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如何設計電機矽鋼片幾何尺寸,有什么參數要考慮?

老趙說制造2020-12-25
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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等規格;磁路設計則是挑選導磁材料特性與尺寸規格部分。


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

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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生,經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,目前能容納最多的磁力通過的材質即為矽鋼片,也是目前電機中最常使用的導磁材料。
一旦矽鋼片的磁通密度達到飽和狀態,多出的磁力會變成到處亂串,無法有效流經定子與電能線圈產生轉矩應用,視為漏磁通。

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電機內部磁路示意圖


在導磁材料已選定之情況下,則單位面積可容納的最大磁通密度已確定,剩下的就是相關尺寸的設計,也就是電機設計中最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,第一就是在最小的面積內達到最大磁通密度的傳導;第二則是避免漏磁通的產生;第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,最佳化的電機磁路設計,往往會借助軟件模擬,方可達到最佳設計需求與效果。

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定子矽鋼片各部分示意圖

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,先由最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量,過多的鉚點數會影響磁力通過及機械強度問題,合理的鉚合強度,鉚點數越少越好。下圖表示鉚點的方向最好與磁通方向一致,降低對磁通影響程度。

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鉚點方向設計示意圖
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,僅考慮最小磁通需求寬度之情況下,軛部寬度、齒部寬度及電機槽極配有一基本公式。
首先要知道電機的槽極配關系,也就是一極會對應到幾齒數量,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的磁通與單一齒部的一致,則最小軛部需求寬度與齒部同寬即可;右方例子中,軛部最密集處會流經三個齒部的磁通,因此軛部最小寬度應為齒部寬度的三倍,方為合理的關系。

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槽極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,最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生的磁力,但過小亦會產生漏磁現象。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。

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靴部相關名詞示意圖
若槽開口向內,一般采用入線機或內繞機生產,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,但最低寬度也要維持在2mm以上。若槽開口槽外,則使用外繞機種生產,則槽開口維持線徑之1.6倍以上即可。

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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,即可得到最小槽深尺寸,若于靴部與齒部銜接處,加入導角或斜角設計,最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,則可依齒部尺寸規格,按照上述相關公式,求得配合之軛部及靴部尺寸規格。
結論
矽鋼片于電機中實為導磁材料應用,因此主要用途為磁力的傳導,因此在設計上應先著中于各部位磁力傳導的容量是否充足,避免因單一部位設計不良產生飽和,而其余位置則太過空裕的情況產生,造成不必要的浪費。實際電機設計中,需要考慮其他參數,如槽滿率、磁力強度及氣隙大小等關系。


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