無槽無刷電機結構參數優化設計

姚光久，江偉

(廣東工業大學，廣東廣州 510006)

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無槽無刷電機結構參數優化設計

姚光久，江偉

(廣東工業大學，廣東廣州 510006)

根據電機設計理論，用ANSYS對電機的仿真圖像和數據進行最優化組合，找到最優的組合設計參數。通過對額定電壓12V，額定功率30W的外轉子高速電機做實驗仿真，得到的實驗結果和仿真結果相近，驗證了理論設計公式的可靠，以及參數優化的可行性。可以用于永磁電機的參數優化仿真中。

高速永磁；參數優化；電機效率

0 引言

外轉子電機采用了外轉子帶動葉輪的先進結構和合理的氣動設計，外轉子電機發展的歷史很短，具有效率高、噪音低、重量輕、結果緊湊、安裝維修方便等特點。無槽電機可以擴大了繞組的布置空間、降低鐵耗、減少渦流損耗。無刷不受機械換向的限制，轉速可以做的很高，可以低速大功率運行，電樞繞組的外面是氣隙，熱阻小，散熱容易[1、2]。

1 無刷電機的結構設計

1.1 主要技術指標

本方案的電機為4極9槽電機，額定電壓12V，額定功率30W。額定轉速20000r/min，效率85%，永磁體材料為鐵釹硼。

1.2 電機尺寸的確定

電機長徑比λ=L/D的選擇對電機的性能、重量、成本有很大的影響。永磁直流電機設計中一般取=0.6～1.5.電樞直徑計算如下

式中，P—電機的額定功率；αi—極弧系數；A—電負荷；Bδ—磁負荷；λ—電機長徑比；n—電機轉速;Kp—短路系數。

可以求出電樞直徑D=9.6mm和定轉子長度L=6mm[3]。永磁體磁化方向的厚度[4]

式中，Km—安全系數；Ks—磁路飽和系數；μ0—真空磁導率；Bδ—氣隙中的磁感應強度；δef—空載漏磁系數；HM—永磁體工作點磁場強度。

一般來說，Km≈2，Ks≈1.2，Bδ≈0.75，HM≈2。對于徑向磁化結構，δef≈1.1～1.2，對于切向磁化結構，δef≈1.5。

本電機采用徑向磁化結構，考慮材料一致性，預留20%的裕量，永磁體磁化方向的厚度h=3mm。永磁體體積的確定

式中，D—為電樞直徑；P—極對數。

電機所需永磁體的總體積

Vm與有效氣隙長度δef成正比，與BMHM成反比。所以要采用合適的氣隙長度，氣隙長度取0.5mm，選用大剩磁、高磁能積的永磁體，優化徑向、軸向永磁體的放置結構[5]。

1.3 電機主要參數

根據上述電機的理論計算公式，可以得到電機的理論參數見表1。

表1 電機理論參數

2 電機有限元模型的建立和仿真

無槽無刷電機利用電子開關電路代替機械換相，取消了傳統電刷。實現對電機轉速和方向的控制，無槽無刷電機由電機本體和電子檢測、驅動部分組成，結構框圖如圖1所示；電機的部件關于中心圓點對稱，平面圖如圖2所示；電機網格剖分的建議長度：定轉子鐵心>永磁體>定子繞組>band，剖分密度如圖3所示；電機的磁密在定子和轉軸容易出現過飽和現象，所以轉軸部分采用特殊材料放在對電機電磁特性的損傷，定子部分常加大厚度以分散磁密過飽和部分，電機磁密分布圖如圖4所示；電機的磁力線是從永磁體的N極發散到相鄰S極，組成一個封閉的區域，電機磁力線分布圖如圖5所示；電機的磁密矢量方向與磁力線方向成銳角，方向近視相同，磁密與磁力線相切，電機磁密矢量走勢圖如圖6所示。

圖1 無槽無刷永磁直流電機的基本結構框圖

圖2 電機模型圖

圖3 網格剖分圖

圖4 電機磁密分布圖

圖5 電機磁力線分布圖

圖6 電機磁密矢量走勢圖

根據上述電機的理論計算數據，利用ANSYS/Maxwell 2D對無槽無刷電機進行仿真，仿真過程如下。

(1) 打開Maxwell 2D模塊，確定電機的求解環境。

(2) 在Maxwell 2D中對立體的電機模型進行畫圖，注意各部件的尺寸。

(3) 在各部件尺寸確定的情況下，添加部件的材料。對永磁體充磁和加方向。

(4) 根據繞組的節距和極距建立繞組，再進行網格剖分。

(5) 設置好電機的電磁轉換界面、轉速、邊界條件、負載轉矩[6、7]。

仿真效率數據圖如圖7、圖8、圖9所示。

圖7 電機的輸入功率

圖7為電機的輸入功率，額定功率是30W，電機在起動過程中有快速響應時間，此時電機的轉速和功率升的很快，電機平穩運行時，此時電機功率下降趨于平緩。輸入功率保持在29W左右。

圖8 電機的輸出功率

圖8為電機的輸出功率，輸出功率受啟動和保持穩定的快速啟動時間影響，在30ms達到穩定。電機受機械損耗、鐵耗、銅耗以及晶匝管損耗的影響，小于輸入功率。輸出功率保持在25W左右。

圖9 電機的效率圖

圖9是電機達到穩定的效率圖，在電機未穩定之前，輸入功率基本不變，輸出功率在增加，效率在上升，電機穩定運行時，輸入功率和輸出功率為定值，效率恒定。計算出該電機的效率η=輸出功率/輸入功率=85%，基本符合設計要求。

3 電機結構參數對電極效率的影響

3.1 電樞直徑對電極效率的影響

電機轉速比較低時，電樞電流比較大，電樞反應的增磁作用非常明顯，磁路在飽和的狀態，理論計算值電樞直徑在15.6mm附近比較合適。在其他參數不變的條件下，改變電樞直徑，由有限元仿真模型可以得到不同的效能圖，如圖10所示。

圖10 電機定子外徑與效率的關系圖

圖10是仿真不同的定子外徑得到相應的效率圖，由圖10可知電機參數只改變定子外徑的情況下，效率與定子外徑呈正態分布，定子外徑在15.6mm時效率達到最大。

3.2 電機永磁體厚度對電機效率的影響

永磁體的磁導率與空氣相近，增大永磁體厚度的同時增加了磁路長度，增大了磁阻。所以永磁體厚度達到一定厚度后，磁路飽和現象嚴重，電機效能一定值后不再變化。理論計算永磁體厚度在3mm附近比較合適。在其他參數不變的條件下，改變永磁體厚度，由有限元仿真模型可以得到不同的效能圖，如圖11所示。

圖11 電機永磁體厚度與效率的關系圖

圖11是仿真不同的永磁體厚度得到相應的效率圖，厚度存在一個效率最佳值，綜合經濟和效率而言，永磁體厚度在3mm時最合適。

3.3 電機定轉子軸長對電機效率的影響

定轉子軸長的變化會引起磁鏈和轉矩的變化，總的磁通量不變，軸長達到一定長度后，氣隙平均磁通密度隨之增加，而輸出轉矩和輸出功率隨之減小。理論計算定轉子軸長在6mm附近比較合適。在其他參數不變的條件下，改變定轉子軸長，由有限元仿真模型可以得到不同的效能圖，如圖12所示。

圖12 電機定轉子軸長與效率的關系圖

圖12 是仿真不同的永磁體厚度得到相應的效率圖，效率并非定轉子軸長的一次函數，而是有一個峰值，該峰值在6mm左右，與理論差別不是很大。

表2 電機理論參數與仿真參數的比較

由表2的對比可知，Maxwell軟件的理論設計參數與仿真參數比較接近，在誤差的允許范圍之內，電機性能滿足設計要求。

圖13 電機本體樣機

圖14 無槽電機繞組塑形所用的繞線骨架

圖15 電機本體和調速系統

圖16 電機本體和控制系統

圖13、圖14、圖15、圖16為根據參數制造的電機本體、線圈以及調速系統和控制系統。

4 結語

本文對設計出參數的無槽無刷永磁電機進行Ansoft仿真，對電機的部分元件參數進行改進，找到最優的參數值以提高效率，將仿真數據與樣機測試數據進行對比，對比結果相近達標后，再對部分元件設計附近的參數值進行仿真，擬合出效能圖。運用定變量的方法，找到單一變量與電機效能之間的關系，驗證了電機電磁設計的合理性、正確性。

[1] 李鐘明.稀土永磁電機[M].北京：國防工業出版社，1999.

[2] 邱國平，邱明.永磁直流電機實用設計及應用技術[M].北京：機械工業出版社，2009.

[3] 唐任遠.現代永磁電機理論與設計[M].北京：機械工業出版社，1997.

[4] 王北社.稀土永磁電機永磁體尺寸的分析[J].東方電機，2011.

[5] 王秀和，李巖.徑向充磁永磁電機永磁體工作點的確定[J].電工電能新技術，1998.

[6] 陳文敏，黃開勝，何良遠，等.基于Maxwell的單項無刷直流電動機分析和設計[J].微電機，2013,46(3);23-26.

[7] 趙博，張洪亮.Ansoft12在工程電磁場中的應用[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

[8] 田偉. 單相自起動永磁同步電動機的設計與仿真[D].廣州：廣東工業大學，2012.5.

Optimization Design of Structural Parameters of Slotless Brushless Motors

YaoGuangjiuandJiangWei

(Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

According to design theory of motor, the optimal combination of simulation image and data of the motor is carried out by ANSYS to find out optimal combination design parameters. By simulation experiment of external rotor high-speed motor with rated voltage of 12V and rated power of 30W, it is known that the experimental result and simulation result are close to each other. The reliability of theoretical design formula and feasibility of parameter optimization has been verified. They can be used in parameter optimization simulation of PM motor.

High-speed permanent-magnet；parameter optimization；motor efficiency

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.06.03

TM351

A

1008-7281(2016)06-0007-004

姚光久 男 1990年生；廣東工業大學碩士研究生，研究方向為電機與電器.

2016-05-28