Skill: yongjie666888/motor-design-integration (version 1.0.0)

--- name: motor-design-integration description: 电机设计一体化工作流 | 串联极槽配合→磁路计算→Maxwell仿真→FOC参数配置全流程，输出完整设计报告。 --- # 电机设计一体化工作流 覆盖从需求规格到 FOC 驱动参数配置的完整电机设计流程，整合极槽配合计算、磁路估算、Maxwell 仿真方案、FOC 参数生成。 ## 设计流程总览 ``` 客户需求 ↓ [1] 需求分析 → 目标功率/转速/转矩/尺寸 ↓ [2] 极槽配合选型 → 确定 Q/2p/q/Kw ↓ [3] 磁路计算 → Bg/Φg/工作点/Ke/Kt ↓ [4] Maxwell 仿真 → 验证 Bg/T/损耗/温升 ↓ [5] 绕组详细设计 → Ns/线径/槽满率 ↓ [6] FOC 参数配置 → R/L/Ke/np/PI参数 ↓ 输出：完整设计报告 + FOC配置代码 ``` ## 第一步：需求分析与目标设定 ### 输入清单 | 参数 | 说明 | 示例 | |------|------|------| | 额定功率 P | W | 200 | | 额定转速 n | rpm | 3000 | | 额定转矩 T | Nm | 0.64 | | 额定电压 Vdc | V | 48 | | 额定电流 Idc | A | 5 | | 外径限制 D_max | mm | 60 | | 长度限制 L_max | mm | 80 | | 工作温度 T_max | ℃ | 85 | | 控制方式 | FOC/SVPWM/方波 | FOC | ### 派生目标计算 ```python # 转矩 → 功率 P = T * n * 2 * math.pi / 60 # W # 体积估算（经验公式） # P_out ≈ K * D² * L * n / 60 # K ≈ 0.3~0.5（电机常数，与效率和磁密相关） V_target = P / (0.4 * 3000 / 60) # 估算体积 cm³ # 外径 → 铁心长度（给定外径约束） D = min(D_max - 6, 54) # 扣除机壳厚度 L = V_target / (math.pi * (D/2)**2) ``` ## 第二步：极槽配合选型 ### 选型规则 | 规则 | 说明 | 依据 | |------|------|------| | q ≥ 1 | 每极每相至少1槽 | 避免分数槽过大漏磁 | | 槽数 Q ≥ 2p | 每极至少1槽 | 基本要求 | | Q/2p ≠ 整数 | 分数槽可降低齿槽转矩 | 经验 | | 极数选择 | 2极：高速；4极：中高；8极：低速大力矩 | 应用场景 | | 优先整数槽 | q=1, 2, 3... 漏磁小 | 工艺 | ### 典型极槽配合推荐 | 转速段 | 推荐极数 | 推荐槽数 | q值 | 特点 | |--------|---------|---------|-----|------| | >6000 rpm | 2极 | 12/18 | 2~3 | 端部短、高速好 | | 3000~6000 | 4极 | 24/36 | 2~3 | 平衡好 | | 1000~3000 | 6极 | 36/54 | 2~3 | 低转速 | | <1000 rpm | 8极 | 36/48/72 | 1.5~3 | 低速大力矩 | ### 极槽配合计算 ```javascript // 调用 motor-parameter-calculator const ps = calculatePoleSlot(poles=8, slots=36, phases=3); // 输出：q=1.5, Kw=0.933, y=15槽(短距93.8%) ``` ## 第三步：磁路初算 ### 初算输入 ```python params = { 'poles': 8, 'Q': 36, 'm': 3, 'L': 60, 'delta': 0.5, 'Di': 54, 'hm': 3, 'Br': 1.25, 'Hc': 955, 'bm': 17, 'Ns': 28, 'a': 2 } result = calculate_mec(**params) // 输出：Bg=0.78T, Bm/Br=62%, Ke=43V, Kt=0.163Nm/A ``` ### 验算检查清单 ``` □ 气隙磁密 Bg：0.7~1.0T 合理 □ 齿部磁密 Bt：<1.8T □ 轭部磁密 By：<1.6T □ Bm/Br > 55%：无退磁风险 □ Ke @ nr：< 0.9×Vdc（电压裕量） ``` ## 第四步：Maxwell 仿真方案 ### 仿真矩阵 | 仿真类型 | 目标 | 求解器 | 关键设置 | |---------|------|--------|---------| | 静磁场 | Bg/工作点 | Maxwell 2D Magnetostatic | 参数化 theta | | 瞬态（空载） | 反电动势/齿槽 | Maxwell 2D Transient | 0电流, 3000rpm | | 瞬态（额定） | 额定转矩/损耗 | Maxwell 2D Transient | Id=0, Iq=额定 | | 涡流场 | 高速损耗 | Maxwell 2D Eddy Current | 高速段 | ### 网格配置（8极36槽参考） ``` 气隙：0.08mm（最高优先） 永磁体：0.15mm 定子齿：0.2mm 定子轭：0.5mm 外空气包：2mm 预期单元数：5~15万 ``` ### 仿真结果提取项 ``` 1. 气隙磁密 Bg(theta) → 傅里叶分解 → 谐波含量 2. 反电动势 E(theta) → 有效值/THD 3. 齿槽转矩 T_cog → 峰值/周期 4. 额定转矩 T_avg → vs 估算值对比 5. 铁损 P_fe → 频率分布 6. 铜损 P_cu → I²R ``` ## 第五步：绕组详细设计 ### 线规选择 ```python # 槽满率约束 slot_area = 槽宽 × 槽深 # mm² slot_fill = 0.5 # 目标槽满率50% usable_area = slot_area * slot_fill # 选定导线 # 每槽导体数 Ns = 28（示例） # 单匝截面积 ≈ usable_area / Ns area_per_turn = usable_area / Ns # mm² d_wire = 2 * math.sqrt(area_per_turn / math.pi) # mm # 选标准AWG线规：AWG18 (0.823mm²) 或 AWG20 (0.518mm²) ``` ### 端部尺寸估算 ```python # 端部伸出长度（经验） L_end = 0.3 * tau + 10 # mm # 绕组总长度 ≈ 2*L + 2*L_end ``` ## 第六步：FOC 参数配置 ### 参数汇总表 ``` 【电机参数卡】 型号：___________ 极对数 np = ___ 额定电压 Vdc = ___ V 额定电流 Idc = ___ A 额定转速 nr = ___ rpm 额定转矩 T_rated = ___ Nm 【电参数 @ 20℃】 相电阻 R = ___ Ω d轴电感 Ld = ___ mH q轴电感 Lq = ___ mH 反电动势常数 Ke = ___ V/(rad/s) 磁链常数 Ψm = ___ Wb 转矩常数 Kt = ___ Nm/A 【温度修正】(铜 +0.4%/℃) R_75℃ = R × 1.22 = ___ Ω 【控制器参数】 电流环带宽 ≈ R/L × 0.5 = ___ Hz 速度环带宽 ≈ 电流环带宽 / 10 = ___ Hz ``` ### FOC配置代码（STM32 / Arduino） 详见 `foc-parameter-identifier` 技能的 `references/foc_platform_examples.md` ## 设计报告输出模板 ```markdown # 电机设计报告 ## 1. 设计输入 | 参数 | 目标值 | 说明 | |------|--------|------| | 额定功率 | 200W | | | 额定转速 | 3000rpm | | | 额定转矩 | 0.64Nm | | | 母线电压 | DC48V | | | 外径限制 | ≤60mm | | ## 2. 极槽配合方案 - 极数：8极（2p=8） - 槽数：36槽（Q=36） - 每极每相槽数：q=1.5（分数槽集中绕组） - 绕组系数：Kw=0.933 - 节距：y=15槽（5/6短距） ## 3. 主要尺寸 | 尺寸 | 数值 | 说明 | |------|------|------| | 定子外径 | 58mm | | | 定子内径 | 54mm | | | 铁心长度 | 60mm | | | 气隙长度 | 0.5mm | | | 永磁体厚度 | 3mm | N42SH | ## 4. 磁路计算结果 | 参数 | 计算值 | 目标 | 状态 | |------|--------|------|------| | 气隙磁密 Bg | 0.78T | 0.7~0.9T | ✅ | | 工作点 Bm/Br | 62% | >55% | ✅ | | 反电动势 Ke | 43V | <43V | ✅ | | 转矩常数 Kt | 0.163Nm/A | - | 参考 | ## 5. Maxwell 仿真结果 | 仿真项 | 仿真值 | 目标 | 状态 | |--------|--------|------|------| | Bg | 0.81T | 0.7~0.9T | ✅ | | 齿槽转矩 | 0.02Nm | <0.05Nm | ✅ | | 额定转矩 | 0.68Nm | >0.64Nm | ✅ | | 铁损@50Hz | 8.5W | - | 参考 | ## 6. FOC 参数配置 - R = 0.52Ω @ 20℃（75℃修正后 0.63Ω） - L = 5.6mH - Ke = 0.082V/(rad/s) - 电流环带宽 ≈ 93Hz - 速度环带宽 ≈ 9.3Hz ## 7. 结论 设计满足目标要求，可进入详细设计阶段。 ```


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