永磁电机槽极配合及实用设计

1.永磁电机应用十分广泛，几乎遍及航空航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域，例如用于现在大火的新能源汽车领域。
2.本书是一本实用的电机设计工程书，从工程设计角度出发，介绍永磁电机的槽极配合及提高电机运行质量的实用设计方法和设计技巧。
3.书中包含大量典型的永磁电机设计实例，实例均源于作者的工作实践，具有极强的参考价值，能够帮助设计人员快速及高质量地完成设计方案。
4.书中介绍的设计方法和技巧通俗易懂，富有新意，没有晦涩的内容与语言，有些内容是传统的电机设计著作中所没有提及和分析过的，体现了作者多年的实际工作经验和研究成果。

永磁电机是应用非常广泛的电机。特别是无刷电机和永磁同步电机兴起后，其广泛用于各个行业，并逐步替代一些交流、直流、串励、步进电机。《永磁电机槽极配合及实用设计》是一本实用的电机设计工程书，着重介绍了永磁电机运行质量与电机槽极配合的内在关系、设计要素和设计准则、设计思考方法，并对电机设计时涉及槽极配合的各种参数进行了深入分析和讲解。书中包含大量典型的永磁电机设计实例，实例均源于作者的工作实践，从多方面讲述如何确保各种不同的永磁电机的运行质量，用不同的方法、从不同的设计角度进行分析、判断，以帮助设计人员快速及高质量地完成设计方案。
《永磁电机槽极配合及实用设计》从生产实践出发，提出确保永磁电机运行质量的理论和实用设计方法，对即将从事或正在从事与永磁电机有关的研发、设计、生产、控制和应用的技术人员、管理人员，以及高等院校电机相关专业教师、学生会有很大的帮助。

邱国平，是全国重大科研项目主要负责人，曾获“江苏省科技先进工作者”称号、全国科学大会奖。长期从事光机电仪器及电机设计、制造和理论研究工作，设计过直流电机、交流电机、齿轮电机、步进电机、无刷电机、永磁同步电机等各种类型的电机。对电机设计理论有独特见解，并提出了电机的目标设计方法。在国际和国内发表过多篇电机学术论文，出版电机著作3部。

前言
第1章　永磁电机槽极配合与电机性能1
1.1　电机运行的质量特性1
1.2　电机结构与槽极配合3
1.3　电机槽极配合与电机性能、工艺的关系4
1.4　电机槽极配合对电机主要参数的影响4
第2章　永磁电机槽极配合与绕组6
2.1　电机槽极配合6
2.2　电机绕组形式7
2.2.1　单节距绕组7
2.2.2　多节距绕组8
2.2.3　整数槽绕组和分数槽绕组8
2.3　电机绕组的分布形式11
2.3.1　单层绕组和双层绕组11
2.3.2　槽极配合的分布12
2.4　电机绕组的显极与庶极16
2.4.1　绕组显极和庶极的名称由来16
2.4.2　显极与庶极的绕组排列18
2.4.3　显极与庶极的特点18
2.4.4　显极与庶极的绕组接法19
2.5　电机的节距和极距20
2.5.1　节距和极距定义20
2.5.2　单层绕组的节距20
2.5.3　双层绕组的节距22
2.5.4　单层和双层绕组的应用23
2.6　电机绕组的分区23
2.6.1　绕组分区简介23
2.6.2　分区中的绕组分布25
2.6.3　分区绕组的特点26
2.6.4　对称分区绕组与非对称分区绕组的概念27
2.7　分数槽集中绕组的对称与非对称28
2.8　电机槽极配合与电机磁路的关系30
2.9　少极电机的槽数37
2.9.1　电机转速与电机极数的关系37
2.9.2　少极电机的槽极比38
2.10　电机绕组排列42
2.10.1　电势星形法绕组排列设计42
2.10.2　绕组形式的分类43
2.10.3　大节距整数槽绕组排列和接线44
2.10.4　分数槽集中绕组排列和接线47
2.10.5　分数槽集中绕组排列简图画法49
2.11　电机设计软件中的绕组排列51
第3章　永磁电机槽极配合与运行和质量特性56
3.1　电机运行特性56
3.1.1　电机运行的机械特性56
3.1.2　电机运行的质量特性57
3.2　槽极配合与齿槽转矩58
3.2.1　槽极配合与齿槽转矩简介58
3.2.2　齿槽转矩的波形58
3.2.3　齿槽转矩的计算60
3.2.4　齿槽转矩的容忍度61
3.2.5　齿槽转矩的计算精度62
3.2.6　齿槽转矩峰值的概念64
3.2.7　齿槽转矩的评价因子65
3.2.8　齿槽转矩的圆心角69
3.2.9　定子斜槽70
3.2.10　转子分段直极错位72
3.2.11　转子分段直极错位的形式75
3.2.12　齿槽转矩波形的对称度76
3.2.13　齿槽转矩单峰波形的对称度79
3.2.14　波形的对称度对直极错位段数的影响79
3.2.15　转子直极错位的分段选取法86
3.3　影响电机齿槽转矩的主要因素87
3.3.1　槽极配合与齿槽转矩的关系87
3.3.2　电机结构与齿槽转矩的关系101
3.3.3　磁钢极弧系数对齿槽转矩的影响102
3.3.4　定子槽口对齿槽转矩的影响112
3.3.5　磁钢凸极对齿槽转矩的影响115
3.4　槽极配合的转矩波动130
3.4.1　转矩波动的概念130
3.4.2　转矩波动大小的定义130
3.4.3　转矩波动大小的容许值132
3.4.4　斜槽、转子分段直极错位的转矩波动132
3.4.5　齿槽转矩周期数与转矩波动的关系 135
3.4.6　转矩波动波形136
3.4.7　转矩波动波形与电机的多种因素138
3.4.8　齿槽转矩不等于转矩波动141
3.4.9　齿槽转矩和转矩波动的一些分析142
3.4.10　转子直极错位与电机转矩波动145
3.4.11　兼顾齿槽转矩和转矩波动的方法154
3.5　槽极配合与感应电动势154
3.5.1　电机的感应电动势154
3.5.2　电机感应电动势的求取154
3.5.3　电机感应电动势波形讨论159
3.5.4　电机的空载与负载的感应电动势 164
3.5.5　电机槽极配合的圆心角θ对感应电动势的影响164
3.5.6　感应电动势的设置技术166
3.5.7　测试电机感应电动势控制电机的性能166
3.6　槽极配合的电机谐波166
3.6.1　谐波的基本介绍166
3.6.2　用MotorSolve软件求取谐波的方法167
3.6.3　电机评价因子与电机谐波的关系168
3.6.4　削弱电机高次谐波的方法168
3.7　槽极配合对电机最大输出功率的影响169
3.7.1　电机槽极比与最大输出功率倍数的关系169
3.7.2　槽数相同，极数减少，最大输出功率增加169
3.7.3　极数确定，槽数增加，最大输出功率增加170
3.8　评价因子、圆心角与电机大小无关171
第4章　电机绕组系数和转矩的计算172
4.1　电机绕组系数计算172
4.1.1　电机绕组系数的概念172
4.1.2　分数槽集中绕组的绕组系数174
4.1.3　大节距绕组的绕组系数191
4.1.4　单节距电机的绕组系数207
4.2　电机转矩的计算212
4.2.1　永磁同步电机的内功率因数角212
4.2.2　内功率因数角γ求取方法一213
4.2.3　内功率因数角γ求取方法二214
4.2.4　电机转矩和转矩波动的求取214
4.2.5　MotorSolve 2D转矩曲线分析222
4.2.6　Motor-CAD 2D转矩曲线分析224
4.2.7　电机实例计算227
4.2.8　电机软件计算230
4.2.9　转矩角、内功率因数角导入2D计算的误差分析与修正方法237
第5章　永磁电机结构设计方法与技巧246
5.1　电机结构的主要参数和设计方法 246
5.1.1　电机设计分析的方法介绍246
5.1.2　电机的测评247
5.1.3　电机的改制250
5.1.4　电机系列设计251
5.1.5　有参照电机的全新设计255
5.1.6　没有参照电机的全新设计257
5.2　电机的软件快速设计265
5.3　永磁无刷电机简捷设计步骤（采用RMxprt软件）292
5.4　永磁同步电机简捷设计步骤（采用RMxprt软件）296
第6章　永磁电机槽极配合的设计应用299
6.1　少槽电机槽极配合的设计 299
6.1.1　单节距少槽电机299
6.1.2　大节距少极电机323
6.2　DDR力矩电机槽极配合的设计331
6.2.1　DDR电机槽极配合的设计思想分析331
6.2.2　24槽不同极数的槽极配合的分析332
6.2.3　48槽不同极数的槽极配合的分析337
6.2.4　DDR电机实例设计与分析339
6.3　无框力矩电机槽极配合的设计349
6.3.1　无框电机设计指标350
6.3.2　电机形式的判定351
6.3.3　电机结构尺寸的分析352
6.3.4　科尔摩根TBM7615-A样机的分析354
6.3.5　设计要点354
6.3.6　材料与参数的确定355
6.3.7　电机槽极配合的分析355
6.3.8　TWO-76D2-280电机设计思路356
6.3.9　电机槽极配合的选取357
6.3.10　定子斜槽359
6.3.11　定子开辅助槽359
6.3.12　热分析及电机绝缘等级359
6.3.13　无框永磁同步电机设计思路360
6.3.14　无框永磁同步电机模块建立360
6.3.15　无框永磁同步电机设计计算书360
6.3.16　电机反电动势分析363
6.3.17　电机转矩常数计算365
6.3.18　无框永磁同步电机转矩波动和齿槽转矩分析365
6.3.19　无框永磁同步电机性能图表和2D分析图表及分析368
6.3.20　设计电机性能对比370
6.3.21　无框电机槽极配合的设计小结371
6.4　电动车电机槽极配合的设计372
6.4.1　电动汽车电机的槽极配合372
6.4.2　电动汽车电机的槽极比373
6.4.3　槽极配合在电动汽车电机中的应用374
6.4.4　槽极配合在电动汽车电机上的应用分析375
6.4.5　电动汽车电机设计分析之一388
6.4.6　电动汽车电机设计分析之二403
6.5　特殊槽极配合电机的设计409
6.5.1　5.5kW 27槽8极电机分析410
6.5.2　24槽8极和27槽8极电机的性能分析设计410
6.5.3　12槽10极5.5kW电机设计示例418
6.6　主轴电机槽极配合的设计425
6.6.1　主轴电机概述425
6.6.2　主轴电机的分类426
6.6.3　伺服电机与主轴电机的区别427
6.6.4　主轴电机的形状428
6.6.5　主轴电机的冷却方式428
6.6.6　电主轴电机的应用429
6.6.7　主轴电机的结构430
6.6.8　主轴电机的转动惯量433
6.6.9　主轴电机的槽极配合434
6.6.10　主轴电机性能与负载和工作状态分析436
6.6.11　主轴电机的参数436
6.6.12　主轴电机的编码器437
6.6.13　主轴电机的工作频率439
6.6.14　主轴电机的设计一439
6.6.15　主轴电机的设计二446
6.6.16　主轴电机的设计三455
6.6.17　主轴电机的设计四463
6.6.18　主轴电机的设计五469
6.6.19　主轴电机的设计六472
6.6.20　主轴电机的设计七485
6.6.21　交流主轴电机实例分析505
6.6.22　感应少槽少极电机的分析516
参考文献523

永磁电机是电机中的重要类型，特别是永磁无刷电机和永磁同步电机在各个行业中得到了广泛应用，由于永磁无刷电机、永磁同步电机（均为无刷电机）在运行和伺服性能上具有更多优点，逐步替代了部分交流感应电机、直流电机、步进电机等，从而将工业自动化进程推向了一个新的高度。
这些年，许多电机专家和技术工作者对永磁无刷电机的运行原理、控制技术、生产工艺进行了不懈的努力和研究，使这类电机的生产和应用得到蓬勃发展。永磁无刷电机成为非常热门的一种新兴电机，在国防军事、科学研究、通信制造、汽车工业、医疗器械、计算机、办公自动化、工业机床加工、纺织、电动车、工业自动化控制等领域得到了广泛应用。
电机质量的好坏不仅依靠电机的机械特性，在满足了一定的机械特性后，决定电机质量好坏的还有电机的运行特性。犹如两辆汽车在同样时速下行驶，一辆汽车在行驶过程中非常平稳，噪声非常小，而另一辆汽车在行驶中振动非常大，噪声也很大，行驶不平稳，因此这两辆汽车的行驶性能是有差别的，其差别不是在汽车的行驶车速上，而是在汽车的行驶质量上。
电机的运行质量特性是电机的内特性，是由电机的某些重要因素控制的。电机的运行质量特性包括齿槽转矩、转矩波动、谐波、感应电动势和波形、最大输出功率、噪声和振动等。
许多电机工作者致力于改善电机的运行质量特性，但如何去研究、解决电机的运行质量特性的系统论述不多见，对电机运行质量的目标设计和设计方法的论著更少。
有些电机工作者在设计电机结构时不知道如何使电机的运行质量得到提高。只有在选定了电机的结构后，通过电机设计软件去分析某些电机的运行质量特性并尽力去改善电机的运行质量。但是一台电机的结构确定后，其基本的齿槽转矩、转矩波动、谐波等已经形成，不会因修改某些电机参数使电机的运行质量得到很大的改善。由于永磁无刷电机的生产需要，如何很好、快速、简捷地设计一台较完美的永磁无刷电机对于企业的电机设计工作者来讲尤为重要。
作者在多年的电机设计和生产实践中花了较大的精力对永磁电机进行了大量的研究。在设计电机时，对于电机的机械特性，只要抓住电机的N、Φ两大要素，控制住电机的KT和KE，电机的运行机械性能就能得到控制。而只要适当选定电机的槽Z、极p配合，抓住电机的Z、p两大要素，那么就能基本控制住电机的运行质量特性。在这个基础上，再进行电机结构和其他参数的设计，这样设计出的电机运行质量会很好，也不需要采用许多额外措施去改善电机的运行质量。只要控制好N、Φ、Z、p四大要素，就抓住了电机设计的要点，它们也是电机设计取得成功的关键所在。
作者提出电机的槽极配合与电机的运行质量有着内在的主要关联。电机的槽极配合是影响电机运行质量的主要矛盾，提出了电机运行质量的槽极配合之间关系的一些理论联系，提高电机运行质量的公式、关系、方法和手段、判断依据、一系列的有效改善措施，从而使电机设计工作者在电机设计之初就可以选用运行质量较佳的槽极配合，然后再进行电机结构、磁路方面的设计，最终实现电机运行质量的目标设计，少走弯路。利用这些观点和方法在电机设计中能明显改善和提高电机的运行质量。
《永磁电机槽极配合及实用设计》是一本实用的电机设计工程书，从工程设计角度出发，介绍永磁电机的槽极配合及提高电机运行质量的实用设计方法和设计技巧。对永磁电机的槽、极、绕组进行了详细的讨论和分析，介绍了改善永磁电机运行质量的设计要素和设计准则，研究和讨论了永磁电机设计时考虑电机运行质量所必须涉及的槽极配合选用问题，其中包括电机运行特性的介绍，电机运行质量特性与槽极配合的关系，绕组分布、排列、绕组系数的计算，电机齿槽转矩、转矩波动与槽极配合的关系和应用，电机运行质量参数的分析与计算，电机的评价因子和圆心角与电机运行质量的关系及其选用方法，电机的目标设计及槽极配合，提出了多个新观点和新方法。
《永磁电机槽极配合及实用设计》用较多的篇幅介绍了如何选用、判断电机槽极配合及其对电机运行质量的影响的设计实例，涵盖了永磁电机的多种应用行业，转速从数百转每分钟至数万转每分钟，功率从数十瓦至数十千瓦，这些设计实例内容丰富、翔实，是永磁电机运行质量设计方法的经验之谈，通过实例讲解，读者可以很快理解电机槽极配合对电机运行质量的重要影响，并能获得许多实用设计方法，体会电机设计的奥妙之处。
《永磁电机槽极配合及实用设计》是一本永磁电机设计指导参考书，站在电机设计者的角度，从解决永磁电机、改善电机运行质量的快速设计实际出发，介绍的设计方法和技巧通俗易懂，富有新意，没有晦涩的内容与语言，有些内容是传统的电机设计著作中所没有提及和分析过的，体现了作者多年的实际工作经验和研究成果。这对即将从事或正在从事永磁电机开发、生产的应用人员以及大专院校师生从事电机设计工作会有很大帮助，能使设计工作者从新角度去认识和提高电机设计能力和水平，达到能够“实战”、少走弯路的目的。读者阅读本书后，会觉得永磁电机的运行质量的设计不是一种“高、大、上”的高深理论和技术，而仅是一种技巧和方法，设计一个运行质量良好的永磁电机方案将不是一件很困难的事，具有高中以上文化程度的读者就可以用较短的时间，快捷、方便、独立地设计出具有较完美运行质量的永磁电机。
《永磁电机槽极配合及实用设计》仅是作者对永磁电机运行质量设计经历、主观认识的阐述，人对世界的认识是有限的，作者对电机的认识不过是沧海一粟，许多认识具有局限性、片面性，故而本书只是起到抛砖引玉的作用，错误和不当之处敬请读者和同行批评指正。如果读者能够用作者介绍的理论、经验、方法去分析和设计出运行质量较完美的永磁电机，作者就觉得无限宽慰了。
在《永磁电机槽极配合及实用设计》的写作过程中，得到了江苏旭泉电机股份有限公司的全力支持，以及苏州绿的谐波传动科技股份有限公司、江苏开璇智能科技有限公司、江苏翰琪电机股份有限公司、常州御马精密科技（江苏）股份有限公司、常州蓓斯特宝马电机有限公司、常州富山智能科技有限公司、绍兴市上虞恒华电机有限公司等厂家和许多同行、专家的大力支持和鼓励，在此表示诚挚的感谢。
本书由哈尔滨工业大学李铁才教授、南京大学黄润生教授、上海交通大学姜淑忠教授主审，王增元教授、张建生教授对本书进行了技术性审核和指导。感谢谭洪涛、郑江、丁力、曹扬、周运建、吕智、李敏、肖雄厚对本书出版所提供的大量技术支持和帮助；感谢刘婧燕对本书图表绘制所做的工作。

主编　邱国平
2024.3于常州