张震坚
稻津电机（珠海）有限公司
摘要：电机是一种非常常用的机械配件，在各种机械产品中有着非常广泛的应用。随着技术的不断发展，我国在电机的机械结构研发和设计方面有着巨大的突破。本文主要围绕电机相关的技术要点、目前国内电机设计中存在的不足进行分析，探讨完善电机机械结构研发和设计的有效途径，为我国的电机研发领域提供丰富的理论基础，从而推动机械设计行业不断向前发展。
关键词：电机；结构；研发；设计
一、电机机械结构设计的技术要点
通常情况下，电机在设计的过程中，主要有电磁和结构两个设计板块。电磁的设计目前已经比较成熟完善，但是结构方面还有很多技术领域需要突破。电机的零部件在运行的过程中一旦出现了问题，不仅会导致电机无法正常运转，并且会造成一系列的损失和影响，因此，优化电机的机械结构有着非常重要的现实意义。电机在设计过程中，会因为结构和零部件需要反复的调试，因此在实际设计中，需要提高设计方案的精度，缩短研发周期。
电机的机械结构设计是一个非常复杂的过程，其中包括了强耦合、多变量、非线性等要素，研发人员要在设计过程中，明确电机的设计方向，把控设计流程，利用计算机辅助软件，提高设计的精度。
永磁无刷直流电机是最典型的电机一体化产品，它由电机、位置传感器和控制器三部分组成。在电机的运行过程中，直流电源通过线路给电机供能，同时位置传感器进行电信号和位置信号的处理，根据电机的设计结构，实现电机的更换方向。
直流电机的绕组安装在定子上，转子是永磁体。很多传统电机绕组安装在转子上，是利用电刷来实现换向的。直流电机通常由后端盖、引线、换向电路、外壳、绕组、轴承、垫圈、弹簧、磁钢、外转子、电机轴、前端盖组成。其中定子的铁芯是用硅钢片制成，小型电机的一般采用的是梨形槽定子，可以在电机的运行过程中减少铁芯的磨损和齿轮的损耗。由于直流电机本质上是永磁同步电机，因此，磁场的来源是转子上的永磁体。转子分为内转子和外转子两个种类，由于内转子惯性较小，输出力矩较低，并且霍尔效应位置精确，有着良好的机械性能，因此，在工业生产中大多使用的是内转子。电机的转子在满足基本的转速需要外，还应当具有良好的性能，在整体的运行过程中保持稳定，因此在电机设计之前要充分进行稳定性分析、临界转速计算和不平衡响应评估。稳定性主要是根据轴承的机械性能来分析的。
二、目前电机研发和设计中存在的不足
（一）相关技术不成熟
很多性能要求较高的电机设计十分复杂，其中需要物理学和其他学科的先进技术作为支撑，根据电机的电磁尝转子动力、温度尝应力场等物理学计算方法来分析，由于很多技术尚不成熟，因此很多高性能的电机无法实现量产。电机的轴承目前通常采用的是滚珠轴承，虽然有良好的机械性能，但是不能承受过高的转速，而充油轴承虽然能够承受较高的转速，但是会出现漏油等问题，磁悬浮轴承因为成本较高，也没有广泛的应用。轴承技术的不完善，成为了电机设计的最大障碍。
（二）电机耐久度需要提高
定转子损耗的理论分析、计算方法以及实验验证等方面有待进一步研究; 大功率高速永磁电机多采用风冷和水冷相结合的冷却方式，冷却结构复杂，冷却效果有限。永磁体抗拉强度低、耐温能力差制约着高速永磁电机向超高速和大功率方向发展，研发更高抗拉强度和更高耐温水平的永磁材料对高速电机的发展具有重要意义。常规叠片转子不能承受较大的离心力，实心转子存在较大的涡流损耗，需要对新型高强度转子叠片材料和结构进行深入研究。
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（三）检测系统薄弱
大功率高速电机功率变换系统、控制系统与控制策略、实时监测系统的研发还很薄弱; 大功率高速电机的转子动力学设计技术有待完善; 高速电机的加工工艺复杂，距离产业化的要求还很远。
三、电机机械结构研发和设计思路
由于磁钢内部的磁场和电机的磁钢分布比较复杂，因此，在设计电机的过程中，往往会存在较大的误差，设计人员通常采用试探法进行电机的研发和设计工作，根据电机的参数计算结果，并结合经验数据，可以大致确定的电机内部的零件位置，并根据实际的运行效果，不断改良设计方案。
（一）确定电机的主要尺寸
电机的尺寸和电机的电磁功率有着重要的联系，因此，在设计电机之前，需要确定电机的主要尺寸。电机主要尺寸D和L与电磁功率P有密切的关系，功率相同的电机，转速越高，电机尺寸越小；转速相同的电机，功率越大，电机尺寸越大。在材料和电机温度允许的情况下，B和 A 选的越大，则电机尺寸越校根据经验公式，以及考虑布线方便，槽口宽b 在 2.5~4.0mm 之间，在保证布线和机械加工的便利性两种情况下，b 值应该尽可能取小；槽口宽度h 应在0.5~2.0mm 之间。对无间断运行的直流电机，一般根据如下的取值范围选取负荷
A =(30~100)A/cm(微型电动机)
A=(100~300)A/cm(小型电动机)
电机发热因子 AJ 决定了电枢绕组的发热状态，因此A和J的大小受电机的温度制约，对B级绝缘体的微型永磁直流电机，通常采用AJ=（1000~1400）A/cm*A/mm2,J=(4.5~8)A/mm2。
（二）定子结构的设计。
根据电机的设计需要，一般设计为2极或4极，在2极电机的结构中，定子电流和铁芯中磁场的交变频率比较低，这在一定程度上降低了配件的损耗，但是2极电机的定子绕组通常比较长，会影响到电机的整体尺寸，而4极电机的绕组比较短，但是产生的交变频率较高。因此，要根据实际的电机尺寸需要，选择适当的极数。定子的有无槽、少槽和多槽三种样式，无槽能够减小转子涡流损耗，少槽对转子涡流的损耗较大，多槽定子不仅能够提高材料的利用率，同时可以有效控制转子的涡流损耗。定子的绕组也是需要提前考虑的问题，由于传统的定子绕组端部比较长，在一定程度上降低了转子系统的刚度，环型绕组结构可以缩短端部长度，但是安装工艺比较复杂，精度也难以保证。
（四）轴承的设计
电机能够平稳运行，基本取决与轴承的结构和性能。目前我国的轴承主要分为滚珠轴承、空气轴承、充油轴承和磁悬浮轴承。通常情况下，为了保证电机的稳定输出，会选择滚珠轴承和磁悬浮轴承。其中磁悬浮轴承能够进行精确的控制，在电机的转速范围之内，调节轴系的结构，从而控制轴承的动态性能，并且磁悬浮轴承因为轴系之间没有接触，不需要填充润滑油，因此有着很长的使用寿命，保证电机运行的耐久度。
四、结语
电机的机械结构研发和设计是一个非常复杂的过程，其中涉及到的技术较多，为了有效的提升电机的机械性能，使电机能够在负载范围内进行平稳运行，并保证电机的使用寿命，研发人员应当优化设计方案，提高电机设计的精准度。电机在设计之前需要根据电机的用途和实际需要，确定电机的主要尺寸，计算其中的磁感参数，并且关于电机的定子和轴承等核心配件，一定要根据实际用途和成本预算，选择合适的方案，在设计过程中不断调试和完善，使得电机能够满足生产化的需要。
参考文献：
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[3] 柴海波. 电机设计与优化CAD系统研究与实现[D]. 武汉: 华中科技大学,2012.
论文作者:张震坚
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第12期
论文发表时间:2019/9/19
标签：电机论文; 转子论文; 永磁论文; 定子论文; 轴承论文; 结构论文; 绕组论文; 《中国西部科技》2019年第12期论文;