趙偉棟，謝 衛(wèi)，萬樹春

(上海海事大學，上海 201306)

0 引言

永磁無刷直流電動機具有運行效率高、調(diào)速性能好以及可靠性高等優(yōu)點。隨著永磁材料、電力電子器件、微電子器件、變流技術、電機技術、計算技術及其控制理論的進步，現(xiàn)代永磁無刷直流電動機得到了很大的發(fā)展，使之被廣泛地用于機床、汽車、視聽設備、計算機外部設備、醫(yī)療和家用電器等領域。因此，無刷直流電動機的設計就顯得十分重要。針對無刷直流電動機的磁路法計算準確度不高，目前采用最多的是場路結(jié)合法。

筆者將運用有限元軟件ANSOFT結(jié)合磁路法設計一臺永磁無刷直流電動機，將兩種方法的計算結(jié)果進行比較，并且對其進行空載特性分析，另外還驗證了定子斜槽對于抑制齒槽轉(zhuǎn)矩的作用。

1 技術指標

永磁無刷直流電動機的技術參數(shù)為:額定功率20 kW、額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min、額定輸入直流電壓360 V，轉(zhuǎn)矩類型為恒轉(zhuǎn)矩負載。

2 基于磁路法的無刷直流電動機設計

2.1 電機主要尺寸的確定

電機的主要尺寸主要包括電樞的外徑和電樞鐵心的長度，可以通過式(1)確定。要確定這兩個參數(shù)，首先要確定另一些參數(shù)。對于連續(xù)運行的永磁無刷直流電動機，一般取線負荷:A=30～100 A/cm(微型電動機)，A=100～300 A/cm(小型電動機)［1］，該電機取 250 A/cm。

2.2 永磁體材料和結(jié)構(gòu)

目前電機工業(yè)中應用的永磁材料主要是鋁鎳鈷、硬磁鐵氧體和稀土磁體三大類。鋁鎳鈷永磁體的主要特點是剩磁高、溫度系數(shù)低、居里溫度高，但是矯頑力低，抗退磁能力差。鐵氧體永磁材料的特點是價格低廉、有較高的矯頑力，但磁能積低。

筆者采用燒結(jié)釹鐵硼永磁體。釹鐵硼永磁體磁性能十分優(yōu)異，而且具有高的磁能積、高矯頑力，更為重要的是它的退磁曲線為直線，回復線與退磁曲線基本重合。這樣，電機的動態(tài)工作點就在這條直線上移動，有很寬的調(diào)速范圍，不容易去磁。與鐵氧體磁鐵相比，要獲得相同氣隙磁密的話，釹鐵硼材料用量要更少。

永磁體在轉(zhuǎn)子中的擺放結(jié)構(gòu)也有很多種，主要有表貼式(見圖1)、面包型表貼式、內(nèi)置切向式和內(nèi)置徑向式，分別如圖2(a)、(b)、(c)、(d)所示。有學者對相同磁體體積的這四種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子進行了比較［3］，發(fā)現(xiàn)表貼式結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子氣隙磁通密度最大，因此筆者采用表貼式的徑向磁路結(jié)構(gòu)，如圖1所示。永磁體之間用隔磁塊分開，并且為了在高速轉(zhuǎn)動時維持永磁體不會被甩出，用緊圈進行固定。

圖1 表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

圖2 不同的永磁體擺放結(jié)構(gòu)

2.3 相數(shù)、槽數(shù)和槽形的確定

無刷直流電動機的相數(shù)越多，雖然可以減少一定的轉(zhuǎn)矩脈動，但是相數(shù)增多會增加控制電路的成本和復雜程度，這里用三相即可。

筆者設計的電動機的體積不小，對于高速電機和轉(zhuǎn)子體積比較大的電機中，轉(zhuǎn)子的平衡非常重要。如果選用偶數(shù)槽，對轉(zhuǎn)子的平衡有極大的作用。筆者采用24槽，并且由于梨形槽比梯形槽槽面積利用率較高，沖模壽命較長，而且槽絕緣的彎曲程度較小，不易損傷，所以采用梨形槽［4］。

槽形確定后，要確定其尺寸，首先要確定槽口寬。槽口寬的選用原則是:槽口寬必須大于單根漆包線的線徑，并應考慮到槽口的槽絕緣厚度［5］。

Bs0≥da+(0.03+0.05)cm (3)式中，Bs0為槽口寬;da為單根漆包線的線徑。本設計導線直徑為1.06 mm，槽口寬度為Bs0=2.4 mm。

3 有限元的計算和分析

ANSOFT能夠?qū)⒌碾妱訖C模型進行網(wǎng)格剖分然后進行有限元計算。將根據(jù)磁路法設計的電機模型導入到ANSOFT中建立電動機模型。

3.1 參數(shù)比較

運用ANSOFT有限元軟件中的RMxprt模塊對電機進行磁場解析法的計算，將得到的參數(shù)值與上述基于磁路設計的參數(shù)值進行比較。(見表1)

表1 磁路法與有限元法計算出的參數(shù)對比 T

從表1中可以看出，定子軛磁密相對偏大，設計合理性還有待提高。另外可以看出，磁路法和有限元法計算出的參數(shù)還是有差距的，有限元法精度更高，對于磁路法中必須用經(jīng)驗公式計算的參數(shù)來說，用有限元法計算出來的結(jié)果比較可靠。

3.2 齒槽轉(zhuǎn)矩分析

永磁無刷直流電機的齒槽轉(zhuǎn)矩是電樞鐵心的齒槽與轉(zhuǎn)子永磁體相互作用而產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，是引起無刷直流電動機轉(zhuǎn)矩脈動的一個因素。設計電機的齒槽轉(zhuǎn)矩如圖3(a)所示，峰值最高為2.575 8 N·m。根據(jù)文獻資料，定子斜槽能夠有效抑制齒槽轉(zhuǎn)矩，因此，對已設計出的電機進行優(yōu)化，將原來的槽改為斜槽，對于整數(shù)槽電機，斜槽角為［6］:

改進后的齒槽轉(zhuǎn)矩如圖3(b)所示，峰值最高僅有0.467 3 N·m，明顯減小了齒槽轉(zhuǎn)矩，驗證了理論。

圖3 齒槽轉(zhuǎn)矩

3.3 空載特性分析

運用MAXWELL 2D模塊的Transient計算器對該電動機進行瞬態(tài)場分析，其空載電樞電流波形以及轉(zhuǎn)速曲線分別如圖4(a)、(b)所示。圖4(a)中計算出空載電樞電流的均方根為0.082 A，空載轉(zhuǎn)速為3 127.86 r/min。從結(jié)果看，空載電流偏大，可見設計還不是很合理，有待改進。

3.4 轉(zhuǎn)矩脈動分析

該電機的轉(zhuǎn)矩曲線如圖5(a)所示，平均轉(zhuǎn)矩145.939 N·m，峰值轉(zhuǎn)矩164.601 N·m，轉(zhuǎn)矩脈動12.8%。而經(jīng)過斜槽優(yōu)化后的轉(zhuǎn)矩如圖5(b)所示，其平均轉(zhuǎn)矩為147.746 N·m，峰值轉(zhuǎn)矩為164.799 N·m，轉(zhuǎn)矩脈動為11.5%。

圖4 空載特性

圖5 轉(zhuǎn)矩脈動

4 結(jié)語

筆者采用場路結(jié)合法設計了一臺額定功率20kW的永磁無刷直流電動機，對其空載特性進行了分析，驗證了場路結(jié)合法設計無刷直流電動機的合理性，并且用有限元軟件對該無刷直流電動機的空載特性進行了分析，并且對該電動機的齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動進行了優(yōu)化前后的對比，驗證了定子斜槽可以有效抑制齒槽轉(zhuǎn)矩。

［1］戴文進，張景明.電機設計［M］.北京:清華大學出版社，2011.

［2］唐任遠.現(xiàn)代永磁電機理論與設計［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2000.

［3］Jabbar M A，Khambadkone A M，Liu Qinghua.DESIGN AND ANALYSIS OF EXTERIOR AND INTERIOR TYPE HIGH-SPEED PERMANENT［C］，National University of Singapore，AUPEC 07，2007.

［4］白婭梅，羅玲，黃其.場路結(jié)合的9 kW 永磁無刷直流電動機設計［M］.北京:微電機，2012(9).

［5］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(yè)出版社，2009.

［6］譚建成.永磁無刷直流電機技術［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2011.