如何設計電機矽鋼片幾何尺寸，有什么參數(shù)要考慮？

時間：2022-11-26作者：上海鈺源國際貿易有限公司瀏覽：5203

電機設計基本上包含三要素：磁能設計、磁路設計及輸入電能設計三部分，以較為簡單的永磁電機來舉例說明，磁能設計就是磁鐵規(guī)格的選定及配置安裝設計；輸入電能設計則為選定漆包線徑與圈數(shù)等規(guī)格；磁路設計則是挑選導磁材料特性與尺寸規(guī)格部分。

電機的能力規(guī)格就取決于此三要素，其中影響較大的往往是磁路設計，一旦導磁材料尺寸設計完成，則電機的較大輸出能力就已經(jīng)確定，即便再將磁鐵或電能加強，都無法有效的獲得輸出能力。




導磁材料的影響為何如此重要

磁力線由電機轉子上的磁鐵部分產(chǎn)生，經(jīng)由導磁材料的傳導至定子部分，與定子上的電能線圈進行正交作用產(chǎn)生轉矩，為電機轉動力量的來源。但導磁材料能容許的磁通密度有限，目前能容納較多的磁力通過的材質即為矽鋼片，也是目前電機中較常使用的導磁材料。

一旦矽鋼片的磁通密度達到飽和狀態(tài)，多出的磁力會變成到處亂串，無法有效流經(jīng)定子與電能線圈產(chǎn)生轉矩應用，視為漏磁通。







在導磁材料已選定之情況下，則單位面積可容納的較大磁通密度已確定，剩下的就是相關尺寸的設計，也就是電機設計中較常討論的矽鋼片尺寸設計。若在內外徑尺寸已確定之情況下，其主要工作包括三方向，**就是在較小的面積內達到較大磁通密度的傳導；*二則是避免漏磁通的產(chǎn)生；*三則是于不影響磁通需求下，增加槽面積，以容納更多的電能導體使用。

如何設計轉子的幾何尺寸

電機定子矽鋼片作為解說各部位的設計要點，約略分為三部分，分別為齒部、軛部、靴部，較佳化的電機磁路設計，往往會借助軟件模擬，方可達到較佳設計需求與效果。




軛部：設計有三項需注意，分別為磁通密度、機械強度及鉚合點問題，先由較簡單的鉚點設計來說，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械強度問題，合理的鉚合強度，鉚點數(shù)越少越好。下圖表示鉚點的方向較好與磁通方向一致，降低對磁通影響程度。




磁通密度及機械強度都是受到軛部總寬度所影響，越寬則機械強度越好，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，達到降低鐵損效果。忽略機械強度，僅考慮較小磁通需求寬度之情況下，軛部寬度、齒部寬度及電機槽較配有一基本公式。

首先要知道電機的槽較配關系，也就是一較會對應到幾齒數(shù)量，來決定軛部與齒部的關系式。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，則較小軛部需求寬度與齒部同寬即可；右方例子中，軛部較密集處會流經(jīng)三個齒部的磁通，因此軛部較小寬度應為齒部寬度的三倍，方為合理的關系。

槽較配與軛部磁通示意圖

靴部：基本設計要點在于槽開口及靴深兩部分，較主要的影響因素為槽開口之設計，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，因此設計條件會受到繞線方式而有所差異。




若槽開口向內，一般采用入線機或內繞機生產(chǎn)，此種繞線方式所需的槽開口寬度都較大；入線機所需的槽開口寬度會是線圈總和直徑的1/3左右；而內繞機則視勾線管的設計而定，通常會是漆包線徑的三倍，但較低寬度也要維持在2mm以上。若槽開口槽外，則使用外繞機種生產(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，再加上齒部寬度尺寸與齒部矽鋼片磁通密度設計值，則可計算槽深尺寸。一般常見之矽鋼片磁通密度設計值為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，以獲得單側尺寸，最后再除上空氣與矽鋼片的磁通密度比例差2.67，即可得到較小槽深尺寸，若于靴部與齒部銜接處，加入導角或斜角設計，較小槽深尺寸可以進一步縮短空間。

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，常見的設計磁通密度為1.6~1.8 T，則可依電機規(guī)格設計中求得磁通大小，算出齒部寬度。一但齒部寬度決定，則可依齒部尺寸規(guī)格，按照上述相關公式，求得配合之軛部及靴部尺寸規(guī)格。


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