鄭 鑫， 邱澤晶， 彭旭東

[南瑞(武漢)電氣設(shè)備與工程能效測評中心,湖北 武漢 430074]

0 引 言

空調(diào)室外通風(fēng)機(jī)用電動機(jī)普遍采用電容起動與運轉(zhuǎn)式單相異步電動機(jī)驅(qū)動，效率一般在40%以下[1]。三相無刷直流電動機(jī)體積小、重量輕、調(diào)速性能好、效率高、節(jié)能效果好、輸出轉(zhuǎn)矩大[2-3]，實踐表明： 三相無刷直流電動機(jī)驅(qū)動的通風(fēng)機(jī)比普通感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動的通風(fēng)機(jī)節(jié)能約20%[4]。效率的提高使得風(fēng)機(jī)的耗能明顯下降。這一功率等級的三相無刷直流電動機(jī)及其驅(qū)動系統(tǒng)的成本很低，其應(yīng)用前景被廣大家用空調(diào)制造廠看好,同時對其尺寸、耐壓程度、齒槽轉(zhuǎn)矩等提出新的要求。因此，合理設(shè)計三相無刷直流電動機(jī)有重要意義。

本文研究的三相無刷直流電動機(jī)用于驅(qū)動通風(fēng)機(jī)，設(shè)計了一款額定功率200W，額定轉(zhuǎn)速1800r/min 的三相無刷直流電動機(jī)，給出了設(shè)計思路，并利用Ansys/Maxwell 2D建立了該電動機(jī)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(jìn)行仿真，并在此基礎(chǔ)上制造樣機(jī)，完成了測功試驗，驗證了Maxwell 2D有限元仿真分析的準(zhǔn)確性，表明了無刷直流電動機(jī)節(jié)能效果顯著的特點。

1 電動機(jī)電磁設(shè)計

1.1 主要技術(shù)指標(biāo)

該方案的電動機(jī)額定功率PN=200W，額定電流IN=1A，額定轉(zhuǎn)速nN=1800r/min，輸出轉(zhuǎn)矩T=1.3N·m，電機(jī)效率η在75%以上。

1.2 三相無刷直流電動機(jī)主要尺寸

式中：nN——額定轉(zhuǎn)速，取1800r/min；

L——鐵心長度；

P——計算功率；

Kφ——極弧系數(shù)；

KW——基波繞組系數(shù)；

A——電負(fù)荷；

Bδ——氣隙磁密平均值。

電動機(jī)性能和成本的影響主要在于電動機(jī)的長徑比，電動機(jī)的長徑比在0.7～1.5浮動。在設(shè)計無刷直流電機(jī)過程中，考慮到通風(fēng)機(jī)尺寸限制及慣性大的特點，電動機(jī)長徑比適當(dāng)選擇小一些[6]。

1.3 磁性材料

對于永磁無刷直流電動機(jī)，如果電動機(jī)轉(zhuǎn)子尺寸相同，那么轉(zhuǎn)矩與氣隙磁密成正比，而氣隙磁密與磁極材料密切相關(guān)[7]。無刷直流電動機(jī)上應(yīng)用的磁性材料主要是鐵氧體和釹鐵硼。鐵氧體主要原料是金屬氧化物，其化學(xué)穩(wěn)定性好、重量輕、電阻高，可在-40～200℃工作，其矯頑力的溫度系數(shù)為0.27%/K。在允許范圍內(nèi)溫度越高，矯頑力越高。釹鐵硼矯頑力溫度系數(shù)為-(0.4～0.7) %/K，通常最高工作溫度低于150 ℃，溫度穩(wěn)定性能比鐵氧體差[8]。就剩磁Br和矯頑力Hc而言，釹鐵硼材料比鐵氧體要大，在相同尺寸條件下可提供更大的氣隙磁通，電動機(jī)輸出更大的轉(zhuǎn)矩，但釹鐵硼價格遠(yuǎn)超過鐵氧體。

永磁無刷直流電動機(jī)可通過增加磁鐵厚度和供磁面積來增大氣隙磁通[9]。轉(zhuǎn)子磁極采用磁性較弱的鐵氧體，磁負(fù)荷較低，電動機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩和輸出轉(zhuǎn)矩波動較小，能減小噪音及實現(xiàn)電動機(jī)較平穩(wěn)運行[10]。

綜上所述，在電動機(jī)尺寸允許的情況下，使用鐵氧體作為磁性材料是最合適的選擇。

1.4 永磁體結(jié)構(gòu)的選擇

無刷直流電動機(jī)最常用的磁極結(jié)構(gòu)有瓦片狀、面包狀、圓筒狀等幾種[11-12]，如圖1所示。

圖1 常用磁極結(jié)構(gòu)

本方案設(shè)計的電動機(jī)采用面包狀磁極，其具有以下優(yōu)點：

(1) 永磁體加工方便，生產(chǎn)效率高，且比瓦片狀磁極節(jié)省材料；

(2) 方便對永磁體外圓厚度和極弧寬度進(jìn)行優(yōu)化，可抑制齒槽轉(zhuǎn)矩[13]。

1.5 永磁體厚度

永磁體是永磁電機(jī)的磁動勢源，表貼式結(jié)構(gòu)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，此外還需考慮抑制最大過流時的去磁能力。在利用Ansys軟件設(shè)計電機(jī)過程中，可根據(jù)經(jīng)驗預(yù)估永磁體的磁化方向長度，計算校驗出永磁體的空載工作點，使得Bδ=(0.6～0.85)Br[14]。

1.6 電樞有效鐵心長度

鐵氧體永磁無刷直流電機(jī)電負(fù)荷大，降低電動機(jī)制造成本的關(guān)鍵在于降低銅的用量。電動機(jī)設(shè)計中采用較大的鐵心長度可有效提高電動機(jī)的銅利用率，降低電動機(jī)的制造成本[15]。

2 電動機(jī)Ansys/Maxwell建模

三相無刷直流電動機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 電動機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)表

首先將利用RMxprt建立的電機(jī)模型導(dǎo)入Maxwell 2D中，通過定義電動機(jī)各部分材料和邊界條件，施加激勵源和進(jìn)行網(wǎng)格剖分等步驟[16-17],建立三相無刷直流電動機(jī)有限元網(wǎng)格剖分二維模型，如圖2所示。建模過程如下。

(1) 根據(jù)已知參數(shù)在CAD中畫好模型圖，導(dǎo)入Maxwell 2D，建立三相無刷直流電動機(jī)的二維有限元模型。

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

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

(4) 確定電動機(jī)額定負(fù)載、求解時間的步長、運動邊界條件等。

圖2 電動機(jī)有限元網(wǎng)格剖分二維模型

3 電動機(jī)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1A電流，仿真電動機(jī)切向磁云密度分布，如圖3所示。通過Maxwell靜磁場可求出空載氣隙磁密為0.28T，滿足設(shè)計要求。

圖3 電動機(jī)切向磁云密度分布

給三相電樞繞組施加1A電流，仿真電動機(jī)在不同位置下的磁場分布，如圖4所示。從圖4可知，不同時刻的負(fù)載磁場分布；主磁通與轉(zhuǎn)子磁極交鏈，參與機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。從圖4還可知轉(zhuǎn)子磁極漏磁通經(jīng)過氣隙、定子齒后回到轉(zhuǎn)子磁極，不與定子繞組交鏈，不參與機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。

圖4 電動機(jī)磁場分布

3.2 反電勢波形

電動機(jī)的反電勢波形如圖5所示。一般情況下電機(jī)的反電動勢接近梯形，該反電勢有效值為49.6V。

圖5 電動機(jī)的反電勢波形

3.3 齒槽轉(zhuǎn)矩

在Maxwell 2D模型中，用電壓源計算，電阻設(shè)為無窮大，計算得到電動機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩如圖6所示。從圖中可測出齒槽轉(zhuǎn)矩的最大值為0.081N·m。

圖6 電動機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩

3.4 氣隙磁密

圖7 電動機(jī)氣隙磁密波形

利用Ansys軟件的Maxwell 2D求解靜磁場，得到樣機(jī)氣隙磁密的波形如圖7所示，求得靜磁場氣隙最大磁密Bδmax=0.34T，對氣隙磁密傅里葉分解得磁場諧波次數(shù)及幅值，如表2所示。由表2中數(shù)據(jù)求出諧波畸變率為39.2%。

表2 磁場諧波次數(shù)及幅值

3.5 輸出轉(zhuǎn)矩

永磁無刷直流電機(jī)在施加200V電壓時，考慮電動機(jī)的起動過程,電動機(jī)在nN=1800r/min過程中的電磁轉(zhuǎn)矩如圖8所示。電動機(jī)穩(wěn)定運行后，其電磁轉(zhuǎn)矩平均值為1.3N·m，最高點和最低點相差0.64N·m，輸出轉(zhuǎn)矩較平穩(wěn)。

圖8 帶起動過程的電磁轉(zhuǎn)矩

4 樣機(jī)試驗驗證

根據(jù)上述參數(shù)制作了樣機(jī)，樣機(jī)定子、轉(zhuǎn)子、機(jī)殼如圖9所示。

圖9 樣機(jī)定子、轉(zhuǎn)子、機(jī)殼圖

風(fēng)扇負(fù)載與轉(zhuǎn)速的立方成正比，通過調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)風(fēng)扇的風(fēng)量。本文設(shè)計的電動機(jī)在50%～60%額定負(fù)荷下運行。傳統(tǒng)的感應(yīng)電機(jī)，每時每刻都需要勵磁電流，故電動機(jī)在輕載低速運行時比滿載額定運行時的輸入功率未明顯減小，輕載時效率較低。當(dāng)通風(fēng)機(jī)負(fù)荷變化時，可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，能大大減少電動機(jī)的輸入功率，從而達(dá)到節(jié)約能源的目的。風(fēng)扇在4個不同轉(zhuǎn)速時，電動機(jī)的性能測試值如表3所示。從表中可看出，在不同轉(zhuǎn)速時(低速)，電動機(jī)輸出功率分別為51.5、100.2、150.8W時，電動機(jī)的效率都在60%以上，這充分體現(xiàn)了三相無刷直流電動機(jī)節(jié)能、高效的優(yōu)點。

表3 不同轉(zhuǎn)速下電動機(jī)性能測試值

電動機(jī)在200V直流電壓，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到額定轉(zhuǎn)速nN=1800r/min時，用測功機(jī)對樣機(jī)進(jìn)行測驗。軟件計算值和樣機(jī)測試值對比如表4所示。

由表4可知，用Maxwell軟件計算的理論值和樣機(jī)實驗值較接近，誤差都在5%以內(nèi)，驗證了設(shè)計的準(zhǔn)確性和方案的可靠性。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計了一款1800r/min，12槽8極，200W三相無刷直流電動機(jī)，利用Maxwell 2D軟件對該電動機(jī)進(jìn)行了仿真分析，并與試驗值進(jìn)行了對比，驗證了仿真的可靠性。該電動機(jī)已成功應(yīng)用于驅(qū)動某款通風(fēng)機(jī)，并批量生產(chǎn)，實際節(jié)能效果顯著。

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