无刷电机设计基本上包含三要素:磁能设计、磁路设计及输入电能设计三部分,以较为简单的永磁无刷无刷电机来举例说明,磁能设计就是磁铁规格的选定及配置安装设计;输入电能设计则为选定漆包线径与圈数等规格;磁路设计则是挑选导磁材料特性与尺寸规格部分。
无刷无刷的能力规格就取决于此三要素,其中影响大的往往是磁路设计,一旦导磁材料尺寸设计完成,则无刷无刷电机的大输出能力就已经确定,即便再将磁铁或电能加强,都无法有效的获得输出能力。
如何设计转子的几何尺寸无刷电机定子矽钢片作为解说各部位的设计要点,约略分为三部分,分別为齿部、轭部、靴部,佳化的无刷无刷电机磁路设计,往往会借助软件模拟,方可达到佳设计需求与效果。
轭部:设计有三项需注意,无刷电机分別为磁通密度、机械强度及铆合点问题,先由简单的铆点设计来说,基本上要先考量矽钢片堆叠后的重量来决定铆点数量,过多的铆点数会影响磁力通过及机械强度问題,合理的铆合强度,铆点数越少越好。下图表示铆点的方向好与磁通方向一致,降低对磁通影响程度。
磁通密度及机械强度都是受到轭部总宽度所影响,越宽则机械强度越好,可避免因矽钢片受磁力影响变形所产生的震动噪音;同时避免磁力过度饱和的情況,达到降低铁損效果。忽略机械强度,仅考虑小磁通需求宽度之情況下,轭部宽度、齿部宽度及无刷电机槽极配有一基本公式。首先要知道无刷电机的槽极配关系,也就是一极会对应到几齿数量,来决定轭部与齿部的关系式。以下图为例,则左方定子轭部会流经的磁通与单一齿部的一致,则小轭部需求宽度与齿部同宽即可;右方例子中,轭部密集处会流经三个齿部的磁通,因此轭部小宽度应为齿部宽度的三倍,方为合理的关系。
靴部:基本设计要点在于槽开口及靴深两部分,主要的影响因素为槽开口之设计,槽开口的要求其实是越小越好,有利于吸收磁铁所产生的磁力,但过小亦会产生漏磁现象。槽开口主要会受到绕线的需求影响,而不得不绕大,因此设计条件会受到绕线方式而有所差异。
若槽开口向內,一般采用入线机或內绕机生产,此种绕线方式所需的槽开口宽度都较大;入线机所需的槽开口宽度会是线圈总和直径的1/3左右;而內绕机则视勾线管的设计而定,通常会是漆包线径的三倍,但低宽度也要维持在2mm以上。若槽开口槽外,则使用外绕机种生产,则槽开口维持线径之1.6倍以上即可。
槽开口尺寸决定后,槽宽就为已知,再加上无刷电机齿部宽度尺寸与齿部矽钢片磁通密度设计值,则可计算槽深尺寸。一般常見之矽钢片磁通密度设计值为1.6T(特斯拉:表示单位面积流经的磁力),而空气的磁通密度为0.6T,其中差了2.67倍;则槽宽减去齿宽后,再除上2,以获得单侧尺寸,后再除上空气与矽钢片的磁通密度比例差2.67,即可得到小槽深尺寸,若于靴部与齿部衔接处,加入导角或斜角设计,小槽深尺寸可以进一步缩短空間。
齿部:基本上希望越小越好,换取更多的绕线空间,但主要受限于矽钢片可容纳的饱和磁通密度而订,常见的设计磁通密度为1.6~1.8 T,则可依无刷电机规格设计中求得磁通大小,算出齿部宽度。一但齿部宽度决定,则可依齿部尺寸规格,按照上述相关公式,求得配合之轭部及靴部尺寸规格。
结论矽钢片于无刷电机中实为导磁材料应用,因此主要用途为磁力的传导,因此在设计上应先著中于各部位磁力传导的容量是否充足,避免因单一部位设计不良产生饱和,而其余位置则太过空裕的情況产生,造成不必要的浪費。实际无刷无刷电机设计中,需要考虑其他参数,如槽滿率、磁力强度及气隙大小等关系。