永磁無刷直流電機電磁設計方法及軟件實現

郝宏亮，李 雪

（國網徐州供電公司，江蘇 徐州 221009）

0 引言

永磁無刷直流電機是由永磁體建立勵磁磁場的直流電機。它除了具有普通電勵磁直流電機所具備的下垂的機械特性、線性的調節特性、調速范圍寬和便于控制等優點外，還具有體積小、效率高、用銅量少、結構簡單和運行可靠等優點。廣泛應用于家用電器、辦公機械、電動工具、醫療器械、精密機床等方面［1，2］。

本文針對永磁無刷直流電機進行設計。采用磁路法，應用計算機進行電磁計算，提高了電機設計的效率性及準確性。

1 永磁電機的電磁設計方法

目前對永磁電機設計的研究工作主要集中在電機的電磁分析、性能與損耗計算以及電機控制器的設計上，并取得了相當多的進展。對于永磁電機的分析與計算，當前主要有以下4種方法：（1）磁路法。它是電機分析的傳統方法，用磁路來代表場，需要大量的經驗公式和參數，合理選擇這法計算直接、簡單，適用于電機設計的初步參考［3，4］。（2）有限元法。具有單元算法統一，剖分靈活、通用的優點，但是計算時間較長，使得計算時間問題很突出。（3）等效磁網絡法。依據等效一對極范圍內磁路結構，將電機中磁通幾何形狀較規則、分布較均勻的部分作為一個獨立單元。但以路的方法來分析磁場，參數選擇困難，電機設計的精度難以保證［5-8］。（4）場路結合法。通過電磁場數值計算，可以較準確地求出電機的各種計算參數，能有效的提高電機設計的準確性。但計算也比較復雜［9］。

2 磁路法設計永磁無刷直流電機

2.1 磁路法原理

本文將采用磁路法來設計永磁無刷直流電機。電機磁路主要由永磁體、轉子軛部、氣隙、定子齒、定子軛部等部分組成，永磁電機運行時，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構，磁路結構如圖l 所示。

圖1 永磁無刷直流電機等效磁路

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

求解得漏磁系數：

空載時Fa=0，此時

如果永磁體設計采用外置徑向瓦片結構，漏磁將主要存在于齒部、氣隙和軛部，將氣隙、軛部和齒部磁導構成磁路主磁導Λδ’，令（2/Λδ+2/Λτ+1/Λa）=1/Λδ’，則σ0=Λσ/Λδ’。電樞反應呈去磁時，Fad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，導致永磁體工作點降低；當電樞反應呈增磁時，Fad為負，此時Фm，Фμ增大，Фσ減小，同時磁勢ΣF增大，永磁體工作點升高。漏磁系數為磁路參數與電樞反應的函數。

2.2 磁路法的流程設計

由于電機設計是對不同設計方案尋優的過程，對每個設計方案都進行有限元計算是不合適的，利用磁路法對電機設計的各參數進行計算，并利用計算機快速完成具有巨大的優勢。本文使用的磁路法進行永磁無刷直流電機電磁設計過程如圖2所示，該過程在電磁設計中盡量避免電機剖面結構發生變化，保持剖面磁場分布不變，充分考慮了電磁場數值計算在電機設計中的作用。

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

3 永磁無刷直流電機CAD 系統

隨著計算機技術的發展，CAD 技術在電機設計領域得到了廣泛的應用。從最初的校核電機性能逐漸發展到電機的綜合設計、優化設計、電磁場性能分析、計算機繪圖等，為設計人員節省了大量時間。

本文根據場路分析法開發了一個永磁無刷直流電機CAD系統。本CAD 系統基于Windows 環境，采用Microsoft 公司的集成開發工具Visual Basic 6.0 開發。可輸入標稱電壓，額定轉速，定轉子尺寸等參數，對所設計的電動機進行簡單計算，永磁體尺寸，空載負載磁路，最大去磁，工作性能等計算，產生如槽滿率，磁密，效率，轉速，起動電流等重要輸出數據，本程序輸入、輸出界面如圖3、4 所示。

圖3 CAD 系統輸入界面

圖4 CAD 系統輸出界面

圖5 三相繞組空載反電勢曲線

圖6 電機效率-轉速曲線

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（），其功能為輸入數據和調用其他模塊子程序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（），在此子程序中進行進行簡單計算，永磁體尺寸，空載負載磁路，最大去磁，工作性能等計算。（3）變量聲明模塊。程序將變量聲明集中在一個模塊中進行，其功能就是對變量、數組進行全部可見的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據。（5）軛部磁路校正系數模塊。軛部磁路校正系數模塊，用于計算軛部磁路長度校正系數。（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，損耗曲線進行插值計算時調用。（7）輸出模塊。包含一個子程序Output（），用于生成SCdat.dat 文件，保存輸出數據。

4 有限元分析及對比

本文對一臺30W 洗衣機用永磁無刷直流電機進行設計，利用電磁場分析軟件Ansoft 進行仿真分析。電機采用四極六槽結構，額定電壓24V，額定轉速為3000rpm。通過對模型進行2D 靜態場和瞬態場仿真，用以與磁路設計結果對比［11］。

4.1 2D 靜態仿真

進行2D 靜態仿真，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，將數據處理求出平均值空載氣隙磁密0.245T。

4.2 瞬態場空載負載仿真

二維瞬態求解器仿真空載運行過程，設定步長為1ms，仿真0～100ms 的空載運行過程。圖5 顯示了電機的三相繞組空載反電勢曲線，圖6 為電機效率—轉速曲線。由于工作環境的特點，導致永磁無刷直流電機工作轉速在一定范圍內不斷變化，導致輸出電壓頻率和大小也隨之發生變化。為了便于分析，仿真中使電機帶純電阻負載來模擬額定工作狀況。

4.3 結果對比

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

對比結果表明，本文設計的CAD 系統采用磁路法計算得到的永磁無刷直流電機各參數與Ansoft 有限元仿真結果接近，該CAD系統具有較高的準確性和可靠性。

實際設計中由于電機的結構、材料、負載等因素需要對計算結果進行合理取舍，該CAD 系統以其計算簡便，結果可靠的特點將成為永磁無刷直流電機設計中重要的設計工具。

表1 電機參數計算和仿真結果

［1］唐任遠.現代永磁電機理論與設計［M］.北京：機械工業出版社，2006.

［2］李鐘明，劉衛國.稀土永磁電機［M］.北京：國防工業出版社，1999.

［3］陳世坤.電機設計［M］.北京：機械下業出版社，2005.

［4］湯蘊璆.電機內的電磁場［M］.北京：科學出版社，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.永磁直流電機主要尺寸的目標設計法［J］.微電機，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.永磁直流無刷電機設計混合型專家系統的研究［J］.微電機，2001（5）.

［10］童懷.磁阻電機動態特性的非線性分析與計算機仿真［M］.南京：科學出版社，2000.

［11］張岳.ANSOFT 在直驅式永磁風力發電機設計中的應用［J］.微特電機，2008（11）.