無刷電機(jī)設(shè)計基本上包含三要素:磁能設(shè)計、磁路設(shè)計及輸入電能設(shè)計三部分,以較為簡單的永磁無刷無刷電機(jī)來舉例說明,磁能設(shè)計就是磁鐵規(guī)格的選定及配置安裝設(shè)計;輸入電能設(shè)計則為選定漆包線徑與圈數(shù)等規(guī)格;磁路設(shè)計則是挑選導(dǎo)磁材料特性與尺寸規(guī)格部分。
無刷無刷的能力規(guī)格就取決于此三要素,其中影響大的往往是磁路設(shè)計,一旦導(dǎo)磁材料尺寸設(shè)計完成,則無刷無刷電機(jī)的大輸出能力就已經(jīng)確定,即便再將磁鐵或電能加強(qiáng),都無法有效的獲得輸出能力。
如何設(shè)計轉(zhuǎn)子的幾何尺寸無刷電機(jī)定子矽鋼片作為解說各部位的設(shè)計要點,約略分為三部分,分別為齒部、軛部、靴部,佳化的無刷無刷電機(jī)磁路設(shè)計,往往會借助軟件模擬,方可達(dá)到佳設(shè)計需求與效果。
軛部:設(shè)計有三項需注意,無刷電機(jī)分別為磁通密度、機(jī)械強(qiáng)度及鉚合點問題,先由簡單的鉚點設(shè)計來說,基本上要先考量矽鋼片堆疊后的重量來決定鉚點數(shù)量,過多的鉚點數(shù)會影響磁力通過及機(jī)械強(qiáng)度問題,合理的鉚合強(qiáng)度,鉚點數(shù)越少越好。下圖表示鉚點的方向好與磁通方向一致,降低對磁通影響程度。
磁通密度及機(jī)械強(qiáng)度都是受到軛部總寬度所影響,越寬則機(jī)械強(qiáng)度越好,可避免因矽鋼片受磁力影響變形所產(chǎn)生的震動噪音;同時避免磁力過度飽和的情況,達(dá)到降低鐵損效果。忽略機(jī)械強(qiáng)度,僅考慮小磁通需求寬度之情況下,軛部寬度、齒部寬度及無刷電機(jī)槽極配有一基本公式。首先要知道無刷電機(jī)的槽極配關(guān)系,也就是一極會對應(yīng)到幾齒數(shù)量,來決定軛部與齒部的關(guān)系式。以下圖為例,則左方定子軛部會流經(jīng)的磁通與單一齒部的一致,則小軛部需求寬度與齒部同寬即可;右方例子中,軛部密集處會流經(jīng)三個齒部的磁通,因此軛部小寬度應(yīng)為齒部寬度的三倍,方為合理的關(guān)系。
靴部:基本設(shè)計要點在于槽開口及靴深兩部分,主要的影響因素為槽開口之設(shè)計,槽開口的要求其實是越小越好,有利于吸收磁鐵所產(chǎn)生的磁力,但過小亦會產(chǎn)生漏磁現(xiàn)象。槽開口主要會受到繞線的需求影響,而不得不繞大,因此設(shè)計條件會受到繞線方式而有所差異。
若槽開口向內(nèi),一般采用入線機(jī)或內(nèi)繞機(jī)生產(chǎn),此種繞線方式所需的槽開口寬度都較大;入線機(jī)所需的槽開口寬度會是線圈總和直徑的1/3左右;而內(nèi)繞機(jī)則視勾線管的設(shè)計而定,通常會是漆包線徑的三倍,但低寬度也要維持在2mm以上。若槽開口槽外,則使用外繞機(jī)種生產(chǎn),則槽開口維持線徑之1.6倍以上即可。
槽開口尺寸決定后,槽寬就為已知,再加上無刷電機(jī)齒部寬度尺寸與齒部矽鋼片磁通密度設(shè)計值,則可計算槽深尺寸。一般常見之矽鋼片磁通密度設(shè)計值為1.6T(特斯拉:表示單位面積流經(jīng)的磁力),而空氣的磁通密度為0.6T,其中差了2.67倍;則槽寬減去齒寬后,再除上2,以獲得單側(cè)尺寸,后再除上空氣與矽鋼片的磁通密度比例差2.67,即可得到小槽深尺寸,若于靴部與齒部銜接處,加入導(dǎo)角或斜角設(shè)計,小槽深尺寸可以進(jìn)一步縮短空間。
齒部:基本上希望越小越好,換取更多的繞線空間,但主要受限于矽鋼片可容納的飽和磁通密度而訂,常見的設(shè)計磁通密度為1.6~1.8 T,則可依無刷電機(jī)規(guī)格設(shè)計中求得磁通大小,算出齒部寬度。一但齒部寬度決定,則可依齒部尺寸規(guī)格,按照上述相關(guān)公式,求得配合之軛部及靴部尺寸規(guī)格。
結(jié)論矽鋼片于無刷電機(jī)中實為導(dǎo)磁材料應(yīng)用,因此主要用途為磁力的傳導(dǎo),因此在設(shè)計上應(yīng)先著中于各部位磁力傳導(dǎo)的容量是否充足,避免因單一部位設(shè)計不良產(chǎn)生飽和,而其余位置則太過空裕的情況產(chǎn)生,造成不必要的浪費。實際無刷無刷電機(jī)設(shè)計中,需要考慮其他參數(shù),如槽滿率、磁力強(qiáng)度及氣隙大小等關(guān)系。