雷艷華，何朝暉，吉 方，廖正菊，葉 超

(中國工程物理研究院 機(jī)械制造工藝研究所，綿陽 621900)

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面向小型復(fù)合分子泵的高速無刷直流電動(dòng)機(jī)的研制

雷艷華，何朝暉，吉 方，廖正菊，葉 超

(中國工程物理研究院 機(jī)械制造工藝研究所，綿陽 621900)

研制了一種小型復(fù)合分子泵的高速無刷直流電機(jī)。在數(shù)值計(jì)算以及仿真技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了電機(jī)設(shè)計(jì)，并通過特定加工工藝的制定，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的制造。該電機(jī)通過了試機(jī)階段,通過典型的分子泵性能試驗(yàn),驗(yàn)證了預(yù)期的功能指標(biāo)，并展示了良好的性能。

分子泵；無刷直流電動(dòng)機(jī)；高速電機(jī)；有限元分析；釹鐵硼

0 引 言

從1917年Bolgior提出使用電子整流管替代電刷的思想，到美國人D.Harrison申請晶體管換相電路的專利以來，無刷直流電機(jī)從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)應(yīng)用，相關(guān)技術(shù)也蓬勃發(fā)展。而隨著各種應(yīng)用的誕生及深入，也促使了無刷直流電機(jī)的技術(shù)發(fā)展。而隨著技術(shù)進(jìn)步，無刷直流電機(jī)也不負(fù)眾望，在不同的工業(yè)領(lǐng)域開花結(jié)果，大放異彩。而在應(yīng)用的過程中無刷直流電機(jī)也表現(xiàn)出很多優(yōu)秀的特質(zhì)，因此也加快了其進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)用。

泵類應(yīng)用是無刷直流電機(jī)最早進(jìn)入的工業(yè)領(lǐng)域之一，而真空領(lǐng)域的分子泵就是典型的應(yīng)用案例?，F(xiàn)代分子泵的核心動(dòng)力來源就是電機(jī)，該電機(jī)不但要求旋轉(zhuǎn)速度高，而且還要求在高速狀態(tài)下運(yùn)行平穩(wěn)，以此來保障穩(wěn)定的抽氣性能。在科技部重大儀器專項(xiàng)的支持下，我單位研發(fā)了多口徑的小型復(fù)合分子泵。而作為分子泵的核心單元部件，高速無刷直流電動(dòng)機(jī)(以下簡稱BLDCM)的自主研制過程，在項(xiàng)目實(shí)施進(jìn)程中，成為了項(xiàng)目中不可或缺的重要任務(wù)要素。

本文對項(xiàng)目研制的電機(jī)作介紹，以及其關(guān)鍵的控制方法作了簡單描述，并就相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行了簡要分析，給出初步結(jié)論。

1 轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目的BLDCM的額定轉(zhuǎn)速指標(biāo)為72 000 r/min，而作為民用產(chǎn)品，在功能滿足的前提下要充分考慮性價(jià)比，在電機(jī)設(shè)計(jì)階段不但分析電機(jī)本體的設(shè)計(jì)輸入，還考慮相應(yīng)控制器的功能、性能及性價(jià)比等因素。

為滿足電機(jī)尺寸小，較高的轉(zhuǎn)矩密度，以及低溫升的需求，永磁轉(zhuǎn)子的材料選擇遵循了以下原則：

1) 高剩磁，高矯頑力；

2) 渦流損耗低。

作為電機(jī)的核心材料，永磁材料的種類比較多，常見的有鋁鎳鈷、鐵氧體、稀土釹鐵硼以及稀土釤鈷等。在工作溫度要求不高的情況下，釹鐵硼材料應(yīng)用最為廣泛，而溫度較高的工作環(huán)境下，釤鈷材料的應(yīng)用較多。其中釹鐵硼的工作溫度一般不大于180 ℃，居里溫度約為340 ℃。作為分子泵的項(xiàng)目應(yīng)用，電機(jī)功率小，工作溫度在常溫下，選擇釹鐵硼材料滿足使用要求，也表明分子泵用的永磁材料的耐高溫特性影響因子很小。分子泵的高速電機(jī)不但轉(zhuǎn)速高，同時(shí)要求溫升低。因此考慮轉(zhuǎn)子的渦流損耗因素，燒結(jié)釹鐵硼和粘接釹鐵硼兩者之間選擇粘接釹鐵硼，其中粘接釹鐵硼不但能夠達(dá)到轉(zhuǎn)子充磁強(qiáng)度需求，還能夠降低轉(zhuǎn)子的渦流損耗。

分子泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速為72 000 r/min，在高轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度需要進(jìn)行校核，必要時(shí)進(jìn)行保護(hù)，否則在高速離心力的作用下，轉(zhuǎn)子永磁體有破碎的風(fēng)險(xiǎn)。對于旋轉(zhuǎn)體來說，其承受的離心應(yīng)力：

式中：R為轉(zhuǎn)子內(nèi)徑；ω為旋轉(zhuǎn)角速度；δ為轉(zhuǎn)子圓環(huán)厚度；ρ為永磁體密度；b為永磁體長度；θ為計(jì)算角度。

而在滿足氣隙磁場的情況下，轉(zhuǎn)子軛的芯軸直徑越小，離心力就越小。但是為了保證轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度以及合理的臨界轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子芯軸需要綜合考慮估算。分子泵的高速電機(jī)在永磁體尺寸設(shè)計(jì)完成后，經(jīng)過設(shè)計(jì)分析計(jì)算，需要進(jìn)行加裝保護(hù)筒對高速旋轉(zhuǎn)的永磁體進(jìn)行防護(hù)。永磁轉(zhuǎn)子的防護(hù)材料一般有兩種，一為非金屬，二為不導(dǎo)磁的金屬。非金屬材料具有電導(dǎo)率小，高頻渦流損耗小，但是缺點(diǎn)是散熱效果差。而不導(dǎo)磁的金屬材料可以屏蔽高頻磁場進(jìn)入永磁體以及磁軛，但是其自身會(huì)產(chǎn)生渦流損耗。二者有利有弊，需要根據(jù)應(yīng)用場合來具體分析選型。分子泵的電機(jī)功率小，定子高頻磁場小，并且永磁體選擇了粘接釹鐵硼，其渦流損耗非常小，因此電機(jī)轉(zhuǎn)子磁軛和永磁體產(chǎn)生的熱量很小，因此散熱功能對于分子泵的轉(zhuǎn)子來講不是影響較大的考慮因素。因此本項(xiàng)目中選擇了非金屬材料的碳纖維套筒作為永磁體的機(jī)械防護(hù)。

在高速無刷電機(jī)中，電磁頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)，n=60f/p，p為永磁體極對數(shù)，f為頻率，n為轉(zhuǎn)速。從該式可以看出，永磁體極數(shù)越多，定子線圈的電流交變頻率也就越高，因此其在定子鐵心中產(chǎn)生的損耗也就越大，采用2極結(jié)構(gòu)可以顯著降低高頻附加的鐵心損耗，這也是大部分高速無刷電機(jī)采用的形式。采用2極結(jié)構(gòu)的永磁體可以特定的充磁方式方便的建立正弦分布的氣隙磁場，即又降低了高頻諧波帶來附加鐵損。

經(jīng)過綜合考量及相關(guān)的理論計(jì)算，本項(xiàng)目的電機(jī)永磁轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)為2極，粘接釹鐵硼，外加碳纖維保護(hù)筒的形式。

圖1 轉(zhuǎn)子永磁體

2 定子設(shè)計(jì)

高速電機(jī)很重要的一個(gè)特點(diǎn)就是線圈中電流交變頻率高。本項(xiàng)目的電機(jī)額定轉(zhuǎn)速是72 000 r/min，選定2極轉(zhuǎn)子，那么額定的電流交變頻率就是1 200 Hz。相對于3 000 r/min的低速電機(jī)來講，頻率是低速電機(jī)的24倍。這也表征了在其他條件給定時(shí)，與頻率的1.3～1.5次方成正比的高速鐵心損耗就是低速電機(jī)的50倍以上。因此對于高速BLDCM來講，定子鐵心設(shè)計(jì)的重要關(guān)注點(diǎn)就是降低鐵心損耗。從現(xiàn)有的設(shè)計(jì)手段來看，主要從兩方面入手，一是降低鐵心中的磁密，二是選擇低損的鐵心材料。降低鐵心磁密關(guān)系到磁疇損耗和渦流損耗，因此，在設(shè)計(jì)階段，根據(jù)氣隙磁密和預(yù)設(shè)的電負(fù)荷數(shù)據(jù)，對槽型尺寸計(jì)算，確保不會(huì)出現(xiàn)局部飽和，并盡量降低鐵心磁密。在材料的選擇上，現(xiàn)在主要有硅鋼片、軟磁合金、非晶態(tài)的合金鋼片以及SMC軟磁鐵心等。由于軟磁合金的材料價(jià)格高，制約了其應(yīng)用規(guī)模。而非晶合金鋼的加工工藝要求復(fù)雜，其薄且脆導(dǎo)致不易成型，也制約了其應(yīng)用規(guī)模。經(jīng)過對比方案，本項(xiàng)目的定子鐵心選擇了優(yōu)質(zhì)的國產(chǎn)冷軋無取向硅鋼片。該硅鋼片0.2 mm厚，其1.5 T/400 Hz下的鐵損測量值僅為15 W，這種優(yōu)質(zhì)的薄硅鋼片可以顯著的降低高速電機(jī)的鐵損值。

定子槽的設(shè)計(jì)考量幾種因素。其中，槽數(shù)越多，轉(zhuǎn)子的損耗就越小，但是定子損耗就相應(yīng)增加。一般來講，當(dāng)采用多槽設(shè)計(jì)，繞組采用分布式結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)減小諧波振動(dòng)效應(yīng)，可以有效的降低電機(jī)振動(dòng)的噪聲。顯然，在分子泵的應(yīng)用過程中，高速旋轉(zhuǎn)過程中，低噪聲、低振動(dòng)是很重要的指標(biāo)需求。但是，損耗在分子泵的應(yīng)用中同樣不容忽視。因此，綜合考慮，采用了6槽設(shè)計(jì)，繞組使用分布式繞組。

圖2 電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

在分子泵的高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩也可能給支撐單元帶來擾動(dòng)，激發(fā)不穩(wěn)定的狀態(tài)。因此，降低齒槽轉(zhuǎn)矩是電機(jī)設(shè)計(jì)過程所需要考慮的因素之一。一般來講，降低齒槽轉(zhuǎn)矩有斜槽、無槽以及分?jǐn)?shù)槽等方法。但是斜槽設(shè)計(jì)，在此項(xiàng)目中，由于體積小的限制，實(shí)施起來比較困難。至于無槽以及分?jǐn)?shù)槽也由于制造難度等問題不適合本項(xiàng)目的需求。而本項(xiàng)目最終選取了減小槽口寬度的方案，該設(shè)計(jì)思路不但能夠有效的減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，而且其導(dǎo)致的加工復(fù)雜程度不高。但是唯一的不足是，電機(jī)的定子繞線工藝必須采用穿繞，繞線過程耗時(shí)大于嵌線工藝，不利于大規(guī)模的批量生產(chǎn)。

3 電機(jī)設(shè)計(jì)仿真計(jì)算

高速BLDCM的轉(zhuǎn)子采用了磁環(huán)式結(jié)構(gòu)，主磁極的磁密較高，并且存在諧波成分，可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、定子齒磁路飽和等現(xiàn)象。而由于各部件的制造誤差以及控制器的PWM輸出波形的諧波階次眾多，也導(dǎo)致了電機(jī)內(nèi)部的電磁場分布異常復(fù)雜，也呈現(xiàn)出非線性的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析手段，很難準(zhǔn)確的計(jì)算出電磁場的瞬態(tài)分布以及各參數(shù)變化對電機(jī)性能的準(zhǔn)確影響因數(shù)。但是，電機(jī)設(shè)計(jì)階段又噬需了解電磁場的分布，而有限元仿真軟件作為一種先進(jìn)的現(xiàn)代電機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算工具，為電機(jī)設(shè)計(jì)人員提供了方便。

為了獲取精確的有限元分析結(jié)果，就要將2D仿真過程中忽略的端部漏磁考慮進(jìn)去，在仿真軟件進(jìn)行三維電磁場仿真。但是，三維仿真需要在3D模型上劃分更細(xì)更多的網(wǎng)格，這樣帶來的計(jì)算量呈現(xiàn)幾何級數(shù)增長，性能不好的電腦根本無法運(yùn)行，對計(jì)算機(jī)的配置要求極高。而作為分子泵用的高速BLDCM的磁路分析，氣隙磁場是重點(diǎn)，端部漏磁也比較小，因此可以不對端部漏磁進(jìn)行分析，就可以獲取滿意的電機(jī)磁路分析結(jié)果，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)精度的要求。

由于2D磁場分析對計(jì)算資源的消耗不大，因此，在建模時(shí)，對稱的6槽結(jié)構(gòu)采用全部建模仿真，沒有只求解對稱模型的一部分區(qū)域。如圖3所示，對電機(jī)進(jìn)行建模，求解了瞬態(tài)磁場的分別情況。從仿真結(jié)果來看，定轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)，未造成磁路飽和現(xiàn)象，因此端部漏磁現(xiàn)象可以不作重點(diǎn)關(guān)注。

圖3 瞬態(tài)磁場仿真分析

仿真過程中，還對繞組電壓、電流以及損耗進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步確認(rèn)了初步的設(shè)計(jì)方案。綜合仿真結(jié)果，對定子磁路進(jìn)行了優(yōu)化，增大了軛部尺寸，主要原因是為了配合加工工藝的磨削需求。

4 電機(jī)綜合試驗(yàn)

電機(jī)生產(chǎn)過程中，經(jīng)歷了多次工藝改進(jìn)以及部分試驗(yàn)。由于分子泵用電機(jī)的安裝比較特殊，無法對電機(jī)的性能進(jìn)行測試，因此設(shè)計(jì)了專用的測試平臺(tái)對電機(jī)性能進(jìn)行測試，試驗(yàn)平臺(tái)如圖4所示。

圖4 電機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)

試驗(yàn)過程中，使用測功機(jī)對電機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速曲線進(jìn)行了測量，如圖5和圖6所示。

圖5 電機(jī)扭矩曲線

從扭矩曲線分析，電機(jī)的試驗(yàn)性能指標(biāo)滿足最初電機(jī)設(shè)計(jì)的扭矩指標(biāo)。

從電機(jī)速度曲線分析，該電機(jī)運(yùn)行的速度平穩(wěn)性滿足分子泵的應(yīng)用需求。

在分子泵的運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，對電機(jī)線圈的溫升進(jìn)行試驗(yàn)測量。測量過程涵蓋了加速段以及穩(wěn)速狀態(tài)。分子泵電機(jī)溫升試驗(yàn)的參數(shù)包括，加速時(shí)間是2 min，加速電流實(shí)測值為4.5 A，最終運(yùn)行速度是72 000 r/min。表1為電機(jī)線圈溫升測量數(shù)據(jù)。

表1 溫升測量數(shù)據(jù)

從表1中可以看出，加速階段的溫升控制在40 ℃以內(nèi)，完全滿足分子泵設(shè)計(jì)要求的5 min加速。在穩(wěn)速階段，溫升僅為4 ℃左右。經(jīng)過多組分子泵的溫升測試，所有的穩(wěn)速溫升均未超過8 ℃，完成滿足最初的課題目標(biāo)。

5 結(jié) 語

本項(xiàng)目研制的面向小型復(fù)合分子泵的高速永磁電機(jī)，功能完成了項(xiàng)目目標(biāo)，性能指標(biāo)初步測試也已經(jīng)達(dá)到甚至優(yōu)于最初的設(shè)計(jì)指標(biāo)。通過本項(xiàng)目的高速電機(jī)研發(fā)，研究掌握了高速永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)以及加工技術(shù)，為專業(yè)的分子泵提供了合格的動(dòng)力源。

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Research and Manufacturing of Brushless DC Motor for Mini Composite Molecular Pump

LEIYan-hua,HEZhao-hui,JIFang,LIAOZheng-ju,YEChao

(Institute of Mechanical Manufacturing Technology,China Academy of Engineering Physics,Mianyang 621900,China)

A high speed brushless DC motor that just for the mini composite molecular pump was developed. From the numerical calculation and the emulation technology, the designs for a brushless DC motor were realized, and with the special technics, the motor was produced. The performance test results show that the function targets are satisfied,and the motor has good performance.

molecule vacuum pump; brushless DC motor; high speed motor; finite element analysis; neodymium-iron-boron

2016-01-05

TM33

A

1004-7018(2016)08-0004-03

雷艷華(1977-)，男，高級工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化控制系統(tǒng)。