田燕飛，黃開勝，陳治宇，陳風凱，何建源

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

0 引 言

外轉(zhuǎn)子三相無刷直流電動機體積小、重量輕、調(diào)速性能好、效率高、輸出轉(zhuǎn)矩大，在價格和可靠性方面也有明顯的優(yōu)勢。實踐表明:外轉(zhuǎn)子三相無刷直流電動機帶動的調(diào)速空調(diào)風機比普通感應電動機帶動的空調(diào)風機節(jié)能20%左右。由于外轉(zhuǎn)子三相無刷直流電動機效率也有很大的提高，使風機的耗能明顯下降;同時這一功率等級的外轉(zhuǎn)子三相無刷直流電動機及其驅(qū)動系統(tǒng)的成本較低，其應用前景被廣大的家用空調(diào)制造商看好［1］。所以，對三相無刷直流電動機的尺寸、耐壓程度、齒槽轉(zhuǎn)矩等提出新的要求，合理的電機設計對于三相無刷直流電動機有重要意義。

本文研究的外轉(zhuǎn)子三相無刷直流電動機用于驅(qū)動中央空調(diào)外部風機，設計了一款9 槽10 極、910 r/min 的三相無刷直流電動機，給出了設計思路，并且利用Ansys/Maxwell 建立了這款電動機的二維有限元仿真模型，對模型的定轉(zhuǎn)子磁場、氣隙磁場諧波次數(shù)及幅值、磁力線分布情況、齒槽轉(zhuǎn)矩大小、輸出轉(zhuǎn)矩大小等進行仿真，并在此基礎上制造出了樣機，完成了測功試驗，驗證了Maxwell 2D 有限元仿真分析的準確性。

1 三相無刷直流電動機電磁設計

1.1 主要技術指標

本方案的電動機額定功率PN=1 600 W，額定電流IN=3.5 A，額定轉(zhuǎn)速nN=910 r/min，輸出轉(zhuǎn)矩T=17 N·m，電機效率η=85%以上。

1.2 三相無刷直流電動機主要尺寸的確定

式中:nN為額定轉(zhuǎn)速，取為910 r/min;L 為鐵心長度;P 為計算功率;Kφ為極弧系數(shù);KW為基波繞組系數(shù);A 為電負荷;Bδ為氣隙磁密平均值。電動機的性能和成本的影響主要在于電動機的長徑比，一般情況下，電動機的長徑比在0.7 ～1.5 之間浮動。在外轉(zhuǎn)子無刷直流電動機設計過程中，考慮到風機尺寸限制及慣性大的特點，外轉(zhuǎn)子電機長徑比會適當選擇小一些［3］。

1.3 磁性材料的選擇

鐵氧體和釹鐵硼是常用的永磁材料，釹鐵硼磁能積的平方根接近鐵氧體的3 倍。在電機設計過程中，采用鐵氧體，需要的量較多，電機會比較重，而采用釹鐵硼磁體則成本昂貴。

對于外轉(zhuǎn)子永磁無刷直流電動機，鐵氧體磁密值的提高主要在于增加磁體的供磁面積和磁體厚度，因此采用鐵氧體的永磁電機的體積增加主要是轉(zhuǎn)子外徑的增加，所以本設計的最理想選擇是鐵氧體永磁材料。

1.4 永磁體結(jié)構的選擇

表貼式外轉(zhuǎn)子永磁無刷直流電動機常用的磁極結(jié)構有瓦片狀和圓筒狀，如圖1 所示。

圖1 常用磁極形狀

本方案設計的電動機采用瓦片狀磁極，具有以下優(yōu)點:

(1)磁體結(jié)構是瓦片式，更能產(chǎn)生永磁無刷直流電動機所需要的均勻的氣隙磁密波形。

(2)方便對永磁體內(nèi)圓厚度和極弧寬度進行優(yōu)化，可以抑制齒槽轉(zhuǎn)矩［3］。

1.5 永磁體厚度的選擇

永磁體是永磁電機的磁動勢源，外轉(zhuǎn)子表貼式結(jié)構的永磁體厚度hm按需要的氣隙磁通密度通過磁路計算來選擇，此外還要考慮抑制最大過流時的去磁能力。在利用Ansys 軟件設計電機過程中，可以根據(jù)經(jīng)驗預估永磁體的磁化方向長度，從而計算校驗出永磁體的空載工作點，使得Bδ=(0.6 ～0.85)·Br［4］。

1.6 電樞有效鐵心長度的選擇

鐵氧體永磁無刷直流電動機電負荷大，降低電動機制造成本的關鍵在于降低銅的用量。電動機設計采用較大的鐵心長度，可以有效地提高電動機銅的利用率，降低電動機的制造成本［5］。

2 基于Ansys/Maxwell 的無刷直流電機設計及有限元分析

外轉(zhuǎn)子三相無刷直流電動機結(jié)構示意圖如圖2所示，主要結(jié)構參數(shù)如表1 所示。

在CAD 中畫好電動機定轉(zhuǎn)子沖片和磁極圖形，再導入Ansys/Maxwell2D 中，建立模型，通過定義電動機各部分材料和邊界條件，施加激勵源和進行網(wǎng)格剖分等步驟［6］。外轉(zhuǎn)子三相無刷直流電動機的二維有限元模型，如圖2 所示。建模過程如下:

圖2 電動機二維模型

表1 電動機主要參數(shù)表

(1)根據(jù)已知參數(shù)在CAD 中畫好模型圖;

(2)導入Maxwell 2D，建立三相無刷直流電動機的二維有限元模型;

(3)確定定子、轉(zhuǎn)子沖片材料屬性，并且添加磁性材料的B－H 曲線數(shù)據(jù)，確定永磁體的剩磁Br和矯頑力Hc;

(4)確定有限元計算的剖分、激勵源及邊界條件，確定電動機求解過程中的各種損耗;

(5)確定電動機額定負載、求解時間的步長、運動邊界條件等。

3 電動機有限元仿真結(jié)果及分析

3.1 磁場分布

給三相電樞繞組施加電流3.5 A，仿真電動機切向磁云密度分布，如圖3 所示，從圖3 中可以看出，電機磁密最大值為1.6 T，滿足設計要求。

圖3 電機切向磁云密度分布

圖4 不同位置電動機磁場分布

給三相電樞繞組施加電流3.5 A，仿真電動機在不同位置下的磁場分布，如圖4 所示。從圖4 中可以看出，不同時刻的負載磁場分布圖中，主磁通跟轉(zhuǎn)子磁極交鏈，參與機電能量轉(zhuǎn)換;轉(zhuǎn)子磁極漏磁通經(jīng)過氣隙、定子齒后回到轉(zhuǎn)子磁極，不跟定子繞組交鏈，不參與機電能量轉(zhuǎn)換。

3.2 反電勢波形

電動機的反電勢波形如圖5 所示，一般情況下電機的反電動勢只是接近梯形，該反電勢有效值為154.1 V。

圖5 電動機的反電勢波形圖

3.3 齒槽轉(zhuǎn)矩

在Maxwell 2D 模型中，用電壓源計算，電阻設為無窮大，計算后得電動機的齒槽轉(zhuǎn)矩如圖6 所示。從圖6 中可測出齒槽轉(zhuǎn)矩的最大值為0.051 N·m。

圖6 電動機齒槽轉(zhuǎn)矩

3.4 氣隙磁密

利用Ansys 軟件的Maxwell 2D 靜磁場求解，得到樣機氣隙磁密的波形圖如圖7 所示。求得靜磁場氣隙最大磁密Bδmax=0.39 T，對氣隙磁密傅里葉分解成各次諧波，如圖8 所示。

圖7 氣隙磁密圖

圖8 氣隙磁密FFT 分解圖

從圖8 中求得各次諧波幅值如表2 所示。從表2 中求出諧波畸變率為26.92%。

表2 磁場諧波次數(shù)及幅值

3.5 輸出轉(zhuǎn)矩

外轉(zhuǎn)子永磁無刷直流電機在施加410 V 電壓時，電動機在額定轉(zhuǎn)速n =910 r/min 時的電磁轉(zhuǎn)矩曲線如圖9 所示。其電磁轉(zhuǎn)矩平均值為17.2 N·m，最高點和最低點相差0.64 N·m，輸出轉(zhuǎn)矩比較平穩(wěn)。

圖9 電動機輸出轉(zhuǎn)矩

4 制作樣機試驗驗證

用測功機對樣機進行測試，電機轉(zhuǎn)速調(diào)到910 r/min，然后緩慢地人工增加負載，具體實驗數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 樣機測試值

從表3 可以看出，樣機進行試驗，在額定轉(zhuǎn)速910 r/min 時，隨著電動機負載的增加，電動機輸入功率也隨之增加，電動機的效率一直在79. 3% ～86.2%之間，這就體現(xiàn)了無刷直流電動機的優(yōu)勢，無論空載還是負載，無刷直流電動機都有較高的效率。

在流體力學原理中，風機負載與轉(zhuǎn)速的立方成正比，通過調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速可以調(diào)節(jié)風機的風量，本文的風機在50% ～60%額定負荷下運行。傳統(tǒng)的感應電機，每時每刻都需要勵磁電流，所以風機在輕載、低速運行時比滿載額定運行時的輸入功率減小不多，輕載時效率比較低。而外轉(zhuǎn)子無刷直流電動機，當風機負荷變化時，可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，能大大減少電機的輸入功率，從而達到節(jié)約能源的目的。表4 為風機帶同一負載、在不同轉(zhuǎn)速時電機性能測試值。從表4 中可以看出，風機帶同一負載，在不同轉(zhuǎn)速時電機的效率在75.3% ～85.8%之間，這體現(xiàn)了無刷直流電動機節(jié)能、高效的優(yōu)點。

表4 樣機測試值

在額定負載情況下，用Maxwell 2D 計算的理論值跟樣機的實驗值進行對比，如表5 所示。從表5中可以看出，樣機理論值跟實測值誤差都在3%以內(nèi)，驗證了本設計方案的可靠性。

表5 計算值和測試值

5 結(jié) 語

本文設計了一款910 r/min、9 槽10 極、1 600 W外轉(zhuǎn)子三相無刷直流電動機，利用Maxwell 2D 軟件對該電動機進行了仿真，分析，并與實驗值進行了對比，驗證了仿真的可靠性。該電動機已經(jīng)成功應用于驅(qū)動一款中央空調(diào)外部風機，并且批量生產(chǎn)，節(jié)能效果顯著。

［1］ 張琛.直流無刷電動機原理及應用［M］.2 版. 北京:機械出版社，2006.

［2］ 唐任遠.現(xiàn)代永磁電機理論與設［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1997:113，133.

［3］ 陳世坤.電機設計［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2000 .

［4］ 王秀和.永磁電機［M］.北京:中國電力出版社，2007.

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

［6］ 李帥，彭國平. Ansoft EM 在電機設計中的應用［J］. 微電機，2004，37(74):21－24.