錢(qián)志存

（ TTI創(chuàng)科集團(tuán) 廣東 東莞 523960 ）

低噪聲無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的研制

錢(qián)志存

（ TTI創(chuàng)科集團(tuán) 廣東 東莞 523960 ）

摘要通過(guò)對(duì)目標(biāo)電機(jī)的參數(shù)分析，以及靜態(tài)有限元、瞬態(tài)有限元及帶控制器驅(qū)動(dòng)的分析，運(yùn)用優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)技術(shù)，進(jìn)行電機(jī)本體的設(shè)計(jì)工作。在加工、結(jié)構(gòu)、裝配期間充分考慮技術(shù)指標(biāo)是否滿足要求，并將噪聲控制在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，為同類(lèi)型低噪聲馬達(dá)的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞BLDC 噪聲驅(qū)動(dòng)組件 仿真齒槽轉(zhuǎn)矩有限元分析

0　引言

現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備、汽車(chē)、醫(yī)療器械等制造領(lǐng)域?qū)υO(shè)備噪聲的要求越來(lái)越高，尤其是提供動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)原件。驅(qū)動(dòng)用直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)作為這些設(shè)備有效載荷的執(zhí)行元件，降低噪聲對(duì)其提高設(shè)備工作穩(wěn)定性以及使用壽命具有重要的意義。本文對(duì)一種低噪聲直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了嘗試和探索。

1　主要技術(shù)指標(biāo)

BL90直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)為某型號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其噪聲要求非?？量?，詳細(xì)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1，環(huán)境條件見(jiàn)表2。

表1　技術(shù)指標(biāo)

表2　環(huán)境條件

2　原理及結(jié)構(gòu)

如圖1所示，該直流無(wú)刷電機(jī)是一款風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)?？刂破髋c電機(jī)正確接線后，對(duì)控制器施加直流電壓，控制器通過(guò)對(duì)霍爾元件輸入的信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算。然后，通過(guò)功率級(jí)器件將三相六狀態(tài)時(shí)序的電壓施加到電機(jī)的繞組上，使電機(jī)按照一定方向運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)負(fù)載旋轉(zhuǎn)。

實(shí)際電機(jī)本體結(jié)構(gòu)如圖2所示。電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子、后端蓋、前后軸承蓋及軸承等零部件構(gòu)成。其中，定子由一套三相星形繞組、電樞鐵芯及帶有減重槽的機(jī)殼構(gòu)成；轉(zhuǎn)子上嵌有四對(duì)磁鋼，N、S交替放置。在磁鋼的外圓處有不導(dǎo)磁轉(zhuǎn)子護(hù)套保護(hù)，給控制器提供轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的跟蹤磁鋼也為四對(duì)，N、S交替放置，外圓也有不導(dǎo)磁護(hù)套；印制板組件安裝到后端蓋上，印制板上有三個(gè)相差120°電角度的霍爾元件，便于控制器控制。

相對(duì)于常規(guī)直流無(wú)刷電機(jī)，本結(jié)構(gòu)主要區(qū)別在于有兩個(gè)軸承蓋，分別對(duì)前后兩個(gè)軸承進(jìn)行限位；軸承選用兩個(gè)雙面無(wú)軸承蓋的高等級(jí)、低噪聲軸承。

圖1　風(fēng)機(jī)工作原理框圖

圖2　電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

3　電機(jī)電磁參數(shù)有限元設(shè)計(jì)分析

從電機(jī)的技術(shù)參數(shù)可知，在轉(zhuǎn)速（4 000± 200）r/min下，其噪聲指標(biāo)≤35 dB。從實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，指標(biāo)要求非常苛刻，需在電磁、結(jié)構(gòu)、材料及裝配細(xì)節(jié)等多方面考慮。電機(jī)噪聲產(chǎn)生的一個(gè)重要原因是電磁振動(dòng)噪聲，其運(yùn)行平穩(wěn)性對(duì)電機(jī)壽命具有重要影響。因此，如何進(jìn)行合理的電磁參數(shù)設(shè)計(jì)是需要著重考慮的問(wèn)題。

從噪聲產(chǎn)生的機(jī)理來(lái)說(shuō)，電磁噪聲主要有四種，如圖3所示。

圖3　電磁振動(dòng)噪聲產(chǎn)生圖示

對(duì)于電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，磁導(dǎo)齒諧波轉(zhuǎn)矩及控制方式產(chǎn)生的噪聲占有主導(dǎo)作用，磁場(chǎng)振動(dòng)噪聲及頻率振動(dòng)噪聲主要是在偏心結(jié)構(gòu)及異步電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生，對(duì)于永磁電機(jī)來(lái)講，可不予考慮。

3.1電磁參數(shù)的初步選定

根據(jù)技術(shù)指標(biāo)及外形尺寸，對(duì)該直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)進(jìn)行解析計(jì)算。解析計(jì)算采用了Maxwell中RMxprtDesign模塊進(jìn)行。該項(xiàng)目的主要參數(shù)輸入后，對(duì)影響性能的幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化，以效率、轉(zhuǎn)矩、輸出功率為目標(biāo)，對(duì)參數(shù)化的結(jié)果進(jìn)行比較，最終優(yōu)選初步實(shí)施方案。

參數(shù)設(shè)計(jì)后優(yōu)選的電磁參數(shù)如表3所示：

表3　電機(jī)電磁結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.2靜態(tài)磁場(chǎng)的有限元分析

靜態(tài)磁場(chǎng)的分布對(duì)于直流無(wú)刷電機(jī)來(lái)講，具有重要的意義。解析法計(jì)算不夠準(zhǔn)確，不能做到精細(xì)化計(jì)算。對(duì)于低噪聲直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)來(lái)講，需要對(duì)細(xì)節(jié)方面多做了解，以便對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化。

有限元分析的基本思想是：將偏微分方程的邊值問(wèn)題等價(jià)為條件變分問(wèn)題；利用合適的單元類(lèi)型對(duì)求解區(qū)域進(jìn)行剖分，在單元上構(gòu)造相應(yīng)的插值函數(shù)，對(duì)各個(gè)單元進(jìn)行單元分析，得到各單元內(nèi)能量表達(dá)式和單元能量對(duì)三個(gè)節(jié)點(diǎn)磁位的導(dǎo)數(shù)；對(duì)所有單元的分析結(jié)果進(jìn)行總體合成，將能量泛函的極值問(wèn)題轉(zhuǎn)化為多元能量函數(shù)的極值問(wèn)題，建立以各節(jié)點(diǎn)磁位為變量的代數(shù)方程組，按照一定的邊界條件進(jìn)行修正。

該電機(jī)采用了先進(jìn)的Maxwell 12.0版本進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)該模型首先進(jìn)行邊界條件的設(shè)置，然后對(duì)各部分進(jìn)行網(wǎng)格剖分，指定磁鋼的充磁方向，最后設(shè)定迭代的步長(zhǎng)和誤差。設(shè)置計(jì)算的磁場(chǎng)磁密分布及氣隙磁密波形如圖5、圖6所示。

圖5　靜態(tài)磁場(chǎng)分布

圖6　靜態(tài)氣隙磁場(chǎng)波形

由圖5可見(jiàn)，整個(gè)電動(dòng)機(jī)2D磁路的磁場(chǎng)強(qiáng)度不高，沒(méi)有在個(gè)別位置產(chǎn)生磁場(chǎng)的畸變。圖6中顯示氣隙磁場(chǎng)受到齒槽效應(yīng)的影響，波形不是方波，運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的磁場(chǎng)畸變。無(wú)槽電樞磁場(chǎng)畸變很小，但因氣隙較大，磁場(chǎng)磁密較低，很難做到大功率、小體積，所以，該方案沒(méi)有采用無(wú)槽電樞。

3.3齒諧波轉(zhuǎn)矩的分析

由圖3可知，電磁振動(dòng)噪聲的主要原因包括齒諧波轉(zhuǎn)矩引起的噪聲，磁鋼寬度對(duì)齒諧波轉(zhuǎn)矩有著較大的影響。因此，在方案上對(duì)磁鋼寬度的變化及斜槽對(duì)諧波轉(zhuǎn)矩的影響進(jìn)行量化分析。

當(dāng)永磁電動(dòng)機(jī)電樞繞組未接通電源，而令轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，定子與永磁磁場(chǎng)相互作用在旋轉(zhuǎn)方向上產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，稱(chēng)為齒諧波轉(zhuǎn)矩，也叫齒槽轉(zhuǎn)矩。其定義為電機(jī)不通電時(shí)的磁場(chǎng)能量W相對(duì)于位置角α的負(fù)導(dǎo)數(shù)。

首先，對(duì)磁鋼的寬度進(jìn)行參數(shù)化，在模型中定義的是磁鋼極弧寬度，即磁鋼的弧長(zhǎng)與極距的比例，范圍0.75～0.8，步長(zhǎng)0.01，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7　參數(shù)化極弧系數(shù)齒諧波轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果

從圖7在2D仿真結(jié)果中可以得出：在極弧系數(shù)從0.75～0.8變化的過(guò)程中，齒諧波轉(zhuǎn)矩逐漸增大。其波動(dòng)在86 mN·m～159 mN·m范圍內(nèi)，技術(shù)要求中額定轉(zhuǎn)矩為388 mN·m（0.388 N·m），齒諧波轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩在一個(gè)數(shù)量級(jí)，占的比重太大，且齒諧波轉(zhuǎn)矩對(duì)噪聲也有較大影響，因此必須有其他措施來(lái)降低齒諧波轉(zhuǎn)矩。

降低齒諧波轉(zhuǎn)矩的方法主要有三大類(lèi)，除改變永磁磁極參數(shù)的方法外，還有改變電樞參數(shù)及選擇合適的槽數(shù)和極數(shù)配合兩種方法。該項(xiàng)目極槽配合已經(jīng)選定，因此，擬采用斜槽的方式進(jìn)行削弱齒槽轉(zhuǎn)矩。

電樞斜槽時(shí)，電機(jī)氣隙和永磁體中磁場(chǎng)能量為：

式中 μ0—空氣磁導(dǎo)率

θ—磁極初始角

L—電機(jī)內(nèi)部某個(gè)位置的長(zhǎng)度

B—磁場(chǎng)強(qiáng)度

R2—定子軛內(nèi)半徑

R1—電樞外半徑

電機(jī)斜槽示意如圖8所示：

圖8　斜槽示意圖

氣隙磁密沿電樞內(nèi)表面分布表示為：

式中 θ—永磁體中心相對(duì)大齒中心的偏移角度；

α—齒中心相對(duì)磁極中心角度；

B(θ,α)—永磁體剩磁

hm—永磁體沿充磁方向的長(zhǎng)度

δ(θ,α)—走磁通氣隙長(zhǎng)

式中 NS—電樞所斜的槽數(shù)

La—電樞鐵心軸向長(zhǎng)度

θs1—用弧度表示電樞齒距

則齒諧波轉(zhuǎn)矩為：

針對(duì)斜不同齒距對(duì)電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩情況進(jìn)行計(jì)算分析，得到如圖9所示。

圖9　不同斜槽齒矩的齒諧波轉(zhuǎn)矩

從圖9可以得出：斜槽為一個(gè)齒距的情況下，原理上是可以消除齒諧波轉(zhuǎn)矩的。本方案選取了斜一個(gè)齒距的方案，但在工程應(yīng)用中，即使精確的斜槽一個(gè)齒距，也不能完全消除齒諧波轉(zhuǎn)矩，主要原因?yàn)椋?/p>

1）同一臺(tái)電機(jī)中的永磁材料的性能及制造工藝存在離散性。

2）斜槽并不能削弱永磁體端部和鐵心端部之間產(chǎn)生的齒諧波轉(zhuǎn)矩。

3.4開(kāi)環(huán)控制的瞬態(tài)分析

該直流無(wú)刷電機(jī)控制器為分立元件搭建，是三相六狀態(tài)全橋驅(qū)動(dòng)方式，每一時(shí)刻電機(jī)繞組均有兩相導(dǎo)通，沒(méi)有反饋閉環(huán)調(diào)速。因瞬態(tài)分析與控制有很大關(guān)系，所以外電路部分用成熟的電路進(jìn)行，驅(qū)動(dòng)方式與實(shí)際控制方式一致，導(dǎo)出外電路如圖10所示：

圖10　直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)控制電路圖

瞬態(tài)分析結(jié)果如圖11所示：

圖11　瞬態(tài)分析參數(shù)

對(duì)于三相無(wú)刷電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，伴隨著控制系統(tǒng)對(duì)三相繞組電流的通/斷控制，將會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩中包含有一系列高次諧波轉(zhuǎn)矩，這些諧波轉(zhuǎn)矩將作為激振力作用到電機(jī)上，如果諧波轉(zhuǎn)矩的振動(dòng)頻率與電動(dòng)機(jī)的固有振動(dòng)頻率接近而處于共振狀態(tài)，將會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)烈的噪聲。電動(dòng)機(jī)的固有頻率很難進(jìn)行量化的計(jì)算，器件及負(fù)載參數(shù)的不確定也使得控制器較難進(jìn)行量化的計(jì)算，在工程化應(yīng)用中，一般采用控制器與實(shí)際產(chǎn)品進(jìn)行聯(lián)調(diào)后再進(jìn)行改進(jìn)的方法實(shí)施。

4　工藝裝配設(shè)計(jì)

該電機(jī)在結(jié)構(gòu)上充分考慮了工藝裝配的影響因素，主要有：

1）轉(zhuǎn)子跟蹤磁鋼比印制板組件低，軸向活動(dòng)距離大，便于拆卸；

2）兩個(gè)軸承蓋的結(jié)構(gòu)形式，定子和后端蓋的軸承室均為通孔，能夠進(jìn)行尺寸精度要求較高的磨加工，且方便與軸承進(jìn)行配加工，保證良好的公差配合；

3）轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡精度要求達(dá)到G1.0級(jí)，為與實(shí)際使用相一致，做動(dòng)平衡時(shí)安裝了鋼質(zhì)半鍵；

4）結(jié)構(gòu)上應(yīng)用了有效的措施，在加工的重要環(huán)節(jié)嚴(yán)格控制。

電機(jī)機(jī)械振動(dòng)噪聲主要是軸承噪聲和不平衡振動(dòng)噪聲。因無(wú)風(fēng)扇，且轉(zhuǎn)子表面是光滑的鋼護(hù)套，風(fēng)扇噪聲可以不作考慮。轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡精度較高，所以該電機(jī)機(jī)械振動(dòng)噪聲源主要來(lái)自軸承，在軸承的選用上需進(jìn)行細(xì)致的試驗(yàn)摸索。

5　研制結(jié)果

表4　研制結(jié)果

本文通過(guò)對(duì)目標(biāo)電機(jī)進(jìn)行參數(shù)分析，靜態(tài)有限元、瞬態(tài)有限元及帶控制器驅(qū)動(dòng)分析，運(yùn)用優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)技術(shù)，成功進(jìn)行了電機(jī)本體的設(shè)計(jì)工作，在加工、結(jié)構(gòu)、裝配期間充分考慮，通過(guò)對(duì)樣機(jī)的測(cè)試，其技術(shù)指標(biāo)滿足要求，噪聲控制在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，為同類(lèi)型低噪聲馬達(dá)的設(shè)計(jì)提供了參考。

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中圖分類(lèi)號(hào)TM302

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1674-2796（2014）01-0001-07

[收稿日期]2013-11-01

[作者簡(jiǎn)介]錢(qián)志存（1979-），男，在職研究生，工程師，主要從事無(wú)刷電機(jī)的設(shè)計(jì)及特種電機(jī)在電動(dòng)工具上的應(yīng)用等工作。

Development of Low-noise Brushless Motor

Qian Zhicun
(TTI group Guangdong Dongguan 523960)

Abstract:By analyzing the parameters of the target motor, the Static finite element, the transient finite element and controller drive, using the optimization simulation design technology, then design the motor. Fully considered during the process, construction and assembly, technical indicators meet the requirements, noise control within a preset range and try to provide ways for the same type of low-noise motor to design.

Keyword:BLDCNoise driving componentSimulationCogging torqueFEA(Finite Element Analysis)