對(duì)永磁無(wú)刷直流電機(jī)的研究

楊杰城

（湖北省孝感高級(jí)中學(xué)，湖北孝感　432100）

?

對(duì)永磁無(wú)刷直流電機(jī)的研究

楊杰城

（湖北省孝感高級(jí)中學(xué)，湖北孝感432100）

摘要：隨著我國(guó)科技不斷發(fā)展，永磁無(wú)刷直流電機(jī)已成為電力電子一體化高科技產(chǎn)品，憑借其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、效率高，在航天、醫(yī)學(xué)、家用民用產(chǎn)品制作中得到廣泛應(yīng)用。文章對(duì)永磁無(wú)刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)、控制以及建模方法進(jìn)行分析，展現(xiàn)其對(duì)生產(chǎn)起到的重要作用。

關(guān)鍵詞：永磁無(wú)刷；直流電機(jī)；應(yīng)用研究

永磁無(wú)刷直流電機(jī)在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，通過研究其運(yùn)行原理、設(shè)計(jì)以及應(yīng)用，能夠使人們認(rèn)識(shí)并掌握永磁無(wú)刷直流電機(jī)的運(yùn)行規(guī)律與特點(diǎn)，為各領(lǐng)域建設(shè)生產(chǎn)提供支持。

1　無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)與工作特性

（1）無(wú)刷直流電機(jī)基本結(jié)構(gòu)。無(wú)刷直流電機(jī)由電機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置、傳感器以及電子轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成。電機(jī)本體結(jié)構(gòu)與永磁同步電機(jī)有類似之處，能夠?qū)崿F(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，在整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)中起關(guān)鍵作用。位置傳感器主要功能是對(duì)轉(zhuǎn)子磁極位置進(jìn)行檢測(cè)，還能將其作為機(jī)械轉(zhuǎn)相部件使用，傳感器輸入的信號(hào)需經(jīng)過邏輯單元的處理，此過程會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的信號(hào)，接收到信號(hào)驅(qū)動(dòng)控制電路功率被觸發(fā)，直流轉(zhuǎn)換為了機(jī)械能，輸出轉(zhuǎn)矩將運(yùn)行可靠性增強(qiáng)。

（2）無(wú)刷直流電機(jī)工作原理。無(wú)刷直流電機(jī)本體結(jié)構(gòu)與永磁同步電機(jī)相似，定子繞組單相結(jié)構(gòu)，也有三相結(jié)構(gòu)。電樞繞組使用星形與三角連接，而電子轉(zhuǎn)相電路則分為橋式與非橋式兩種。

（3）無(wú)刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型。假設(shè)電機(jī)特性如下：電機(jī)磁路飽和，渦流效應(yīng)忽略不計(jì)，出現(xiàn)磁帶損耗與電樞反應(yīng)；忽略齒槽轉(zhuǎn)矩的影響；將電路功率器件作為最有效的器件。如果上述假設(shè)成立，定子每組繞組電壓組成都有電阻降壓與繞組的電勢(shì)，電壓平衡方程為：

在上述公式中，定子各相的反電動(dòng)勢(shì)分別為ea、eb、ec；定子各相電流分別為ia、ib、ic；定子各相電壓分別為Ua、Ub、Uc；而定子各相繞組電感則分別表示為L(zhǎng)a、Lb、Lc；如果無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子是永磁體，假設(shè)三相繞組是對(duì)稱存在的，將磁阻間的影響忽略，得出繞組互感常數(shù)，La=Lb=Lc=Ls，Ra、Rb、Rc=R，最終公式為：

2　永磁無(wú)刷直流電機(jī)的設(shè)計(jì)

（1）磁路法。磁路法基本設(shè)計(jì)原理為：永磁電機(jī)內(nèi)部有很多形式的三維交變電磁場(chǎng)，在空間內(nèi)還存在分布不均勻的磁場(chǎng)，這些磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為多種磁路段，每段磁路都沿著截面均勻分布，使磁路計(jì)算轉(zhuǎn)化出來(lái)。磁路法計(jì)算需對(duì)系數(shù)進(jìn)行修正，按照生產(chǎn)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)使設(shè)計(jì)精度達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)需求。各類電機(jī)磁路都是由永磁體、軟磁材料、工作氣隙組成。其中，提供磁勢(shì)的永磁體，經(jīng)過軟磁材料時(shí)，將使磁勢(shì)降低并產(chǎn)生很多損耗；氣隙也是一個(gè)重要組成，電機(jī)尺寸、性能決定了氣隙磁通量，也是重要參數(shù)。永磁無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)行過程中，磁勢(shì)與磁通處于不斷變化當(dāng)中，但直接計(jì)算較難可以將永磁體作為一個(gè)恒磁動(dòng)勢(shì)Fc、恒定內(nèi)磁導(dǎo)Λ0與磁通源相互串聯(lián)。

（2）電機(jī)設(shè)計(jì)。電機(jī)設(shè)計(jì)涉及內(nèi)容較多，需綜合考慮機(jī)械、力學(xué)、電磁學(xué)等內(nèi)容，對(duì)理想方案反復(fù)修正。永磁無(wú)刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)需要選擇正確的材料，將電機(jī)各部分尺寸確定下來(lái)，了解其工作性能，從而獲取最佳經(jīng)濟(jì)效益。先將主要尺寸確定下來(lái)，主要指電樞鐵心直徑與長(zhǎng)度。還要將電機(jī)定子內(nèi)徑Da以及定子鐵心長(zhǎng)度Ia確定下來(lái)。電機(jī)尺寸能夠影響到外形特征與生產(chǎn)成本，同時(shí)也影響著運(yùn)行可靠性與工作特性，由此需對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)充分考慮。確定電機(jī)尺寸以后就可以確定其他定子尺寸，將電機(jī)功率與轉(zhuǎn)速確定下來(lái)以后能夠計(jì)算電機(jī)尺寸，公式如下：

此外，還要確定定子結(jié)構(gòu)，無(wú)刷直流電機(jī)定子槽型與普通的電機(jī)基本相同，有梨形槽、梯形槽、半梨形槽以及圓形槽等。

3　永磁無(wú)刷直流電機(jī)的電磁分析

（1）有限元法。有限元法的基本原理是使用加權(quán)余量法與變分原理法，將連續(xù)系統(tǒng)的離散數(shù)量變得有限，并且分割出相互不干擾的子域單元，各個(gè)單元之間在確保數(shù)目相同的基礎(chǔ)上連接指定點(diǎn)。在每一個(gè)單元中選擇出一個(gè)準(zhǔn)確節(jié)點(diǎn)，將其作為函數(shù)求解值，將其引入邊界條件中。每一個(gè)單元內(nèi)用分片表示區(qū)域未知變量，將求解方程組建立起來(lái)，再使用數(shù)值法求得最終結(jié)果。有限元分析軟件Ansoft較為常用，尤其適用在低頻場(chǎng)合，比如，航天、汽車、機(jī)電等領(lǐng)域。基于Maxwell微分方程，使用限元離散法將計(jì)算準(zhǔn)確性提高，減少了運(yùn)行時(shí)間。可以建立有限元分析幾何模型，對(duì)磁路進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，對(duì)電磁參數(shù)進(jìn)行觀察，將參數(shù)是否合理判斷出來(lái)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)性能改善的目的。

（2）永磁無(wú)刷直流電機(jī)建模。Ansoft還能進(jìn)行電子線路仿真處理，使電磁分析更加方便。建模主要體現(xiàn)在以下三種形式：手動(dòng)在Ansoft中的2D、3D中建立模型，使用Raster Graphics技術(shù)畫線與圓弧，生成一個(gè)閉合區(qū)域，對(duì)該區(qū)域復(fù)制、旋轉(zhuǎn)得到實(shí)體結(jié)構(gòu)；使用Ansoft中的Rmxprt模塊將電機(jī)類型確定下來(lái)，輸入設(shè)計(jì)參數(shù)，自動(dòng)生成一個(gè)2D/3D模型圖；使用其他構(gòu)圖軟件，比如，AutoCAD將模型建立起來(lái)，能對(duì)文件導(dǎo)入與導(dǎo)出，還有Iges、Pro/E等。選擇以上適合的方法先將本體模型建立起來(lái)，將Ansoft中的2D模塊導(dǎo)入，得到1/2模型，對(duì)參數(shù)進(jìn)行定義，建立起幾何模型后，則要進(jìn)行材料分配與邊界定義，再對(duì)得到的模型網(wǎng)絡(luò)剖分并對(duì)參數(shù)求解，可使用2D求解器，速度更快、資源浪費(fèi)少，仿真結(jié)果易于得到。材料分配可從Ansoft材料庫(kù)中找到，是自帶材料庫(kù)的2D與3D有限元計(jì)算材料庫(kù)，還可以使用Rmxprt材料庫(kù)。如果是本電機(jī)定轉(zhuǎn)子材料設(shè)置為DW432- 40，永磁材料設(shè)置為NdFe20，繞組材料設(shè)置為Copper、背景設(shè)置為Vacuum。通過以上限元法原理、步驟特點(diǎn)的介紹，在此基礎(chǔ)上分析永磁直流電機(jī)靜態(tài)特性，分析仿真效果。從創(chuàng)建幾何模型、定義材料、分配材料、加載激勵(lì)源定位邊界得到處理結(jié)果，最終證明電機(jī)運(yùn)行是穩(wěn)定可靠的，性能良好。

4　結(jié)語(yǔ)

本文主要對(duì)永磁無(wú)刷直流電機(jī)工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了介紹，并分析了永磁無(wú)刷直流電機(jī)的電磁，論述了直流電機(jī)建模方法，表現(xiàn)永磁無(wú)刷直流電機(jī)在各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，必須加強(qiáng)對(duì)其的研究與分析，為各項(xiàng)生產(chǎn)提供支持。

The Study of Permanent Magnet Brushless DC Motor

YANG Jie-cheng
（Hubei Xiaogan High School，Xiaogan，Hubei 432100，China）

Abstract:With the continuous development of science and technology in our country，permanent magnet brushless dc motor has become power and electricity integration high -tech products.With its simple structure，reliable operation，high efficiency，it has been widely used in the aerospace，medical，household production.In this paper，the design，control，and modeling methods of permanent magnet brushless dc motor are analyzed.

Key words:permanent magnet brushless；dc motor；application research

作者簡(jiǎn)介：楊杰城（1997-），男，湖北孝感人，主要研究方向：電工技術(shù)。

收稿日期：2016-01-10

中圖分類號(hào)：TM33

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-980X（2016）02-0045-02