基于Ansys 的三相永磁無刷直流電機設計

陳治宇，田燕飛，陳風凱，何建源

(1 廣東工業(yè)大學，廣東廣州510006;2 葦源電機有限公司，廣東佛山528300)

0 引言

永磁無刷直流電機具有結構簡單、輸出轉矩大、調(diào)速范圍寬、效率高、噪聲低、可靠性高、使用壽命長、無滑動接觸和換相火花等優(yōu)點?，F(xiàn)已發(fā)展為集特種電機、微處理器，控制軟件和硬件等于一體的機電一體化的高科技產(chǎn)品［1］。

近年來，隨著三相永磁無刷直流電機應用的電壓及功率范圍的擴大，在交流供電的家用電器中的應用已經(jīng)越來越受到人們的關注。為了滿足家用電器的新需求，對三相永磁無刷直流電機的尺寸、齒槽轉矩、電磁噪聲、運行性能等提出了新的要求。因此，合理的電機設計對較高電壓或較大功率的三相永磁無刷直流電機有重要的意義。本文以設計的一款150W 8p 600r/min 的三相永磁無刷直流電機為實例，利用Maxwell 2D 建立了這款電機的二維有限元仿真模型，給出電機反電勢、氣隙磁密和電磁場的分布情況，分析齒槽轉矩、輸出轉矩，計算空載永磁體磁場諧波等。并在此基礎上試制了樣機，完成了有關性能的測試，驗證了電磁設計和仿真分析的正確性，為三相永磁無刷直流電機的分析與設計提供了參考。

1 三相永磁無刷直流電機電磁設計

1.1 主要技術參數(shù)

本方案電機的主要技術參數(shù)如表1 所示。

表1 主要技術參數(shù)

1.2 電機主要尺寸的確定

電動機的主要尺寸和計算功率、轉速、電磁負荷有關［2］

式中，Di1—定子內(nèi)徑;L—鐵心長度;nN—額定轉速，取600r/min;αi—極 弧 系 數(shù)，取0.7 ～0.8;P—計算功率，取P=(1.1 ～1.2)×PN;Kφ—氣隙磁場的波形系數(shù)，為正弦分布時Kφ=1.11;KW—基波繞組系數(shù)，本電磁方案用集中繞組，KW=0.86;A—電負荷，取A=160A/cm;Bδ—氣隙磁密平均值，永磁材料為鐵氧體，取Bδ=0.39T。綜合考慮現(xiàn)有的電機外殼尺寸，本設計方案取Di1=85mm，L =40mm。

1.3 電機永磁材料的選取

永磁體材料的性能在一定程度上決定著電機的尺寸和性能。目前，永磁無刷直流電機上應用的磁性材料主要是鐵氧體和釹鐵硼。

(1)鐵氧體的矯頑力溫度系數(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，通常最高工作溫度為150℃，溫度穩(wěn)定性能比鐵氧體差［3］。

(2)釹鐵硼是目前磁性能最強的永磁材料，其最大磁能積為鐵氧體永磁材料的5-12 倍［3］。因此，在相同尺寸下能提供更大的氣隙磁通和輸出轉矩。但是，目前釹鐵硼價格遠遠高于鐵氧體，是鐵氧體價格的6-7 倍。

(3)對三相永磁無刷直流電機，通過增加磁鐵的厚度和供磁面積，可以有效增大氣隙磁通。鐵氧體磁負荷較低，以至電機的齒槽轉矩和輸出轉矩波動也較小，能減小噪聲。

綜合技術要求和材料成本，在電機尺寸允許的情況下，本設計選擇鐵氧體作為磁性材料。

1.4 永磁體厚度的選取

永磁體的厚度hm的計算公式如下［3］

式中，Ks—外磁路的飽和系數(shù);Kδ—氣隙系數(shù);Bδ—氣隙磁密;δ—平均氣隙長度;μ0—真空磁導率;Hc—內(nèi)稟矯頑力。

永磁體厚度需綜合電機性能與成本，按需要的氣隙磁通密度通過磁路計算來選擇。磁鋼有個最佳厚度，當電動機極數(shù)為2 ～8，氣隙長度/磁鋼外徑=0.024 ～0.072 時，內(nèi)轉子結構的永磁體磁內(nèi)徑/外徑=0.85 ～0.9 之間時最佳［4］。

1.5 電樞沖片的設計

1.5.1 電樞槽數(shù)的確定

在永磁無刷直流電機中，采用較多槽數(shù)可減少線圈匝數(shù)，也有利于換向，但槽絕緣增加，槽利用率降低，可能造成根部過窄。槽數(shù)Q 通常按以下經(jīng)驗公式確定，其中Da為電樞直徑

1.5.2 電樞的結構

電機的長徑比λ=Lef/Da的選擇對電機的性能和經(jīng)濟性有很大影響。主要因素包括參數(shù)、溫升、轉動慣量、耗銅量和轉子機械強度等［5］。

短軸長徑的電樞結構，比細長型結構的電動機更容易下線，有利于提高生產(chǎn)效率。同時，轉子的轉動慣量較大，能避免因電機的轉矩強迫振蕩頻率與電機的固有頻率接近而產(chǎn)生共振，還可以限制負載時功率振蕩的幅值。因此，本文設計的三相永磁無刷直流電機采用短軸長徑的電樞結構。

2 設計流程

電機設計流程包括主要尺寸和長徑比的確定、永磁體形狀的選擇、軛高和齒寬的計算等。通過對電機參數(shù)的計算、校驗，最終確定電機各個部分的尺寸［6］。設計流程如圖1 所示。

圖1 設計流程圖

3 樣機設計方案

本文設計的三相永磁無刷直流電機主要參數(shù)如表2 所示。

表2 電機主要參數(shù)表

利用電磁場有限元分析軟件Ansys 中的Maxwell 2D 建立三相永磁無刷直流電機的二維有限元模型如圖2 所示。

圖2 電機二維模型

4 基于有限元法的分析與計算

4.1 樣機反電勢

仿真得到樣機的反電勢波形為如圖3 所示的非平頂波。無刷直流電機的繞組存在一定的電感，導致電流不能快速變化，一般情況下電機的反電動勢只是接近梯形［4］。

圖3 反電勢波形

4.2 氣隙磁密

圖4 氣隙磁密波形圖

利用Maxwell 2D 靜磁場求解，得到樣機的氣隙磁密波形如圖4 所示。從圖4 可以求得靜磁場氣隙最大磁密Bδmax=0.363T，平均氣隙磁密Bδavg=0.256T。

4.3 磁場分布

基于有限元的基本原理計算了電機的空載磁場，并得到負載磁場分布圖如圖5、圖6 所示。

圖5 電機磁力線分布圖

圖6 電機磁密云分布圖

從圖5 可以看出電機主磁通從轉子磁極出發(fā)，經(jīng)過氣隙、定子齒部和軛部，最后回到轉子磁極和定子繞組交鏈參與機電能量轉換，而漏磁通不參與機電能量轉換。

4.4 輸出轉矩的計算

輸出轉矩對傳動軸載荷的確定和控制、傳動系統(tǒng)工作零件強度的設計以及原動機容量的選擇等具有重要意義。本文設計的樣機用于抽水冷風機上(如圖7 所示)，經(jīng)計算其輸出轉矩的平均值為1.43N·m。

圖7 電機電磁轉矩

4.5 齒槽轉矩的分析

在Maxwell 2D 中計算后得到齒槽轉矩如圖10 所示，齒槽轉矩的變化范圍為-23.82mN·m ～23.15mN·m。

圖8 電機齒槽轉矩

在永磁無刷直流電機中，永磁體與有槽電樞相互作用產(chǎn)生齒槽轉矩，導致轉矩波動引起電機振動，產(chǎn)生噪聲。

5 樣機制作與試驗驗證

根據(jù)上述參數(shù)制作了樣機，如圖9 所示。

圖9 樣機定轉子圖

給電機施加 160V 直流電壓，轉速調(diào)到600r/min，用測功機對樣機進行測試。Maxwell 2D 有限元分析的仿真值與樣機測試值進行比較，如表3 所示。

表3 仿真值和測試值

以上Maxwell 2D 有限元分析軟件計算的仿真值與樣機實測值比較接近，誤差都在6%以內(nèi)，驗證了本電機設計方案的合理性和可行性。

6 結語

本文利用Ansys/Maxwell 軟件設計了一款150W 8p 600r/min 的三相永磁無刷直流電機，建立了該電機的二維仿真模型，并對其相關性能進行2D 有限元分析計算以及樣機的實驗驗證。該電機目前已成功應用于一款家用設備中，并且批量生產(chǎn)，節(jié)能效果明顯，受到市場的認可和好評。

［1］ 李軍麗.風機用單、三相永磁無刷直流電動機及其控制技術［D］.上海:上海交通大學，2010.

［2］ 陳世坤.電機設計［M］.機械工業(yè)出版社，2000.

［3］ 王秀和.永磁電機［M］.中國電力出版社，2007.

［4］ 譚建成.永磁無刷直流電機技術［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2010.

［5］ 張潔瓊.風機用單相無刷直流電動機設計［J］.微特電機，2011，39(4):4-7.

［6］ 薛劭申，沈圍.定子槽數(shù)和氣隙長度對高速永磁無刷電動機性能的影響［J］.微特電機，2011，39(7):21-24.