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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

來源：老趙說制造