些重要因素所控制的。電機(jī)的質(zhì)量特性包括：電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、電機(jī)諧波、電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和波形、電機(jī)的最大輸出功率等，電機(jī)的質(zhì)量特性是由電機(jī)槽數(shù)(Z)、極數(shù)(p)配合所決定的。電機(jī)運(yùn)行質(zhì)量的好壞與電機(jī)選取某種槽極配合有著重大關(guān)系。如果電機(jī)槽極配合好，那么電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩等質(zhì)量特性就好；如果電機(jī)槽、極配合沒(méi)有選好，那么電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)就大，各種多次諧波就多，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)正弦度就差，控制困難等情況會(huì)非常嚴(yán)重。若槽極配合不合理，即使采取很多措施，也很難實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的電機(jī)運(yùn)行質(zhì)量特性。

1.4 電機(jī)的物理特性

電機(jī)運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生各種物理變化或要考核的物理量，包括電流密度、溫升、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、槽滿率、電阻和電感。這些物理量會(huì)決定電機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)，是電機(jī)設(shè)計(jì)中必須考慮的。

1.5 電機(jī)四大要素制約電機(jī)的運(yùn)行特性

多年的設(shè)計(jì)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，電機(jī)的四大要素(N,Φ，Z,p)制約了電機(jī)的運(yùn)行特性。 一旦電機(jī)的四大要素確定，電機(jī)的機(jī)械特性和質(zhì)量特性也就確定了。在電機(jī)設(shè)計(jì)中，如果電機(jī)四大要素確定得合理、正確，那么電機(jī)運(yùn)行特性的設(shè)計(jì)符合率就好，否則電機(jī)設(shè)計(jì)會(huì)失敗。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，建立電機(jī)的初始模塊，首先要控制好電機(jī)的四大目標(biāo)要素，再對(duì)電機(jī)進(jìn)行計(jì)算，求出電機(jī)的運(yùn)行特性，這樣計(jì)算結(jié)果目標(biāo)要求相差不會(huì)太大，即使有些數(shù)據(jù)稍差，也只要進(jìn)行微小改動(dòng)就可以使電機(jī)性能達(dá)到用戶要求。

在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)，抓住電機(jī)的N,Φ兩大要素，控制住電機(jī)的KT和KE，那么電機(jī)運(yùn)行的機(jī)械特性也就控制了。設(shè)計(jì)時(shí)正確選定電機(jī)的Z、p配合，那么電機(jī)運(yùn)行的質(zhì)量特性也就控制住了。在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行電機(jī)結(jié)構(gòu)和其他參數(shù)的設(shè)計(jì)，不要為了改善電機(jī)運(yùn)行的質(zhì)量問(wèn)題，而增加許多額外措施?？刂坪秒姍C(jī)的四大目標(biāo)要素，則就控制了電機(jī)運(yùn)行時(shí)的機(jī)械、質(zhì)量特性。以這四大要素為目標(biāo)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中自始至終參與電機(jī)設(shè)計(jì)，這就是作者提倡的電機(jī)目標(biāo)設(shè)計(jì)法。

2 電機(jī)四大要素目標(biāo)設(shè)計(jì)法例證

無(wú)框電機(jī)是一種新型力矩電機(jī)，專為需求體積小、質(zhì)量輕、慣量低、結(jié)構(gòu)緊湊、功率高的應(yīng)用場(chǎng)合而設(shè)計(jì)，其適配性強(qiáng)，在機(jī)器人關(guān)節(jié)、醫(yī)療機(jī)器人、傳感器萬(wàn)向節(jié)、無(wú)人機(jī)推進(jìn)和制導(dǎo)系統(tǒng)以及其他應(yīng)用領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

目前，無(wú)框電機(jī)的代表性產(chǎn)品有美國(guó)科爾摩根的TBM (S)無(wú)框力矩電機(jī)、Parker 公司的K 系列無(wú)框伺服電機(jī)、Aerotech 公司S-series 高性能無(wú)框力矩電機(jī)、Alliedmotion 公司的無(wú)框力矩電機(jī)等。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，研發(fā)一款無(wú)框永磁同步電動(dòng)機(jī)，表1所示是我國(guó)某廠的無(wú)框電機(jī)XQ76A2-280的主要參數(shù)與性能要求。

表1 XQ76A2-280無(wú)框電機(jī)技術(shù)參數(shù)指標(biāo)

無(wú)框電機(jī)有兩種電機(jī)形式：無(wú)刷直流電機(jī)和永磁同步電機(jī)。如果無(wú)框電機(jī)用無(wú)刷直流模式，那么電機(jī)的電流波形和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)是不大好的，完全達(dá)不到提出的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)要求；有必要用永磁同步電機(jī)模式來(lái)設(shè)計(jì)該無(wú)框電機(jī)，現(xiàn)在較好一點(diǎn)的無(wú)框電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)可以控制在5%額定轉(zhuǎn)矩之內(nèi)，1%額定轉(zhuǎn)矩的要求是過(guò)于高了。轉(zhuǎn)矩波動(dòng)與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)。

無(wú)刷電機(jī)畢竟和永磁同步電機(jī)不同，要用永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)達(dá)到無(wú)刷電機(jī)的機(jī)械特性和各種參數(shù)，在設(shè)計(jì)上還是有一定的難度的，就需要從各方面進(jìn)行考慮。

用戶提出了XQ76A2-280無(wú)框電機(jī)的外形結(jié)構(gòu)與圖1的科爾摩根TBM7615-A相同。

圖1 科爾摩根TBM7615-A無(wú)框電機(jī)

表2是無(wú)框電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)目標(biāo)值，基本與科爾摩根尺寸相同，轉(zhuǎn)子內(nèi)徑按照要求定為36 mm，定子內(nèi)徑和轉(zhuǎn)子外徑由設(shè)計(jì)師確定。

表2 無(wú)框電機(jī)設(shè)計(jì)目標(biāo)

2.1 設(shè)計(jì)分析

XQ76A2-280設(shè)計(jì)全程采用ANSYS，MotorSolve等電機(jī)設(shè)計(jì)軟件對(duì)無(wú)框式永磁同步電機(jī)進(jìn)行電機(jī)結(jié)構(gòu)、性能、磁路的路場(chǎng)結(jié)合的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

該電機(jī)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和難點(diǎn)包括下述兩方面：1) 通過(guò)目標(biāo)設(shè)計(jì)使得所設(shè)計(jì)電機(jī)在限定體積下滿足XQ76A2-280電機(jī)性能要求；2) 通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)極槽配合運(yùn)行質(zhì)量，提高改善運(yùn)行平穩(wěn)性，力求達(dá)到XQ76A2-280電機(jī)的主要技術(shù)要求。

在負(fù)載轉(zhuǎn)矩仿真計(jì)算過(guò)程中，電機(jī)的電流均按照正弦電流波形進(jìn)行計(jì)算。

2.1.1 電磁分析(槽極配合分析)

1) 電機(jī)有39槽12極(CT=3)，是36槽12極(CT=12)的對(duì)稱繞組每相多一個(gè)線圈，電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩會(huì)大大小于36槽12極，因此有可能不采用轉(zhuǎn)子直極錯(cuò)位來(lái)消除電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩，這是該電機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)。

2) 電機(jī)有39槽，槽面積很小，不可能用槽骨架，只能用環(huán)氧樹(shù)脂溶槽絕緣。

3) 繞組多而復(fù)雜, 并不是對(duì)稱槽。

4) 槽多，每個(gè)槽面積極小，每個(gè)都要槽絕緣，39 槽的槽形周長(zhǎng)相對(duì)就多，槽絕緣也有一個(gè)最小值，不能做注塑骨架，只能用環(huán)氧樹(shù)脂溶槽絕緣，但在定子槽邊緣往往會(huì)產(chǎn)生擊穿。

5)繞組多，下線困難，特別是繞組不對(duì)稱，人工下線特別不易。

2.1.2 XQ76A2-280電機(jī)設(shè)計(jì)思路

考慮到電機(jī)的工藝及成本，并為了提高電機(jī)槽滿率，將來(lái)可以采用同樣結(jié)構(gòu)的拼塊式定子，設(shè)計(jì)的無(wú)框電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)向科爾摩根電機(jī)技術(shù)要求靠近，而且工藝性要好。

XQ76A2-280電機(jī)要求外形、性能與科爾摩根TBM7615的電機(jī)一樣，定子外徑僅76 mm，如果按照科爾摩根TBM7615的定子一樣加工，那么批量生產(chǎn)就比較困難，加工成本高，產(chǎn)量少，不符合本國(guó)國(guó)情。因此，電機(jī)必須在主要技術(shù)要求符合的基礎(chǔ)上采用新結(jié)構(gòu)，達(dá)到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、成本低廉、質(zhì)量上乘的目的。

考慮用簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)替代科爾摩根TBM7615的結(jié)構(gòu)，替代的思路是：設(shè)計(jì)的新電機(jī)在電機(jī)外形尺寸和性能與科爾摩根TBM7615的性能基本一致，工藝性要好于TBM7615電機(jī)，電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)與科爾摩根TBM7615電機(jī)相差不太大。

首先，建立科爾摩根TBM7615電機(jī)模塊，計(jì)算出該電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)；再提出多種新的電機(jī)方案，進(jìn)行電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)，把與TBM7615性能最相近、工藝最簡(jiǎn)單、成本較少的電機(jī)作為優(yōu)選電機(jī)。

2.1.3 電機(jī)極槽配合的選取

電機(jī)極槽配合應(yīng)該考慮的方面：

1) 槽數(shù)和極數(shù)相應(yīng)要減少；

2) 選擇槽數(shù)和極數(shù)配合適當(dāng)；

3) 電機(jī)的極槽配合的評(píng)價(jià)因子CT至少要和39槽12極的科爾摩根TBM7615電機(jī)的相等或者要小。

采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組，工藝會(huì)變得簡(jiǎn)單；如果用T形拼塊式定子，那么槽滿率會(huì)有很大提高，而且槽口可以減小，可大大降低電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩。

要減少電機(jī)槽數(shù)，只有在12槽到18槽之間選取，由于分?jǐn)?shù)槽集中繞組的分區(qū)數(shù)和電機(jī)極數(shù)、槽數(shù)之間存在一定關(guān)系，如表3所示，因此僅有表3上配合成立。15槽1分區(qū)的是對(duì)應(yīng)為16極和14極，在無(wú)刷電機(jī)中是非力偶電機(jī)，用這種極槽配合的電機(jī)定子不能通用成無(wú)刷電機(jī)，因此在該類型的電機(jī)中不宜采用。

表3 幾種槽極配合分區(qū)表

12槽4分區(qū)是16極或8極，CT值為4，大于39槽12極的CT值3的數(shù)值，因此不宜采用。因此只有12槽、18槽在2分區(qū)的極配合，其CT值都是2，與其采用18槽，還不如采用12槽。這樣12槽有12槽10極和12槽14極兩種極槽配合。幾種槽極配合的評(píng)價(jià)因子如表4所示。

表4 幾種槽極配合的評(píng)價(jià)因子

如果磁鋼都不偏心，兩種電機(jī)作比較，電機(jī)定子沖片轉(zhuǎn)子磁鋼相同，極數(shù)多的電機(jī)齒磁密要低。如果對(duì)電機(jī)沖片改進(jìn)，使齒變窄，齒磁密相同，槽面積增大了，線徑相應(yīng)增加到兩個(gè)電機(jī)槽滿率相同，電機(jī)電流密度下降，但電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩增加、效率增加、功率因數(shù)相同、最大轉(zhuǎn)矩下降。12槽10極、12槽14極電機(jī)槽的性能對(duì)比如表5所示。

表5 兩種電機(jī)槽、極配合不同的性能對(duì)比

由于考核的是齒槽轉(zhuǎn)矩，12槽14極的齒槽轉(zhuǎn)矩會(huì)加大，則把12槽14極配合去掉。12槽10極電機(jī)在保證平均轉(zhuǎn)矩的同時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小，具有顯著的性能優(yōu)勢(shì)。

這樣，12槽10極的電機(jī)運(yùn)行質(zhì)量特性會(huì)比39槽12極的要好，而且電機(jī)結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，可以作為優(yōu)化設(shè)計(jì)方案考慮。

2.1.4 定子斜槽和轉(zhuǎn)子直極錯(cuò)位

定子斜槽或轉(zhuǎn)子直極錯(cuò)位可有效削弱齒槽效應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的基波反電動(dòng)勢(shì)和平均轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生較大幅度下降，要得到同樣性能則電機(jī)體積增加。在有體積要求的電機(jī)設(shè)計(jì)中，盡量采用其他辦法削減電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩。本文選用12槽10極，齒槽轉(zhuǎn)矩不大，所以不采取定子斜槽，待電機(jī)樣機(jī)成品出來(lái)后，判斷是否還要采取措施。

2.1.5 定子開(kāi)輔助槽

本文選用了較好的12槽10極配合，電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩不大，不需要再進(jìn)行定子開(kāi)輔助槽。

2.1.6 電機(jī)單位體積的熱損耗及電機(jī)絕緣等級(jí)

按照科爾摩根電機(jī)的體積，對(duì)12槽10極方案進(jìn)行熱分析，電機(jī)繞組最高溫升為93.7 ℃，滿足H級(jí)絕緣等級(jí)的溫度要求，因此按科爾摩根電機(jī)體積計(jì)算，如表6所示。

表6 無(wú)刷電機(jī)的溫升計(jì)算

電機(jī)用H級(jí)絕緣等級(jí)，繞組溫升125 ℃，電機(jī)轉(zhuǎn)子用N38EH釹鐵硼，磁鋼牌號(hào)的最高工作溫度200 ℃。

2.1.7 電機(jī)參數(shù)和工作型式的確定

綜合考慮應(yīng)用環(huán)境、使用條件、性能、成本等多種因素，相關(guān)參數(shù)與材料的選擇如下，并按此進(jìn)行仿真分析：

1) 絕緣等級(jí)采用H 級(jí)絕緣，耐溫180 ℃以上；

2) 槽滿率：約65%，手工下線；

3) 槽絕緣厚度：0.2～0.25 mm；

4) 疊壓系數(shù)： 0.97；

5) 硅鋼片型號(hào)： DW300-35 硅鋼片；

6) 永磁體： N38EH，Br= 1.25 T，Hcb=915 kA/m；

7) 電機(jī)每側(cè)氣隙取0.5 mm(包括不銹鋼套厚0.18 mm)。

由于轉(zhuǎn)矩波動(dòng)要求很高，為額定轉(zhuǎn)矩的1%，如果用無(wú)刷電機(jī)，其轉(zhuǎn)矩波動(dòng)很大，大概超過(guò)了25%；而永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較小，設(shè)計(jì)好一些的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)可以達(dá)5%之內(nèi)，所以采用永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)。但電機(jī)要達(dá)到電機(jī)額定點(diǎn)的KT、KE數(shù)值，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速4 600 r/min,就需要弱磁控制。

2.2 無(wú)框永磁同步電機(jī)模塊建立

電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電機(jī)結(jié)構(gòu)

2.2.1 電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)分析

以科爾摩根電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)7.05 V/(kr·min-1)為準(zhǔn)，用磁鋼N38EH計(jì)算，圖3是電機(jī)機(jī)械特性曲線。

圖3 電機(jī)機(jī)械特性曲線

圖4是電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線。Erms=30.868.6 V,n=4 000 r/min。

圖4 電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線

XQ76A2-280電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)Ke計(jì)算如下：

比科爾摩根電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)略大。

2.2.2 電機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)計(jì)算

用戶要求轉(zhuǎn)矩靈敏度Kt≥0.13 N·m/A(rms)。

取自機(jī)械特性曲線的空載電流I0=1.384 8 A，均方根電流I=7.481 42 A，額定轉(zhuǎn)矩T=0.668 90 N·m，XQ76A2-280電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)Kt計(jì)算如下：

代入數(shù)據(jù)，得到Kt=0.126 N·m/A，比科爾摩根的轉(zhuǎn)矩常數(shù)0.117 N·m/A稍大。

2.2.3 無(wú)框永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)

可調(diào)速永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)：額定輸出功率P0=0.28 kW,額定電壓U=28.7 V,極數(shù)10，頻率f=333.333 Hz,摩擦損耗PF=14 W,繞組損耗為0，內(nèi)轉(zhuǎn)子三相，正弦波，工作溫度75℃。

定子數(shù)據(jù)：定子槽數(shù)12，定子外徑Φso=76 mm,定子內(nèi)徑Φsi=46 mm，定子槽型3。

2.2.4 電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和齒槽轉(zhuǎn)矩分析

12槽10極電機(jī)瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩曲線如圖5所示，其波形放大圖如圖6所示。

圖5 12槽10極電機(jī)瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩曲線

圖6 12槽10極電機(jī)瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩放大曲線

轉(zhuǎn)矩波動(dòng)：0.015 1/0.668 903=0.022 6(這里以峰-峰值計(jì)算)，雖不能達(dá)到1%的波動(dòng)要求，但轉(zhuǎn)矩波動(dòng)也足夠好了。

39槽12極電機(jī)瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩曲線如圖7所示，其波形放大圖如圖8所示。

圖7 39槽12極電機(jī)瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩曲線

圖8 39槽12極電機(jī)瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩放大曲線

轉(zhuǎn)矩波動(dòng)：0.099 68/0.668 903=0.144 66。

由此可看出，12槽10極的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)比39槽12極的好。

2.3 設(shè)計(jì)電機(jī)性能對(duì)比

按照要求，用ANSYS軟件設(shè)計(jì)了12槽10極的永磁同步電機(jī)和無(wú)刷電機(jī)，XQ76A2-280和科爾摩根TBM7615電機(jī)的性能和尺寸對(duì)比如表7所示，XQ76A2-280電機(jī)的結(jié)果達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

表7 電機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果與目標(biāo)的性能指標(biāo)及結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)比

通過(guò)該算例，說(shuō)明電機(jī)的四大要素對(duì)電機(jī)運(yùn)行機(jī)械特性和質(zhì)量特性有非常重要的制約作用?？刂坪驼_選擇電機(jī)的四大要素進(jìn)行目標(biāo)設(shè)計(jì)，對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)是非常重要的，是電機(jī)設(shè)計(jì)的一種好方法。

(全文完)