基于Ansys 的三相永磁無刷直流電機設(shè)計

陳治宇，田燕飛，陳風(fēng)凱，何建源

(1 廣東工業(yè)大學(xué)，廣東廣州510006;2 葦源電機有限公司，廣東佛山528300)

0 引言

永磁無刷直流電機具有結(jié)構(gòu)簡單、輸出轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬、效率高、噪聲低、可靠性高、使用壽命長、無滑動接觸和換相火花等優(yōu)點。現(xiàn)已發(fā)展為集特種電機、微處理器，控制軟件和硬件等于一體的機電一體化的高科技產(chǎn)品［1］。

近年來，隨著三相永磁無刷直流電機應(yīng)用的電壓及功率范圍的擴大，在交流供電的家用電器中的應(yīng)用已經(jīng)越來越受到人們的關(guān)注。為了滿足家用電器的新需求，對三相永磁無刷直流電機的尺寸、齒槽轉(zhuǎn)矩、電磁噪聲、運行性能等提出了新的要求。因此，合理的電機設(shè)計對較高電壓或較大功率的三相永磁無刷直流電機有重要的意義。本文以設(shè)計的一款150W 8p 600r/min 的三相永磁無刷直流電機為實例，利用Maxwell 2D 建立了這款電機的二維有限元仿真模型，給出電機反電勢、氣隙磁密和電磁場的分布情況，分析齒槽轉(zhuǎn)矩、輸出轉(zhuǎn)矩，計算空載永磁體磁場諧波等。并在此基礎(chǔ)上試制了樣機，完成了有關(guān)性能的測試，驗證了電磁設(shè)計和仿真分析的正確性，為三相永磁無刷直流電機的分析與設(shè)計提供了參考。

1 三相永磁無刷直流電機電磁設(shè)計

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

本方案電機的主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

1.2 電機主要尺寸的確定

電動機的主要尺寸和計算功率、轉(zhuǎn)速、電磁負荷有關(guān)［2］

式中，Di1—定子內(nèi)徑;L—鐵心長度;nN—額定轉(zhuǎn)速，取600r/min;αi—極 弧 系 數(shù)，取0.7 ～0.8;P—計算功率，取P=(1.1 ～1.2)×PN;Kφ—氣隙磁場的波形系數(shù)，為正弦分布時Kφ=1.11;KW—基波繞組系數(shù)，本電磁方案用集中繞組，KW=0.86;A—電負荷，取A=160A/cm;Bδ—氣隙磁密平均值，永磁材料為鐵氧體，取Bδ=0.39T。綜合考慮現(xiàn)有的電機外殼尺寸，本設(shè)計方案取Di1=85mm，L =40mm。

1.3 電機永磁材料的選取

永磁體材料的性能在一定程度上決定著電機的尺寸和性能。目前，永磁無刷直流電機上應(yīng)用的磁性材料主要是鐵氧體和釹鐵硼。

(1)鐵氧體的矯頑力溫度系數(shù)為0.27%/K，在允許范圍內(nèi)溫度越高，矯頑力越高;釹鐵硼矯頑力溫度系數(shù)為-(0.4-0.7)%/K，通常最高工作溫度為150℃，溫度穩(wěn)定性能比鐵氧體差［3］。

(2)釹鐵硼是目前磁性能最強的永磁材料，其最大磁能積為鐵氧體永磁材料的5-12 倍［3］。因此，在相同尺寸下能提供更大的氣隙磁通和輸出轉(zhuǎn)矩。但是，目前釹鐵硼價格遠遠高于鐵氧體，是鐵氧體價格的6-7 倍。

(3)對三相永磁無刷直流電機，通過增加磁鐵的厚度和供磁面積，可以有效增大氣隙磁通。鐵氧體磁負荷較低，以至電機的齒槽轉(zhuǎn)矩和輸出轉(zhuǎn)矩波動也較小，能減小噪聲。

綜合技術(shù)要求和材料成本，在電機尺寸允許的情況下，本設(shè)計選擇鐵氧體作為磁性材料。

1.4 永磁體厚度的選取

永磁體的厚度hm的計算公式如下［3］

式中，Ks—外磁路的飽和系數(shù);Kδ—氣隙系數(shù);Bδ—氣隙磁密;δ—平均氣隙長度;μ0—真空磁導(dǎo)率;Hc—內(nèi)稟矯頑力。

永磁體厚度需綜合電機性能與成本，按需要的氣隙磁通密度通過磁路計算來選擇。磁鋼有個最佳厚度，當電動機極數(shù)為2 ～8，氣隙長度/磁鋼外徑=0.024 ～0.072 時，內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁體磁內(nèi)徑/外徑=0.85 ～0.9 之間時最佳［4］。

1.5 電樞沖片的設(shè)計

1.5.1 電樞槽數(shù)的確定

在永磁無刷直流電機中，采用較多槽數(shù)可減少線圈匝數(shù)，也有利于換向，但槽絕緣增加，槽利用率降低，可能造成根部過窄。槽數(shù)Q 通常按以下經(jīng)驗公式確定，其中Da為電樞直徑

1.5.2 電樞的結(jié)構(gòu)

電機的長徑比λ=Lef/Da的選擇對電機的性能和經(jīng)濟性有很大影響。主要因素包括參數(shù)、溫升、轉(zhuǎn)動慣量、耗銅量和轉(zhuǎn)子機械強度等［5］。

短軸長徑的電樞結(jié)構(gòu)，比細長型結(jié)構(gòu)的電動機更容易下線，有利于提高生產(chǎn)效率。同時，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量較大，能避免因電機的轉(zhuǎn)矩強迫振蕩頻率與電機的固有頻率接近而產(chǎn)生共振，還可以限制負載時功率振蕩的幅值。因此，本文設(shè)計的三相永磁無刷直流電機采用短軸長徑的電樞結(jié)構(gòu)。

2 設(shè)計流程

電機設(shè)計流程包括主要尺寸和長徑比的確定、永磁體形狀的選擇、軛高和齒寬的計算等。通過對電機參數(shù)的計算、校驗，最終確定電機各個部分的尺寸［6］。設(shè)計流程如圖1 所示。

圖1 設(shè)計流程圖

3 樣機設(shè)計方案

本文設(shè)計的三相永磁無刷直流電機主要參數(shù)如表2 所示。

表2 電機主要參數(shù)表

利用電磁場有限元分析軟件Ansys 中的Maxwell 2D 建立三相永磁無刷直流電機的二維有限元模型如圖2 所示。

圖2 電機二維模型

4 基于有限元法的分析與計算

4.1 樣機反電勢

仿真得到樣機的反電勢波形為如圖3 所示的非平頂波。無刷直流電機的繞組存在一定的電感，導(dǎo)致電流不能快速變化，一般情況下電機的反電動勢只是接近梯形［4］。

圖3 反電勢波形

4.2 氣隙磁密

圖4 氣隙磁密波形圖

利用Maxwell 2D 靜磁場求解，得到樣機的氣隙磁密波形如圖4 所示。從圖4 可以求得靜磁場氣隙最大磁密Bδmax=0.363T，平均氣隙磁密Bδavg=0.256T。

4.3 磁場分布

基于有限元的基本原理計算了電機的空載磁場，并得到負載磁場分布圖如圖5、圖6 所示。

圖5 電機磁力線分布圖

圖6 電機磁密云分布圖

從圖5 可以看出電機主磁通從轉(zhuǎn)子磁極出發(fā)，經(jīng)過氣隙、定子齒部和軛部，最后回到轉(zhuǎn)子磁極和定子繞組交鏈參與機電能量轉(zhuǎn)換，而漏磁通不參與機電能量轉(zhuǎn)換。

4.4 輸出轉(zhuǎn)矩的計算

輸出轉(zhuǎn)矩對傳動軸載荷的確定和控制、傳動系統(tǒng)工作零件強度的設(shè)計以及原動機容量的選擇等具有重要意義。本文設(shè)計的樣機用于抽水冷風(fēng)機上(如圖7 所示)，經(jīng)計算其輸出轉(zhuǎn)矩的平均值為1.43N·m。

圖7 電機電磁轉(zhuǎn)矩

4.5 齒槽轉(zhuǎn)矩的分析

在Maxwell 2D 中計算后得到齒槽轉(zhuǎn)矩如圖10 所示，齒槽轉(zhuǎn)矩的變化范圍為-23.82mN·m ～23.15mN·m。

圖8 電機齒槽轉(zhuǎn)矩

在永磁無刷直流電機中，永磁體與有槽電樞相互作用產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩波動引起電機振動，產(chǎn)生噪聲。

5 樣機制作與試驗驗證

根據(jù)上述參數(shù)制作了樣機，如圖9 所示。

圖9 樣機定轉(zhuǎn)子圖

給電機施加 160V 直流電壓，轉(zhuǎn)速調(diào)到600r/min，用測功機對樣機進行測試。Maxwell 2D 有限元分析的仿真值與樣機測試值進行比較，如表3 所示。

表3 仿真值和測試值

以上Maxwell 2D 有限元分析軟件計算的仿真值與樣機實測值比較接近，誤差都在6%以內(nèi)，驗證了本電機設(shè)計方案的合理性和可行性。

6 結(jié)語

本文利用Ansys/Maxwell 軟件設(shè)計了一款150W 8p 600r/min 的三相永磁無刷直流電機，建立了該電機的二維仿真模型，并對其相關(guān)性能進行2D 有限元分析計算以及樣機的實驗驗證。該電機目前已成功應(yīng)用于一款家用設(shè)備中，并且批量生產(chǎn)，節(jié)能效果明顯，受到市場的認可和好評。

［1］ 李軍麗.風(fēng)機用單、三相永磁無刷直流電動機及其控制技術(shù)［D］.上海:上海交通大學(xué)，2010.

［2］ 陳世坤.電機設(shè)計［M］.機械工業(yè)出版社，2000.

［3］ 王秀和.永磁電機［M］.中國電力出版社，2007.

［4］ 譚建成.永磁無刷直流電機技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2010.

［5］ 張潔瓊.風(fēng)機用單相無刷直流電動機設(shè)計［J］.微特電機，2011，39(4):4-7.

［6］ 薛劭申，沈圍.定子槽數(shù)和氣隙長度對高速永磁無刷電動機性能的影響［J］.微特電機，2011，39(7):21-24.