关于外转子无刷电机电磁设计案例的详细说明

一款10000r/min、100W、3极的外转子无刷电机为实例，给出电机的反电势、气隙磁密和电磁场的分布情况，分析齿槽转矩、输出转矩，计算空载永磁体磁场谐波等，并在词寄出上试制了样机，完成了有关性能的测试，验证了电磁设计和仿真分析的正确性，为采用外转子无刷电机进行了节能节电的分析与设计提供一些有意义的参考。

1. 2外转子无刷电机的主要尺寸确定

电机的主要尺寸和计算功率、转速、电磁负荷有光

其中，Di为定子内径，L为铁芯长度nN为额定转速，ai为极弧系数，取0.7~0.8；P为计算功率，取P=(1.1~1.2)ＸPn;K 为气隙磁场的波形系数，为正弦分布时Kφ=1.11;KW为基波绕组 系数，本电磁方案用集中绕组

1.3外转子无刷电机永磁材料的选取

永磁体材质的性能在一定的程度上决定着电机的尺寸和性能，目前，永磁无刷电机的应用上的磁性材质主要是铁氧体和钕铁硼

（1） 铁氧体的矫顽力温度系数为0.27%/K,在允许范围温度越高，矫顽里越高；钕铁硼矫顽力温度系数-（0.4~0.7）%/K，通常高工作温度为150℃，温度 稳定性能比铁氧体差

（2） 钕铁硼是目前磁性能强的用词材料，其大的磁能积为铁氧体永磁材质的5~12倍。因此，在相同的尺寸下能提供更大的气隙磁通和输出转矩。但是目前钕铁硼价格远远高于铁氧铁，同等重量下的钕铁硼价格是铁氧体价格的6~7陪

（3） 对三相永磁无刷直流电机，通过增加磁铁的厚度和供磁面积，可以有效增加气隙磁通。铁氧铁磁负荷教低，以至电机的齿槽转矩和输出转矩波动也较小，能减少噪音。

综合技术要求和材质，本设计选择钕铁硼作为磁性材料

1.4永磁体厚度的选取

永磁体的厚度hm的计算公式如下：

式中：Ks为外磁路的饱和系数；Kδ为气隙系数；Bδ为气隙磁密； δ为平均气隙长度；μo为真空磁导率；Hc为内禀矫玩力。永磁体厚度需综合电力性能与成本，按需要的气隙磁通密度通过磁路计算来选择。磁钢外径≈0.024~0.072时，内转子结构的永磁体内径/外径=0.85~0.9之间佳

1.5电枢冲片的设计

1.5.1电枢槽书的确定

在永磁无刷直流电机中，采用较多的槽数可减少线圈匝数，也有利于换向，但槽绝缘增加，槽利用率降低，可能造成根部过窄。槽数Q通常按以下经验公司确定，其中Dα为电枢直径：

1.5.2电枢的结构

外转子无刷电机的长径比的选择对电机的性能和经济性有很大的影响。主要因素包括参数、温升、转动惯量、耗铜量和转子机械强度等。短轴长径的电枢结构，比细长性的结构电动机更容易下线，有利于提供生产效率。同时 ，转子的转动惯量较大，能避免因电机的转矩强迫振荡频率与电机的固有频率接近而产生共振，还可以限制负载时功率震动的幅值。因此，本文设计的三相永磁无刷直流电机采用短轴长径的电枢结构。

2. 设计流程

外转子无刷电机设计流程包括主要尺寸的确定、长径比的确定、永磁体的形状选择、轭高和齿宽的计算等。通过对电机的参数计算、校验，确定电机各个部分的尺寸分析。
       fqj