郝宏亮，李 雪

（國網(wǎng)徐州供電公司，江蘇 徐州 221009）

0 引言

永磁無刷直流電機(jī)是由永磁體建立勵磁磁場的直流電機(jī)。它除了具有普通電勵磁直流電機(jī)所具備的下垂的機(jī)械特性、線性的調(diào)節(jié)特性、調(diào)速范圍寬和便于控制等優(yōu)點(diǎn)外，還具有體積小、效率高、用銅量少、結(jié)構(gòu)簡單和運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于家用電器、辦公機(jī)械、電動工具、醫(yī)療器械、精密機(jī)床等方面［1，2］。

本文針對永磁無刷直流電機(jī)進(jìn)行設(shè)計。采用磁路法，應(yīng)用計算機(jī)進(jìn)行電磁計算，提高了電機(jī)設(shè)計的效率性及準(zhǔn)確性。

1 永磁電機(jī)的電磁設(shè)計方法

目前對永磁電機(jī)設(shè)計的研究工作主要集中在電機(jī)的電磁分析、性能與損耗計算以及電機(jī)控制器的設(shè)計上，并取得了相當(dāng)多的進(jìn)展。對于永磁電機(jī)的分析與計算，當(dāng)前主要有以下4種方法：（1）磁路法。它是電機(jī)分析的傳統(tǒng)方法，用磁路來代表場，需要大量的經(jīng)驗(yàn)公式和參數(shù)，合理選擇這法計算直接、簡單，適用于電機(jī)設(shè)計的初步參考［3，4］。（2）有限元法。具有單元算法統(tǒng)一，剖分靈活、通用的優(yōu)點(diǎn)，但是計算時間較長，使得計算時間問題很突出。（3）等效磁網(wǎng)絡(luò)法。依據(jù)等效一對極范圍內(nèi)磁路結(jié)構(gòu)，將電機(jī)中磁通幾何形狀較規(guī)則、分布較均勻的部分作為一個獨(dú)立單元。但以路的方法來分析磁場，參數(shù)選擇困難，電機(jī)設(shè)計的精度難以保證［5-8］。（4）場路結(jié)合法。通過電磁場數(shù)值計算，可以較準(zhǔn)確地求出電機(jī)的各種計算參數(shù)，能有效的提高電機(jī)設(shè)計的準(zhǔn)確性。但計算也比較復(fù)雜［9］。

2 磁路法設(shè)計永磁無刷直流電機(jī)

2.1 磁路法原理

本文將采用磁路法來設(shè)計永磁無刷直流電機(jī)。電機(jī)磁路主要由永磁體、轉(zhuǎn)子軛部、氣隙、定子齒、定子軛部等部分組成，永磁電機(jī)運(yùn)行時，永磁體想外磁路提供的磁動勢Fm和磁通Фm都是變化的，根據(jù)電路知識，類似的將永磁體等效為一個磁勢源以簡化磁路結(jié)構(gòu)，磁路結(jié)構(gòu)如圖l 所示。

圖1 永磁無刷直流電機(jī)等效磁路

Fc為永磁體磁動勢源的計算磁動勢；Λ0為內(nèi)磁導(dǎo)；Фm為總磁通；Λr為轉(zhuǎn)子軛磁導(dǎo)；Λσ為極間漏磁導(dǎo)；Fad為直軸去磁磁勢；Фσ為漏磁通；Фμ為主磁通；Λδ為氣隙磁導(dǎo)；Λτ定子齒磁導(dǎo)；Λa為定子軛磁導(dǎo)。得到磁通、磁勢方程：

求解得漏磁系數(shù)：

空載時Fa=0，此時

如果永磁體設(shè)計采用外置徑向瓦片結(jié)構(gòu)，漏磁將主要存在于齒部、氣隙和軛部，將氣隙、軛部和齒部磁導(dǎo)構(gòu)成磁路主磁導(dǎo)Λδ’，令（2/Λδ+2/Λτ+1/Λa）=1/Λδ’，則σ0=Λσ/Λδ’。電樞反應(yīng)呈去磁時，F(xiàn)ad為正，此時Фm，Фμ減小，Фσ增大，同時磁勢ΣF 減小，永磁體提供的有效磁通減小，導(dǎo)致永磁體工作點(diǎn)降低；當(dāng)電樞反應(yīng)呈增磁時，F(xiàn)ad為負(fù)，此時Фm，Фμ增大，Фσ減小，同時磁勢ΣF增大，永磁體工作點(diǎn)升高。漏磁系數(shù)為磁路參數(shù)與電樞反應(yīng)的函數(shù)。

2.2 磁路法的流程設(shè)計

由于電機(jī)設(shè)計是對不同設(shè)計方案尋優(yōu)的過程，對每個設(shè)計方案都進(jìn)行有限元計算是不合適的，利用磁路法對電機(jī)設(shè)計的各參數(shù)進(jìn)行計算，并利用計算機(jī)快速完成具有巨大的優(yōu)勢。本文使用的磁路法進(jìn)行永磁無刷直流電機(jī)電磁設(shè)計過程如圖2所示，該過程在電磁設(shè)計中盡量避免電機(jī)剖面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，保持剖面磁場分布不變，充分考慮了電磁場數(shù)值計算在電機(jī)設(shè)計中的作用。

在電機(jī)設(shè)計中，往往對電機(jī)形狀有具體的要求，對電機(jī)最大直徑固定的電機(jī)設(shè)計，這種方法是有效的，但有些設(shè)計對電機(jī)長度有具體的要求，這種方法就不是很奏效［10］。

3 永磁無刷直流電機(jī)CAD 系統(tǒng)

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CAD 技術(shù)在電機(jī)設(shè)計領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。從最初的校核電機(jī)性能逐漸發(fā)展到電機(jī)的綜合設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計、電磁場性能分析、計算機(jī)繪圖等，為設(shè)計人員節(jié)省了大量時間。

本文根據(jù)場路分析法開發(fā)了一個永磁無刷直流電機(jī)CAD系統(tǒng)。本CAD 系統(tǒng)基于Windows 環(huán)境，采用Microsoft 公司的集成開發(fā)工具Visual Basic 6.0 開發(fā)。可輸入標(biāo)稱電壓，額定轉(zhuǎn)速，定轉(zhuǎn)子尺寸等參數(shù)，對所設(shè)計的電動機(jī)進(jìn)行簡單計算，永磁體尺寸，空載負(fù)載磁路，最大去磁，工作性能等計算，產(chǎn)生如槽滿率，磁密，效率，轉(zhuǎn)速，起動電流等重要輸出數(shù)據(jù)，本程序輸入、輸出界面如圖3、4 所示。

圖3 CAD 系統(tǒng)輸入界面

圖4 CAD 系統(tǒng)輸出界面

圖5 三相繞組空載反電勢曲線

圖6 電機(jī)效率-轉(zhuǎn)速曲線

本程序包括7 個模塊：（1）主程序模塊。該模塊包含一個子程序Sub DCJS（），其功能為輸入數(shù)據(jù)和調(diào)用其他模塊子程序Magcurve（），DCJS（），Output（）完成全部計算。（2）電磁計算模塊。此模塊為本程序完成計算功能的主要模塊，包含一個子程序DCJS（），在此子程序中進(jìn)行進(jìn)行簡單計算，永磁體尺寸，空載負(fù)載磁路，最大去磁，工作性能等計算。（3）變量聲明模塊。程序?qū)⒆兞柯暶骷性谝粋€模塊中進(jìn)行，其功能就是對變量、數(shù)組進(jìn)行全部可見的Public 聲明。（4）硅鋼片磁化曲線模塊。此模塊包含子程序Magcurve（），用于保存硅鋼片直流磁化曲線，損耗曲線表格，電磁計算時需要插值時為其提供數(shù)據(jù)。（5）軛部磁路校正系數(shù)模塊。軛部磁路校正系數(shù)模塊，用于計算軛部磁路長度校正系數(shù)。（6）線性插值子程序模塊。曲線插值子程序保存在此模塊中，需要對磁化曲線，損耗曲線進(jìn)行插值計算時調(diào)用。（7）輸出模塊。包含一個子程序Output（），用于生成SCdat.dat 文件，保存輸出數(shù)據(jù)。

4 有限元分析及對比

本文對一臺30W 洗衣機(jī)用永磁無刷直流電機(jī)進(jìn)行設(shè)計，利用電磁場分析軟件Ansoft 進(jìn)行仿真分析。電機(jī)采用四極六槽結(jié)構(gòu)，額定電壓24V，額定轉(zhuǎn)速為3000rpm。通過對模型進(jìn)行2D 靜態(tài)場和瞬態(tài)場仿真，用以與磁路設(shè)計結(jié)果對比［11］。

4.1 2D 靜態(tài)仿真

進(jìn)行2D 靜態(tài)仿真，利用Ansoft 計算及后處理功能，得到磁密分布圖，計算得出氣隙處磁密波形，將數(shù)據(jù)處理求出平均值空載氣隙磁密0.245T。

4.2 瞬態(tài)場空載負(fù)載仿真

二維瞬態(tài)求解器仿真空載運(yùn)行過程，設(shè)定步長為1ms，仿真0～100ms 的空載運(yùn)行過程。圖5 顯示了電機(jī)的三相繞組空載反電勢曲線，圖6 為電機(jī)效率—轉(zhuǎn)速曲線。由于工作環(huán)境的特點(diǎn)，導(dǎo)致永磁無刷直流電機(jī)工作轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)不斷變化，導(dǎo)致輸出電壓頻率和大小也隨之發(fā)生變化。為了便于分析，仿真中使電機(jī)帶純電阻負(fù)載來模擬額定工作狀況。

4.3 結(jié)果對比

將CAD 系統(tǒng)的計算結(jié)果和有限元仿真軟件Ansoft 的仿真結(jié)果對比如表1 所示。

對比結(jié)果表明，本文設(shè)計的CAD 系統(tǒng)采用磁路法計算得到的永磁無刷直流電機(jī)各參數(shù)與Ansoft 有限元仿真結(jié)果接近，該CAD系統(tǒng)具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。

實(shí)際設(shè)計中由于電機(jī)的結(jié)構(gòu)、材料、負(fù)載等因素需要對計算結(jié)果進(jìn)行合理取舍，該CAD 系統(tǒng)以其計算簡便，結(jié)果可靠的特點(diǎn)將成為永磁無刷直流電機(jī)設(shè)計中重要的設(shè)計工具。

表1 電機(jī)參數(shù)計算和仿真結(jié)果

［1］唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［2］李鐘明，劉衛(wèi)國.稀土永磁電機(jī)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1999.

［3］陳世坤.電機(jī)設(shè)計［M］.北京：機(jī)械下業(yè)出版社，2005.

［4］湯蘊(yùn)璆.電機(jī)內(nèi)的電磁場［M］.北京：科學(xué)出版社，1998.

［5］Zhuoran Zhang，Yangguang Yan，Shanshui Yang，Zhou Bo.Development of a New Permanent-Magnet BLDC Generator Using 12-Phase Half-Wave Rectifier［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2009（6）.

［6］邱國平.永磁直流電機(jī)主要尺寸的目標(biāo)設(shè)計法［J］.微電機(jī)，1994（2）.

［7］Sheppard Salon，Kiruba Sivasubramaniam.The effect of asymmetry on torque in permanent magnet motors［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2001（2）.

［8］Godwin G.L.Optimum Machine Design by Digital Computer［J］.AIEE，PT.Ⅲ-A，1979.

［9］方瑞明，胡虔生.永磁直流無刷電機(jī)設(shè)計混合型專家系統(tǒng)的研究［J］.微電機(jī)，2001（5）.

［10］童懷.磁阻電機(jī)動態(tài)特性的非線性分析與計算機(jī)仿真［M］.南京：科學(xué)出版社，2000.

［11］張岳.ANSOFT 在直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計中的應(yīng)用［J］.微特電機(jī)，2008（11）.