永磁無刷直流電機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)探討

（江西閩標(biāo)車輛制造有限公司，九江 332000）

0 引言

隨著節(jié)能減排與環(huán)保意識(shí)的不斷提升，電機(jī)的節(jié)能節(jié)電問題逐漸受到了業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注。電機(jī)是眾多電器、機(jī)械設(shè)備的動(dòng)力源，其應(yīng)用領(lǐng)域相對(duì)較廣。但是，由于設(shè)計(jì)與試驗(yàn)環(huán)節(jié)存在著諸多弊端，導(dǎo)致了電機(jī)的應(yīng)用質(zhì)量達(dá)不到預(yù)想效果。因而，做好電機(jī)設(shè)計(jì)要點(diǎn)與試驗(yàn)研究有著重要的意義。

1 永磁無刷直流電機(jī)的概述

相比于其他類型的電機(jī)，永磁無刷直流電機(jī)有著眾多的優(yōu)點(diǎn)：一方面，其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，有著較高的輸出轉(zhuǎn)矩。另一方面，電機(jī)的調(diào)速范圍較寬，運(yùn)行期間效率高，有著良好的可靠性和較長的使用壽命。此外，電機(jī)運(yùn)行期間噪音較少、不存在滑動(dòng)接觸與換相火花。隨著我國機(jī)電一體化技術(shù)的不斷發(fā)展，永磁無刷直流電機(jī)綜合了控制軟件、硬件和微處理器，現(xiàn)已發(fā)展成為科技含量較高的創(chuàng)新型產(chǎn)品。尤其在電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用，為電動(dòng)車的制造與行業(yè)發(fā)展提供了強(qiáng)大的支撐。在進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)工作時(shí)，要重點(diǎn)進(jìn)行電機(jī)額定工作點(diǎn)以及附近效率的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，這一環(huán)節(jié)中要加強(qiáng)對(duì)電動(dòng)車自身特點(diǎn)的分析與研究，進(jìn)而確保電機(jī)有著較大的調(diào)速范圍和較高的工作效率。在進(jìn)行永磁無刷直流電機(jī)的設(shè)計(jì)工作時(shí)，還要做好磁性材料的選擇[1]。目前，應(yīng)用較為廣泛的磁性材料主要包含兩種，鐵氧體材料以及釹鐵硼永磁材料。為了有效改善氣隙磁通狀況，可以適當(dāng)?shù)奶岣叽盆F厚度，改善導(dǎo)磁面積。同時(shí)，對(duì)于轉(zhuǎn)子磁極而言，所選用的磁性材料要具備較弱的磁性，并且材料的磁負(fù)荷要低。這樣一來，才能確保電動(dòng)機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩較低，同時(shí)保證輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較小。此外，該措施還能降低電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的噪音，提高電動(dòng)機(jī)運(yùn)行環(huán)節(jié)的平穩(wěn)性。就磁性材料的價(jià)格而言，釹鐵硼材料的價(jià)格要高出鐵氧體材料10倍左右。因而，在電動(dòng)機(jī)尺寸不受限制的條件下，要盡可能選用鐵氧體材料，進(jìn)而降低制造成本。

2 永磁無刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

2.1 定子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料選擇

在進(jìn)行電機(jī)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，對(duì)于定子鐵耗的計(jì)算可以采取下列表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算。

其中，CFe表征的是修整系數(shù)，在磁通密度是B0、磁場(chǎng)頻率是f0的狀況下，定子鐵耗值為K0，其單位為W/Kg。此外，定子鐵心的質(zhì)量用GFe進(jìn)行表征，n代表的是電機(jī)轉(zhuǎn)速，p代表的是極對(duì)數(shù)。為了降低定子鐵耗，減小磁場(chǎng)頻率，一般情況下要將轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)設(shè)定成1。從上式能夠看出，適當(dāng)減少K0值也能達(dá)到降低定子鐵耗的目的，該參數(shù)與定子材料有著直接的關(guān)系。大多情況下，定子疊片使用的是硅鋼片，其尺寸為0.5 mm或0.35 mm。隨著硅鋼片厚度的不斷降低，K0值也隨之降低，因而定子鐵耗將更小。文章所介紹的樣機(jī)，定子鐵心所使用的是0.2 mm的硅鋼片，其價(jià)格相對(duì)較高。由于受到價(jià)格方面的影響，使用更薄的硅鋼片將違背經(jīng)濟(jì)性原則，并且具體加工時(shí)也相對(duì)麻煩。在進(jìn)行導(dǎo)線的選擇時(shí)，由于受到高速電機(jī)電磁頻率的影響，需要將多股細(xì)導(dǎo)線進(jìn)行并聯(lián)，并且要對(duì)細(xì)導(dǎo)線的直徑進(jìn)行控制。本中所介紹的電機(jī)，所采用的導(dǎo)線直徑r要控制在0.94 mm以內(nèi)，并且繞組環(huán)節(jié)中使用21股、直徑為0.60 mm的高溫銅漆包線進(jìn)行并聯(lián)。這一狀態(tài)下，電機(jī)運(yùn)行時(shí)的額定電流為43 A，電流密度在7.25 A/mm2左右。在進(jìn)行定子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，定子槽數(shù)可以選用3種不同的結(jié)構(gòu)：3、6、12等。通過對(duì)3種不同的定子結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，可以得出當(dāng)采用2極6槽集中繞組結(jié)構(gòu)時(shí)，其端部較短，進(jìn)而可以降低空間諧波所導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子渦流損耗的問題，定子結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 定子結(jié)構(gòu)

2.2 轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)工作中需要重視轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)和轉(zhuǎn)子渦流損耗[2]。電機(jī)運(yùn)行過程中，電磁軸承的控制系統(tǒng)極為復(fù)雜。同時(shí)，相比于電機(jī)而言，軸承所占的體積較大，并且在長期的運(yùn)行中要具有較高的可靠性。但是，在一些振動(dòng)嚴(yán)重的場(chǎng)合，其可靠性很難得到保證。對(duì)于空氣軸承而言，其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，但是運(yùn)行時(shí)需要壓縮空氣，因而整個(gè)系統(tǒng)的體積相對(duì)較大，耗能方面難以得到控制。文中所使用的軸承為精密滾珠軸承，其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖2所示。在圖2（a）中，軸承結(jié)構(gòu)主要集中于轉(zhuǎn)軸的一側(cè)，這樣能夠方便軸承潤滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這一結(jié)構(gòu)通常被稱作單端式軸承支撐結(jié)構(gòu)。在圖2（b）中將軸承放置于轉(zhuǎn)軸的兩側(cè)，該結(jié)構(gòu)通常被稱作兩端式軸承支撐結(jié)構(gòu)。通過應(yīng)用有限元軟件對(duì)兩種不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)做出動(dòng)力學(xué)分析與研究，可以得到以下結(jié)論：一方面，將單端式結(jié)構(gòu)改為兩端式結(jié)構(gòu)，可以有效改善轉(zhuǎn)子臨界頻率。另一方面，為了提高轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度，減少轉(zhuǎn)子的渦流損耗，可以通過在永磁體表面包裹相應(yīng)的玻璃絲來完成，所用的玻璃絲要具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，并且電導(dǎo)率要盡可能低。

圖2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

3 永磁無刷直流電機(jī)空載試驗(yàn)

為了提高電機(jī)運(yùn)行過程的穩(wěn)定性與可靠度，在進(jìn)行空載試驗(yàn)時(shí)，主要選用了霍爾位置傳感器，并且應(yīng)用了專用控制芯片MC33035，控制系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)

在進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的獲取時(shí)，主要應(yīng)用到霍爾位置傳感器編碼技術(shù)，3個(gè)傳感器互差120°電角度。同時(shí)，試驗(yàn)過程中將霍爾電路板設(shè)計(jì)為電機(jī)的端壓板，以此降低布線長度。此外，在進(jìn)行中間位置處霍爾電路板的安裝工作時(shí)，將其反向180°，相比于定子鐵心兩端長度，轉(zhuǎn)子永磁體的長度要大2 mm左右，進(jìn)而可以為霍爾位置傳感器提供所需的磁場(chǎng)環(huán)境。由于應(yīng)用了高精度滾珠軸承，在潤滑條件下電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速可以穩(wěn)定在10萬r/min上下。試驗(yàn)時(shí)，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的不斷增加，空載損耗也在不斷的增大。另外，因?yàn)樵谟来朋w的表面包裹上一層玻璃絲作為保護(hù)環(huán)，因而轉(zhuǎn)子的表面更加光滑，其氣隙顯著增大，運(yùn)行環(huán)節(jié)中轉(zhuǎn)子的風(fēng)摩損耗能夠得到有效控制[3]。對(duì)于轉(zhuǎn)子軸承損耗而言，其數(shù)據(jù)基本與空載損耗減去定子鐵耗、繞組銅耗的數(shù)值相一致。電機(jī)高速運(yùn)行過程中，定子鐵耗與軸承損耗相對(duì)嚴(yán)重，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到了10萬r/min時(shí)，定子鐵耗值為353 W、軸承損耗值是169 W。

4 結(jié)束語

隨著制造工藝與設(shè)計(jì)理論的不斷發(fā)展與完善，高速永磁無刷直流電機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用，其不僅具有功率密度高、體積小的優(yōu)點(diǎn)，并且電機(jī)的技術(shù)含量高，有著較高的自動(dòng)化效果。因而，現(xiàn)階段要加強(qiáng)對(duì)永磁無刷直流電機(jī)的研究，做好設(shè)計(jì)要點(diǎn)以及空載試驗(yàn)的把控，提高電機(jī)的應(yīng)用水平。