電子鎖驅動用0.2Nm低速無刷直流電動機電磁設計

李籽劍 ，易　棟

(1.廣西大學 電氣工程學院，廣西　南寧　530004；2.恒隆企業集團研究院，湖北　荊州　434000)

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電子鎖驅動用0.2Nm低速無刷直流電動機電磁設計

李籽劍1，易棟2

(1.廣西大學 電氣工程學院，廣西南寧530004；2.恒隆企業集團研究院，湖北荊州434000)

摘要：隨著日常生活中被盜事件的頻繁發生，電子鎖的使用越來越廣泛。無刷直流電動機作為電子鎖系統的關鍵部分，必須具備響應速度快、價格低、功率密度高等優點。本文對電子鎖中驅動用無刷直流電動機的電磁設計進行了研究，并利用有限元磁場分析軟件Maxwell.16.0對磁路的設計方案進行矯正。由于場路結合法的優越性，可以很精確地計算出電機瞬態性能的參數，得到一個相對來說較為滿意的電磁設計方案。

關鍵詞：無刷直流電動機；電子鎖；有限元；電磁設計

如何實現家庭防盜一直是人們關注的熱點。傳統的機械鎖由于其機構簡單，被撬的事件時常發生。而電子鎖的保密性高、使用靈活性好、安全系數高，受到了廣大用戶的喜愛，并且其中的驅動電機裝置也成為了熱門的研究方向。

由于電子鎖體積小，極數太多的電動機在制造與加工上有很大的難度，所以市場上用于電子鎖驅動的直流電機一般最多只有12極。同時，在設計時，還要求電機有足夠的扭矩和功率。傳統電子鎖是用有刷直流電機進行驅動的，但是無刷直流電機去掉了碳刷，用電子元器件代替，使得換向時無機械接觸，相比于有刷直流電機，它有運行聲音較小、無火花、壽命長、轉速快的優點。無刷直流電機的改善前景明顯高于有刷直流電機。目前的科研方向也是往無刷方面發展，故無刷直流電機有代替有刷直流電機成為電子鎖中主要驅動電機的趨勢。

本文研究的是電子鎖中驅動用低速無刷直流電機的電磁設計，所以此類電機必須具有小巧、質量輕的特點，而且轉矩要達到0.2Nm的要求。還有我們要設計出適當的電磁參數，以滿足上述要求的運行特性，例如起動轉矩倍數、時間常數、轉矩波動、轉速穩定度以及效率等。電子鎖中的驅動電機是通過電池供電，故我們需要設計出高效節能的電機來達到省電的目的。同時我們還必須考慮所設計電機的尺寸，使其能在電子鎖中運行。

一、電子鎖驅動用無刷直流電機電磁設計

1. 額定數據與尺寸設計

永磁無刷直流電機主要尺寸的設計、定子轉子設計、永磁體的設計都是電磁設計的一部分，可以通過改變電機的各個參數來提高無刷直流電機的效率 、功率因數、起動轉矩和最大轉矩 。表1是電機的額定數據，表2是電機定子轉子的尺寸。

表1　額定數據

表2　定子與轉子尺寸

繼表2　定子與轉子尺寸

2．電樞繞組與定子槽的設計

繞組排布的設計主要是遵循削弱諧波和減小損耗的原則。本次設計的無刷直流電動機采用的雙層疊繞組和定子Y接的形式，可以有效地避免繞組中產生環流，減小損耗。

由于本次設計的無刷直流電動機要用于電子鎖中，所以電機定子槽數不宜太多，否則生產難度會比較大。但是槽數越多，越可有效地改善氣隙磁阻不均勻的問題，減小轉矩脈動。

根據本電機的需要，定子槽數為Q1=9，劃分了60°相帶后定子每極每相槽數q為:

3．永磁體的設計

(1)本電機磁體材料的選擇

選取永磁材料的原則應是該材料能保證電動機的氣隙中有足夠大的氣隙磁場和在規定的工作條件下能夠產生穩定的磁場，并且還要有良好的節能性和經濟實用性。本設計選用較為常見的牌照號為NdFe35的永磁體。

(2)磁體尺寸的設計

永磁體的軸向長度LM、磁化方向長度hM和寬度bM是其三個主要尺寸。永磁體的尺寸不僅會影響電動機的一些性能，也決定了永磁體的利用率。一般來說，永磁體的軸向長度與電動機鐵心的軸向長度相等，因此只需要設計其他兩個永磁體的尺寸hM和bM。電動機的極距τ為：

本文設計的無刷直流電機永磁體尺寸估算為：LM=60mm;hM=4mm

二、基于ANSOFT的無刷直流電機有限元分析

無刷直流電機內部的磁場分布非常復雜。所以如何才能求得無刷直流電機中電磁場的分布一直是設計和分析無刷直流電機的一個重點和難點問題。本設計利用有限元電磁場仿真軟件Ansoft Maxwell對電子鎖驅動用無刷直流電機進行二維電磁場計算，并研究了電機的電樞反應。

1.無刷直流電機的建模

設計好電機的額定數據與尺寸之后，就要進行建模了，而建模的準確合理對電機的性能有著很大的影響。下面以本文設計的40W電子鎖驅動用電動機的路算數據為參考，對該設計方案進行瞬態電磁場求解來研究電機的瞬態起動過程，以驗證電機設計參數的合理性。樣機的基本數據如表3所示:

表3　樣機主要尺寸和材料

2.基于Maxwell的電機靜磁場分析

電機的靜磁場的分布可以看出電機的空載工作點和漏磁系數，故首先分析電機的靜磁場分布。電機計算分析的靜磁場分部如圖1、圖2所示。

圖1　電機的磁場分布

圖2　電機的磁通密度分布

由電機的磁密分布圖可以確定永磁體的空載工作點，本電機為0.798 1。而電機的漏磁系數也可以由磁場分布計算出來，本電機為1.08。通過電機磁密分布云圖可以校核電機局部是否存在過飽和點，以利于修改參數使得電機性能更好。

3.電機電樞反應的對比影響分析

永磁無刷直流電機的電樞反應會對氣隙磁場產生影響，進而改變電勢波形和電磁轉矩，電機的性能也會受到影響。

(1)空載時電樞反應分析

永磁無刷直流電機處于空載狀態時，電機電樞繞組中無電流流過，電機內磁場只由永磁體產生。空載磁場分布主要由電機的結構決定。本文分別截取了起動時0. 005s和穩定后0.01s的磁場分布圖。見圖3、圖4。

圖3　電機空載起動0.005s時的磁場分布

圖4　電機空載起動0.01s時的磁場分布

(2)負載時電樞反應分析

電機負載時，截取起動后0.005s和0.01s的電機的磁場，磁密分布圖，如圖5～9示：

圖5　電機負載起動0. 005s時的磁場分布

圖6　電機負載起動0.01s時的磁場分布

圖7　電機負載起動0. 005s時的磁密分布

圖8　電機負載起動0.01s時的磁密分布

圖9　電機滿載運行時的解

從磁場和磁密分布圖可以看出，電機在起動0.005s時，由于起動電流較大，集膚效應作用顯著，槽部漏磁通比較大，氣隙中平均磁密很低。在負載起動時，由于電樞反應的作用，磁場分布出現不對稱現象。該無刷直流電機達到額定轉速的時間較快，僅需0.01s，此時氣隙磁密明顯加大，電機進入穩定運行狀態。

三、結語

本文結合無刷直流電動機的一般設計方法和設計要求，對電子鎖驅動用0.2Nm無刷直流電動機進行了電磁設計。通過對電機的磁場磁密分布和起動過程的Maxwell仿真分析得出本文所設計的電機動態響應性能較好，能迅速達到額定轉速，并且基本滿足轉矩達到0.2Nm的工程需求。

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中圖分類號：TM36

文獻標識碼：A

*收稿日期：2015-12-10

文章編號：2095-4654(2016)02-0001-03 2095-4654(2016)02-0004-03