明國鋒，陳賢陽，李芳玲

（廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院，廣東 廣州 510006）

0 引言

我國的風(fēng)機數(shù)量巨大，耗電量驚人，風(fēng)機節(jié)能越來越受到大家的關(guān)注，而變速節(jié)能是風(fēng)機節(jié)能領(lǐng)域的重要環(huán)節(jié)。永磁無刷直流電機可以通過控制電路的占空比來進行無極調(diào)速，且調(diào)速范圍寬，還有具有不失步、功率密度高和高效節(jié)能等優(yōu)點［1］，特別適合在通風(fēng)機等風(fēng)機節(jié)能領(lǐng)域中使用。永磁無刷直流電機的轉(zhuǎn)子中采用永磁體，使得電機的勵磁特性發(fā)生了很大的變化，給電機的設(shè)計、分析和研究提出了許多新的問題和研究課題。

1 永磁無刷直流電動機參數(shù)的確定

1.1 主要尺寸的確定

電動機的主要尺寸可由以下公式確定［2］：

Di1為定子內(nèi)徑；L為鐵芯長度；nN為額定轉(zhuǎn)速；P 為計算功率，取1.25×PN=187.5W；αi為極弧系數(shù)；A為電負(fù)荷；Kφ為氣隙磁場波形系數(shù)；KW為基波繞組系數(shù)，本電磁方案用集中繞組；Bδ為氣隙磁密平均值，主要由所選永磁材料決定?？紤]現(xiàn)有的電機外殼尺寸，本電磁設(shè)計方案取Di1=64 mm，L=20mm。

1.2 磁性材料的選擇

目前，永磁無刷直流電動機采用的磁性材料主要是鐵氧體和釹鐵硼永磁材料。永磁無刷直流電動機可以通過增加磁鐵的厚度和供磁面積來增大氣隙磁通。轉(zhuǎn)子磁極采用磁性比較弱的磁性材料，磁負(fù)荷比較低，使電動機的齒槽轉(zhuǎn)矩和輸出轉(zhuǎn)矩波動也相對比較小，能減小電動機噪音及實現(xiàn)電動機的較平穩(wěn)運行，而且釹鐵硼價格遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鐵氧體，是鐵氧體價格的10倍以上。因此，在電動機尺寸允許的情況下，在通風(fēng)機用永磁無刷直流電機中，選擇鐵氧體作為磁性材料是比較合適的。

1.3 磁體形狀的選擇和尺寸的設(shè)計

永磁無刷直流電機轉(zhuǎn)子上的永磁體安裝方式可分為表貼式和內(nèi)置式。設(shè)計中，由于是用于通風(fēng)機中，轉(zhuǎn)速要求不高，因而從制造成本和工藝的復(fù)雜程度來考慮，選擇成本低、工藝簡單和易于優(yōu)化的表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。對于表貼式永磁無刷直流電動機，最常用的磁極結(jié)構(gòu)如圖1所示［3］。

圖1 表貼式轉(zhuǎn)子常用磁極形狀

由于面包狀永磁體加工方便，便于對永磁體外圓進行厚度和極弧寬度的優(yōu)化，以此抑制齒槽轉(zhuǎn)矩。而且比瓦片狀磁極節(jié)省材料。因此，設(shè)計采用面包狀的鐵氧體。

在選擇永磁體尺寸時，永磁體的厚度hM和寬度bm可以近似地由以下公式確定：

δi為電機的氣隙長度；Br／Bδ一般取值為1.1～1.35；τ2為電機轉(zhuǎn)子極距。

1.4 定子沖片設(shè)計

選擇定子沖片槽形時應(yīng)考慮的因素有：首先定子槽有足夠大的截面積，以保證槽內(nèi)導(dǎo)體電流密度在允許范圍內(nèi)；其次要滿足線下工藝要求，使槽滿率不能太高；最后要保證足夠的軛高和齒寬，使鐵心軛、齒的磁密不致過高，但也應(yīng)考慮到械強度和工藝限制，軛高和齒寬也不能太小。

2 基于磁路法RMxprt的電機設(shè)計

永磁無刷直流電機主要參數(shù)如表1所示。在進行Maxwell2D有限元分析前，先在RMxprt模塊中建立三相永磁無刷直流電機模型，并進行相關(guān)參數(shù)的計算及優(yōu)化。然后導(dǎo)入二維場中進行更精確的分析和計算［4］。在RMxprt模塊中建立電機有限元分析模型分為以下幾步：

表1 電動機主要參數(shù)

a.選擇電機類型。系統(tǒng)選用永磁無刷直流電機。

b.添加RMxprt材料庫。由于默認(rèn)材料庫里沒有本設(shè)計所需的2種材料，即硅鋼片（M19-24G）和鐵氧體（Y30BH），因此，需要添加包含這2種材料的RMxprt材料庫。

c.機械選項設(shè)置。機械選項設(shè)置包括外電路、初始速度和摩擦損耗等相關(guān)選項設(shè)置。

d.定子設(shè)置。定子設(shè)置包括設(shè)置定子內(nèi)徑、定子外徑、槽數(shù)和槽型等。

e.轉(zhuǎn)子設(shè)置。轉(zhuǎn)子設(shè)置包括設(shè)定轉(zhuǎn)子外徑尺寸、轉(zhuǎn)子內(nèi)徑尺寸、鐵心長度和磁極形狀等選項。

f.仿真設(shè)定。仿真設(shè)定包括設(shè)定負(fù)載類型、輸出額定功率和額定電壓等。

在RMxprt中把相關(guān)參數(shù)計算及優(yōu)化到工程上允許的精度，把電機模型從RMxprt模塊導(dǎo)入到Maxwell2D模塊進行更精確的計算與分析。

3 永磁無刷直流電機有限元仿真結(jié)果及分析

由于Ansoft軟件中的RMxprt模塊是基于磁路的方法對電機進行電磁計算的，因而其計算精度很大程度上會受到其計算過程中的一些等效以及簡化的影響［5］。因此，有必要采用基于場的有限元法對所選方案電機的相關(guān)性能進行分析。

3.1 二維模型的手動剖分

從RMxprt模塊一鍵導(dǎo)入生成二維模型的剖分是軟件自動剖分。由于軟件自動剖分計算精度相對不是很高，需要在自動剖分的基礎(chǔ)上進行手動剖分。按經(jīng)驗，需要把自動剖分的網(wǎng)格再剖分小3倍左右，同時把磁場較強和磁場變化較大的地方，網(wǎng)格取得小一點，其他地方可以適當(dāng)?shù)厝〉么笠恍?。手動剖分后的模型如圖2所示。

圖2 二維模型網(wǎng)格剖分

3.2 空載磁密分析

利用Ansoft軟件的Maxwell 2D模塊對電機進行空載磁密分析，可得到電機任意運行時刻的空載磁密分布圖。電機空載運行在某一時刻的空載磁密分布如圖3所示。

圖3 空載磁密分布

從圖3可以看出，電機的磁密分布比較均勻，沒有出現(xiàn)磁密過高的區(qū)域。選取電機運行的任意時刻，也沒有出現(xiàn)局部過高的區(qū)域，說明電機尺寸設(shè)計得比較合理。

3.3 氣隙磁密

利用Ansoft軟件的Maxwell 2D靜磁場求解器，得到電機的氣隙磁密波形如圖4所示。

圖4 氣隙磁密波形

從圖4可以看出，氣隙磁密基本為方波，脈動不是很大，可靠性比較高。

3.4 齒槽轉(zhuǎn)矩

齒槽轉(zhuǎn)矩是電樞鐵心的齒槽與轉(zhuǎn)子永磁體相互作用而產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩。即使電動機繞組不通電，齒槽轉(zhuǎn)矩也會使得電機轉(zhuǎn)子有停在圓周上若干個穩(wěn)定位置上的趨向。因此，在Maxwell中求解齒槽轉(zhuǎn)矩時，應(yīng)采用電流源激勵，并把激勵電流設(shè)為零。在Maxwell2D計算得到的齒槽轉(zhuǎn)矩如圖5所示。

根據(jù)圖5，可以得到齒槽轉(zhuǎn)矩的變化范圍為-0.037～0.018N·m，齒槽轉(zhuǎn)矩正負(fù)不對稱。由于定子采用不均勻氣隙的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了氣隙磁導(dǎo)的變化，使得電機齒槽轉(zhuǎn)矩正負(fù)不對稱。

圖5 電動機齒槽轉(zhuǎn)矩

3.5 氣隙磁密FFT分析

采用Ansoft軟件中的Maxwell2D模塊對氣隙磁密進行傅里葉分解，得到氣隙磁密的傅里葉分解的空間諧波分布，如圖6所示。圖6中的縱坐標(biāo)表示氣隙磁密基波與諧波的幅值，單位是特斯拉。由FFT分析圖可看出，基波含量最大，達(dá)到了0.4168 T，而諧波含量中，3次和9次諧波含量相對其他次諧波含量比較大，分別達(dá)到了0.0451T和0.0456 T，它們分別達(dá)到直流分量的5.17%和5.19%。結(jié)果說明本電機采用表貼轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)氣隙磁密諧波含量比較少。

圖6 氣隙磁密的FFT分解

4 樣機實驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比

給制作的樣機施加190V直流電壓，把速度調(diào)到2000r／min時，用測功機對樣機相關(guān)性能參數(shù)進行測試。得到Ansoft計算值和樣機測試值比較如表2所示。

表2 計算值和測試值

從表2可以看出，用Ansoft計算的理論值與樣機測試值比較接近，誤差在可接受的范圍內(nèi)，驗證了電機設(shè)計的可靠性，有一定的借鑒意義。

5 結(jié)束語

設(shè)計了一臺9槽6極的通風(fēng)機用永磁無刷直流電動機，利用交流電供電，采用表貼式面包狀的鐵氧體激磁。運用RMxprt模塊對電機各項參數(shù)進行了具體的設(shè)計和優(yōu)化，并運用Maxwell 2D模塊對電機的空載磁密分布、氣息磁密波形和轉(zhuǎn)矩脈動波形等特性進行仿真和分析。最后把仿真結(jié)果與樣機的實驗數(shù)據(jù)進行比較，證明了設(shè)計具有很大的可行性，能夠滿足通風(fēng)機使用的要求，對優(yōu)化通風(fēng)機用永磁無刷直流電機的設(shè)計，提供了一定的參考。

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

［2］唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機理論與設(shè)計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1997.

［3］王秀和.永磁電機［M］.北京：中國電力出版社，2007.

［4］朱彩虹.基于Ansoft的永磁無刷直流電動機磁場有限元分析［J］.微電機，2010，43（6）：103-105.

［5］趙 博，張洪亮.Ansoft12在工程磁場中的應(yīng)用［M］.北京：中國水利水電出版社，2010.