在上一节中,我们讨论了电机输出扭矩与转子外径(气隙直径)和铁芯长度(气隙)之间的关系。仅根据上一节的内容,我们似乎可以得出这样的结论:转子半径越小,其扭矩密度越大。但在实际生产中,有的电机比较细长,有的电机又短又粗。它的设计不是纤薄的。下面,我们就来了解一下。
除了转子之外,电机还有一个定子,而转子并不是一个完整的圆形,而是一个镶嵌有永磁体的圆环,如图1所示。实际设计时也必须考虑到这两部分。接下来,考虑这两部分对原始模型进行修改。
图1 永磁电机结构图
从图1可以看出,整个电机的内外径尺寸主要由定子外径、气隙长度、永磁体厚度、转子内径决定。为了简化附图,将定子齿和定子磁轭组合在一起。我们粗略估计一下电机各部分的尺寸。
首先我们从外到内理清电机结构各部分的功能。第一个是定子磁轭,它起到桥梁的作用,用于传导磁通;定子齿:为了放置定子绕组,在定子铁心内侧开槽,形成定子齿,也用于传导磁通;气隙:用于分隔定子和转子传递磁通;永磁体:作为磁源,提供磁通量;最后是转子磁轭(转子铁芯):用于传输磁通,作用与定子磁轭相同,作为固定永磁体的支撑。除永磁体外,所有结构均用于传导磁通量,如图2所示。
图2 磁路图
从图中可以看出,相邻的两个磁极各提供一极下一半的磁通量,形成串联磁路,且提供的磁通量不重叠。因此,定转子磁轭传输的最大磁通量大约为半个永磁体提供的磁通量,大约为半个极距提供的磁通量。
通常,定子和转子磁轭处的磁密度大约是气隙磁密度的两倍。因此,定子磁轭的厚度约为极距(对应于一极的气隙的周向长度R/p)的1/4,即0.25。定子铁心也有定子齿,可粗略估计为0.3。忽略永磁体和气隙。
那么整个电机的有效外径为(2R+0.6R/p),内径为(2R-0.5R/p)。接下来,计算实际扭矩密度。
给定电机的扭矩Tc 是一个常数。电机的极对数为p,气隙半径为R。
利用Matlab对数据进行处理,得到电机功率密度、气隙直径和极对数之间的关系,如图3所示。
图3 电机功率密度与气隙直径的关系
从图3可以得出以下结论:
(1)在相同极对数下,电机的有效扭矩密度随着电机气隙直径的增大而增大。
(2)在相同气隙直径下,电机的有效扭矩密度随着电机极对数的增加而增加。
(3)对于极对数较多的电机,随着气隙直径的增加,扭矩密度比极对数较少的电机增加得更快。