姚光久，谷愛昱，江偉

(廣東工業(yè)大學(xué)，廣東廣州 510000)

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無槽電機的設(shè)計與仿真

姚光久，谷愛昱，江偉

(廣東工業(yè)大學(xué)，廣東廣州 510000)

通過RMxprt有限元仿真軟件，設(shè)計一款4極9槽、20000r/min、30W的無槽無刷直流電機，獲得性能參數(shù)曲線與數(shù)據(jù)，將仿真數(shù)據(jù)與理論計算數(shù)據(jù)進行對比，驗證電機設(shè)計的合理性。通過仿真數(shù)據(jù)可知在Maxwell 2D和RMxprt里選擇RMxprt更適合與無槽無刷電機的仿真和計算。

無槽無刷電機；設(shè)計；有限元；仿真

0 引言

電機主要用于石化、交通工具、能源、電力等與生活相關(guān)的驅(qū)動和生產(chǎn)裝置。無槽無刷電機與傳統(tǒng)電機相反，是以自控式方式運行的，消除像變頻調(diào)速下重載起動的同步電機那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動繞組，在轉(zhuǎn)換端不會出現(xiàn)火花和磨損，也不會在負載突變時產(chǎn)生振蕩和失步。無槽擴大了繞組的布置空間、降低鐵耗、減少渦流損耗。

對于高速運行的電機來說，直流電機最為合適。對于調(diào)速的場合，宜采用無刷直流電動機變頻器調(diào)速，本文結(jié)合無刷電機的優(yōu)點，設(shè)計了一款4級9槽的30W電機。

1 無槽無刷直流電機的設(shè)計

1.1 主要技術(shù)指標

本方案的電機驅(qū)動電壓Un=12V，額定功率Pn=30W，額定轉(zhuǎn)速nN=20000r/min，額定電流In=2.85A，效率η=85%?？刂葡到y(tǒng)采用120°兩相無刷導(dǎo)通三相六狀態(tài)方波設(shè)計，電機允許運行溫度≤80℃。在Maxwell Circuit Elements/Dedicates Elements中設(shè)計控制電路。

1.2 電機主要尺寸的確定

電機長徑比λ=Lef/Da的選擇對電機的性能、重量、成本有很大的影響。永磁直流電機設(shè)計中一般取λ=0.6～1.5.電樞直徑計算如下

式中，P—電機的額定功率；αi—極弧系數(shù)；A—電負荷；Bδ—磁負荷；λ—電機長徑比；n—電機轉(zhuǎn)速；Kp—短路系數(shù)。

電負荷A取30A/cm，平均氣隙磁密Bδ取0.75T，考慮電機尺寸，定子外徑Da=15.6mm，鐵心長度6mm[3]。

氣隙在0.3～0.8mm之間，氣隙過小會造成磁飽和，損耗永磁體的磁性，氣隙過小影響電機的電磁轉(zhuǎn)換，一般去0.5mm為宜。

1.3 永磁體材料及厚度的確定

無槽電機的齒部采用不導(dǎo)磁塑料材質(zhì)，方便繞線圈和對線圈進行塑形。定子軛部分和定子部分不是一個材料，可以自由拆卸和組合。

無槽電機要考慮電機的性能，本文永磁材料是鐵釹硼，鐵釹硼材料的剩余磁感應(yīng)強度和最大磁能積比較大，滿足無槽時氣隙空間變大磁密和磁感應(yīng)強度保持不變的要求。為了避免電機在負載時電樞反電動勢過大，對永磁材料發(fā)生不可逆的去磁作用，適當設(shè)計鐵釹錋的厚度，厚度設(shè)為hM=3mm[4]。

2 電機的有限元設(shè)計

2.1 電機的有限元模型的設(shè)立

電機主要參數(shù)如表1所示。電機的網(wǎng)格剖分見圖1，磁密云圖見圖2，磁力線見圖3。

表1 電機的主要參數(shù)

利用電機分析軟件ANSYS/RMxprt建立無槽無刷電機二維有限元模型，建模過程如下。

(1)打開Maxwell/RMxprt進入二維界面，確定其求解環(huán)境。

(2)從RMxprt電機模塊中的15種常用電機選擇Brushless Permanent-Magnet DC Motor。

(3)選擇以后給電機零件定型，添加RMxprt材料庫。沒有的添加材料磁化曲線B-H和鐵耗曲線B-P，確定材料屬性，如永磁體材料NdFeB40-SH，剩磁Br=1.26T,矯頑力Hc=1600kA/m。

(4)確定電樞繞組的節(jié)距和極距，確定線圈的匝數(shù)和線徑，建立A、B、C三相繞組。對電機的各部位進行網(wǎng)格剖分。網(wǎng)格剖分的要求一般是定轉(zhuǎn)子鐵心>永磁體>定子繞組>band，見圖1。

(5)將在RMxprt中設(shè)計好的模型導(dǎo)入Maxwell 2D中，進行一系列求解的設(shè)置。

(6)確定電機求解中的各種損耗、起始角、運動周期、激勵源、邊界條件等。

(7)根據(jù)電機額定要求，確定轉(zhuǎn)動慣量、阻尼、運動速度、求解時間、負載轉(zhuǎn)矩等[5]。

圖1 電機的網(wǎng)格剖分

圖2 電機的磁密云圖

圖3 電機的磁力線分布圖

2.2 電機相電壓、相電流和阻抗的確定

定子繞組一相的感應(yīng)電動勢Ea的方程式為

式中，La—定子鐵心長度；V—轉(zhuǎn)子磁鋼表面旋轉(zhuǎn)線速度；αδ—極弧系數(shù)；m—定子繞組相數(shù)；Na—每一相總導(dǎo)體數(shù)。

由額定電壓、電流和功率可以得到額定的電流。電阻與電感之的關(guān)系如下[6]

式中，D—轉(zhuǎn)子外徑；d—線圈直徑。

通過電阻就可以求出相應(yīng)的電感。電機的損耗主要包括銅損耗、鐵心損耗、機械損耗。這些損耗對電機的效率有影響[7、8]。理論設(shè)計完成后進行模擬仿真，仿真結(jié)果的操作步驟如下。

熱負荷=電流密度×線負荷，電流密度值≤15

熱負荷：Maxwell2D/Magnetic/EddyCurrent/Fields/other/thermalload

電樞電流：Maxwell/Result/CreateTransientReport/RectangularPlot/Winding/Current

電樞電壓：Maxwell/Result/CreateTransientReport/RectangularPlot/Winding/Voltage

轉(zhuǎn)速：Maxwell/Result/CreateTransientReport/RectangularPlot/Speed

轉(zhuǎn)矩：Maxwell/Result/CreateTransientReport/RectangularPlot/Torque

電機效率=輸出功率Pout/輸入功率Pin

輸出功率Pout=Torque×speed/9.55

輸入功率Pin=輸出功率Pout+機械損耗Pm+鐵耗PFe+銅耗PCu+附加損耗Pad+開關(guān)管損耗P△

輸入輸出功率取圖形穩(wěn)定以后的值，理論結(jié)果和仿真結(jié)果對比見表2。

表2 理論與仿真參數(shù)對比

電機的首要設(shè)計目標是電機效率，效率越高越好；其次是電流密度不能過大，以免導(dǎo)線過熱燒毀電機，這兩大因素是電機效率與安全性的平衡。由仿真結(jié)果和理論參數(shù)的對比可知：仿真電機效率與理論設(shè)計效率差4.7%，效率達標的同時，同樣的繞組仿真電流小于理論計算電流，電流密度與電流成正比，電流密度越小電機安全系數(shù)越高，熱負荷、電壓、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的仿真參數(shù)和理論計算誤差均在5%以內(nèi)，本電機在效率略低的情況下安全系數(shù)有較大提高，達到設(shè)計要求。Ansoft的仿真圖如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 仿真啟動過程中的電流

圖5 仿真啟動過程中的反電動勢

圖6 仿真啟動過程中的轉(zhuǎn)速

如圖4和圖5所示，電機起動時電流波形達到穩(wěn)定值前有一個類似阻尼振蕩過程,因此對啟動的電流和電壓不能簡單用最大值作為其值，電機起動過程中空載電動勢下降最大、轉(zhuǎn)矩上升最快。在起動過程中，反電動勢、電流呈下降趨勢。當轉(zhuǎn)矩和阻尼、力矩維持在平衡狀態(tài)時，電壓和電流不再變化，電機穩(wěn)定運行。圖6是電機的加速階段，隨著轉(zhuǎn)矩的增加，轉(zhuǎn)速增加，轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。圖4～圖6的圖形均經(jīng)過快速響應(yīng)時間的加速或減速階段，響應(yīng)時間與電機的轉(zhuǎn)速和控制方式有關(guān)，理論上步進電機從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速(一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn))需要200～400ms。而無刷直流電機的靜止加速到工作轉(zhuǎn)速僅需20～80ms，無刷直流系統(tǒng)的加速性能較好，可用于要求快速啟停的控制場合。上述圖形印證了無刷直流電機的加速性能，達到穩(wěn)定運行狀態(tài)時，電機運行平穩(wěn)、無振動。

3 結(jié)語

單獨使用RMxprt更接近實際樣機理論參數(shù)，再結(jié)合Maxwell2D可以更清晰的看到仿真圖像。兩個軟件結(jié)合利用有利于仿真參數(shù)的分析。理論仿真參數(shù)與設(shè)計參數(shù)的對比，表明用Maxwell設(shè)計電機的正確性并驗證樣機的良好性能。

在符合電機要求設(shè)計的前提下，依據(jù)電機原有的設(shè)計方案優(yōu)化電機的尺寸。氣隙的大小、定轉(zhuǎn)子的長度和厚度導(dǎo)致電機電流、電壓和效率的變化，基于Maxwell RMxprt建立電機的模型，在確定合理的電機尺寸的條件下，調(diào)整電機本體的參數(shù)來提高效率，為設(shè)計高性能無槽無刷電機提供一種可靠的方法。最后試制樣機，與仿真模擬結(jié)果進行對比，驗證模型的正確性和調(diào)整結(jié)構(gòu)的合理性。

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Design and Simulation of Slotless Motors

YaoGuangjiu,GuAiyu,andJiangWei

(Guangdong University of Technology, Guangzhou 510000, China)

A 4-pole, 9-slot, 20000r/min and 30W slotless brushless DC motor is designed by RMxprt finite-element simulation software, and curves and data of performance parameters are obtained. In comparison of simulation data with theoretical data, reasonability of motor design is proved. It can be known based on simulation data that the RMxprt chosen in Maxwell 2D and RMxprt is more suitable for simulation and calculation of slotless brushless motors.

Slotless brushless motor；design；finite element；simulation

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.05.03

TM33：TM32

A

1008-7281(2016)05-0012-004

姚光久 男 1990年生；廣東工業(yè)大學(xué)在讀研究生，研究方向為電機與電器.

2016-06-15