軸向磁場無鐵心永磁無刷直流電動機設計

曹永娟黃允凱金 龍

(1東南大學電氣工程學院,南京 210096)

(2南京信息工程大學電氣工程系,南京 210044)

永磁無刷直流電動機越來越廣泛地應用在家用電器及工業生產中．在各種類型的永磁無刷直流電動機中,軸向磁場無刷直流電動機(又稱盤式電機)因具有軸向尺寸短、質量輕、體積小、結構緊湊等特點,已經成為研究熱點．尤其在軸向尺寸有限的應用場合,例如空調外機、汽車散熱器的風扇、電動車輛等,具有明顯優越性[1-3]．

常規電機中,定、轉子鐵心采用硅鋼片疊壓而成,質量大、損耗大、振動噪聲大、效率低、轉動慣量大、響應速度慢,并且由于齒槽效應,使得電磁轉矩產生脈動．針對這些不利因素,如果能利用釹鐵硼永磁材料高矯頑力的優異特性,不用或少用硅鋼片,制成無鐵心電機,不僅電機質量可大幅下降,同時又能提高效率,降低振動噪聲[4-6]．

結合軸向磁場永磁電機和無鐵心電機的優點,本文研究軸向磁場無鐵心永磁無刷直流電機的設計及仿真．根據該種電機的結構特點及內部電磁關系,采用磁路法開發了該種電機的設計軟件．對于設計方案中的關鍵參數,利用三維有限元分析方法仿真分析電機內部電磁場,得到最優設計參數．

1 軸向磁場無鐵心永磁無刷直流電動機的電磁設計

1.1 結構特點

軸向磁場永磁電機由于其盤式特征,可以拓撲出很多結構形式．為了克服單邊磁拉力,減少漏磁,本文研究的是一種雙轉子單定子結構電機,如圖1所示．電機結構對稱,在兩側的轉子盤內側直接粘貼永磁體,永磁體軸向充磁,N，S磁極相對放置．此結構的磁通不需要利用中間定子鐵心來形成閉合磁路,因此定子鐵心厚度可以非常小．

圖1 軸向磁場無鐵心永磁電機示意圖

1.2 主要尺寸方程

與傳統徑向磁場永磁電機設計方法不同,軸向磁場無鐵心永磁電機電磁轉矩、電磁功率與電機內、外徑密切相關．

基于感應電動勢及電磁功率等的計算表達式[2],盤式無鐵心永磁無刷直流電動機的主要尺寸與功率之間的關系如下:

(1)

式中,Am為平均半徑處電動機的線負荷;Bmg為磁密最大值;n為電機轉速;kw1為繞組系數．

(2)

式中，kd=Din/Dout為內外徑比，Dout為外徑，Din為內徑；N1為每相串聯匝數；m1為相數；Ia為相電流有效值；r為平均半徑.

盤式永磁無刷直流電動機方程中,內外徑比kd是盤式電機初始設計時最重要的幾何尺寸比,當外徑和平均線負荷一定時,對式(1)功率求極值,可得

(3)

此時,電動機輸出最大電磁功率．實際設計時,內外徑比的選擇還要綜合考慮用銅量、效率、漏磁等因素,對于小型機一般取0.6～0.7之間．本設計中該值取為0.67．

電機所用永磁材料體積為

(4)

式中,hm為永磁體軸向磁化方向厚度;αp為極弧系數．

為了減少無鐵心定子繞組端部漏磁,設計時無鐵心定子繞組的外徑尺寸比永磁體尺寸略小．

由于所設計電機采用無鐵心定子結構,因此電機的實際有效氣隙長度lg較大,為

lg=lcoil+2g

(5)

式中,lcoil為無鐵心定子繞組厚度;g為定子繞組和轉子盤體之間的氣隙長度．為避免電機運行過程中定子繞組盤和轉子盤之間的物理接觸,對于小型電機氣隙長度g應在0.5～0.8 mm之間[3]．本設計中該值取0.7 mm．

考慮到電機安裝空間尺寸限制,所設計樣機主要參數見表1．

表1 樣機主要參數

1.3 電機主要損耗分析

在性能分析中,損耗的正確計算關系到電機效率的優化,對于無鐵心盤式永磁電機,鐵心損耗可忽略不計,電機損耗主要包括以下3種損耗[7]．

1.3.1 定子繞組的電阻損耗

在電流流過定子繞組,會在定子繞組上產生電阻損耗,其計算公式如下:

(6)

式中,Rs為定子電阻．

1.3.2 定子繞組的渦流損耗

由于磁場旋轉切割無鐵心定子繞組,會引起繞組所交鏈的磁場呈周期性變化,從而在繞組表面產生集膚效應,形成渦流．渦流損耗的大小取決于導線的幾何尺寸以及磁通密度的波形[7],為減小集膚效應及渦流損耗,通常選用利茲線繞制定子繞組,但利茲線比實心導線價格更貴,槽滿率更低．定子繞組的渦流損耗可根據下式計算:

(7)

式中,f為頻率；Bg為氣隙磁通密度;Dstrand為每股導線的直徑;ρcu為銅線的電阻率;Vcu為銅線的體積．

1.3.3 風摩損耗

電機在旋轉過程中,克服風的阻力和機械摩擦阻力所需要消耗的能量稱為風摩損耗．風摩損耗的大小主要取決于氣隙長度以及電機外徑[7],即

ΔPmec=

(8)

式中,μ為空氣粘滯系數;ρ為空氣密度;p為極對數．

2 軸向磁場無鐵心永磁無刷直流電機永磁體主要參數分析

對于無鐵心軸向磁場永磁電機,永磁體是影響電機性能的最重要構成部分[8]．同時,為提高電機轉矩密度,永磁體多采用釹鐵硼或釤鈷等高磁能積材料,電機成本很大程度上取決于永磁材料用量．因此,在相同性能條件下,減少永磁材料用量對于降低電機成本相當重要[9]．本文利用三維有限元分析方法對磁極厚度、永磁體極數與極弧系數進行優化設計,盡可能提高永磁材料的利用率．

2.1 磁極厚度對電機性能的影響

磁極的內外徑確定后,關鍵的問題是如何選擇磁極厚度hm．在無鐵心永磁電機中,電機的磁動勢與磁極厚度密切相關．磁極厚度小,則電機磁動勢小,氣隙磁密較低;磁極厚度大,則電機氣隙磁密增大,但是電機制造成本提高．因此磁極厚度hm存在一個最優值．保持極對數p=8、極弧系數αp=0.8,磁極厚度hm在2～8 mm之間變化,利用有限元分析軟件Ansoft Maxwell 3D對擬設計電機的模型進行電磁場仿真分析,得到的磁極厚度與氣隙磁密之間的關系如圖2所示．

圖2 氣隙磁密與磁極厚度的關系

由圖2可見,在其他參數一定的情況下,磁極厚度對磁密影響較大．當磁極厚度小于3 mm時,氣隙磁密較小;隨著磁極厚度的增加,氣隙磁密逐漸增大;當厚度增加到一定程度時,將導致電機磁路飽和,所以在厚度大于6 mm后,氣隙磁密的變化率減小．因此,本設計選取磁極厚度為6 mm．

2.2 極數對電機性能的影響

極數對電機性能影響很大,在電機尺寸一定的情況下,采用較多的極數可使極距減小,磁負荷減小,因此輸出轉矩變小,同時也能夠使電樞繞組電感減小,有利于無刷直流電動機驅動電路中電子器件的換向．采用較少的極數可使極距增加,漏磁減少;但對于一定的電樞導體數,極數少的電動機端接部分較長,導致用銅量增加,從而電樞繞組銅耗增加,效率降低[10]．因此應綜合考慮各種因素來選擇電機的極數,設計中磁極數一般選為8～16極,這里將比較8極、12極和16極各極數下的電機性能．

為了確定設計方案中電機的極數,保持其他參數不變,僅改變電機極數,分別建立8極、12極和16極電機模型,利用有限元分析軟件對擬設計電機的模型進行電磁場仿真分析．圖3為8極、12極和16極軸向磁場無鐵心永磁無刷直流電動機的氣隙磁密分布圖．從圖中可看出,12極電機的氣隙磁密最大,達到0.7 T;而8極電機的氣隙磁密最小,約為0.65 T．由于永磁體極弧系數沒有改變,在不同極數下永磁體用量均相同,氣隙磁密高,電機工作性能好,所以此設計方案確定電機極數為12極．

圖3 不同極數下軸向磁場無鐵心永磁無刷直流電機氣隙磁密分布圖

2.3 極弧系數對電機性能的影響

當電機永磁體極數確定的情況下,不同的極弧系數對磁密的幅值幾乎沒有影響,但是對感應電動勢的波形有較大影響,正確選擇極弧系數可以改進電動勢波形,提高電動勢的基波幅值．當極弧系數在0.6～0.8范圍內變化時,利用瞬態電磁場有限元分析來計算反電動勢,并根據計算結果對其進行諧波分析,得到如圖4所示的基波和諧波分布圖．從圖4中可看出,當極弧系數為0.7時,電動勢的基波幅值達到最大．

圖4 不同極弧系數下反電動勢諧波分析

3 電磁設計軟件的開發

在分析盤式無鐵心無刷直流電動機設計特點的基礎上,編制了此類電機的電磁設計程序,該程序具體步驟如下:

① 輸入電動機的功率、電壓、相數、極數、永磁體材料等參數.

② 預設初始氣隙磁密、電負荷、繞組因數、效率等.

③ 計算主要尺寸.

④ 根據解析式(9)計算磁密.

⑤ 若通過式(9)計算出的磁密與預設磁密值相差較大,轉步驟②,改變預設磁密值,一直到誤差控制在1%以內.

⑥ 計算損耗、效率.

⑦ 判斷效率與預設效率是否滿足誤差在1%范圍內,若不滿足,則轉步驟②,改變初始效率,直到滿足為止;否則,設計程序結束,并輸出設計方案．

(9)

式中,Br為永磁體剩磁密度;μr為永磁體相對磁導率;wm為永磁體平均寬度;rav為永磁體所在位置處平均半徑．

利用該程序,結合電磁場有限元分析優化,本文設計了一臺額定功率40 W、額定轉速750 r/min的樣機．除表1中已給出的樣機主要參數外,其他參數具體取值見表2．

表2 盤式無鐵心永磁無刷直流電動機設計方案

4 仿真驗證

為了檢驗上述設計的正確性和合理性,本文利用三維有限元仿真軟件對設計電機進行仿真驗證,磁通密度分布圖和感應電動勢波形圖分別如圖5和圖6所示．此外,根據設計方案制作了樣機(見圖7),對樣機效率進行測試,最終樣機的額定工作效率為84%,滿足設計要求．

圖5 軸向磁場無鐵心永磁無刷直流電動機磁通密度分布圖

圖6 三相感應電動勢波形圖

圖7 制作的樣機

5 結語

本文通過計算機輔助設計軟件,設計電機主要尺寸及計算樣機磁密、效率等性能參數．在對電機永磁體關鍵參數設計過程中,采用有限元軟件Ansoft Maxwell 3D對擬設計樣機進行仿真分析,分別得到磁極厚度和磁密關系圖、不同極數下電機氣隙磁密分布圖及不同極弧系數情況下感應電動式基波和諧波分布圖．根據分析結果,確定最佳永磁體厚度、永磁體極數和極弧系數,實現了利用電磁場有限元軟件與磁路設計相結合的方法設計軸向磁場無鐵心永磁無刷直流電動機．

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