陳 曦，韋忠朝，黃沁心

（華中科技大學(xué)強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室，湖北武漢 430074）

高速電主軸用無刷直流電機(jī)優(yōu)化設(shè)計

陳 曦，韋忠朝，黃沁心

（華中科技大學(xué)強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室，湖北武漢 430074）

針對應(yīng)用在電主軸中的高速永磁無刷直流電機(jī)存在的轉(zhuǎn)矩脈動、定子鐵心損耗、轉(zhuǎn)子渦流損耗、永磁體抗電樞去磁能力等關(guān)鍵問題，從轉(zhuǎn)子和定子結(jié)構(gòu)兩方面對電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。通過有限元仿真對比分析永磁體不同充磁方式及定子槽數(shù)對電機(jī)各方面性能的影響，提出采用平行充磁的面貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和槽數(shù)較少的分?jǐn)?shù)槽定子結(jié)構(gòu)。設(shè)計出60 000r／min、3.5kW的21槽無刷直流電機(jī)并進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真和樣機(jī)試驗。

高速電主軸；無刷直流電動機(jī)；優(yōu)化設(shè)計；有限元分析

高速精密電主軸將電機(jī)功能與機(jī)床主軸功能從結(jié)構(gòu)上融為一體，省去復(fù)雜的中間傳動環(huán)節(jié)，具有調(diào)速范圍寬、轉(zhuǎn)動慣量小、可快速起動和停車、易于實現(xiàn)無級調(diào)速和精密控制等優(yōu)點(diǎn)［1］。永磁無刷直流電機(jī)由于具有結(jié)構(gòu)簡單，功率密度高和無勵磁損耗效率高等優(yōu)點(diǎn)，特別適合高速電主軸電機(jī)［2］。然而，無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)給電機(jī)帶來了永磁體強(qiáng)度、較大的定子鐵耗、轉(zhuǎn)子渦流損耗、轉(zhuǎn)矩脈動以及不可逆去磁等問題，并成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。本文針對電主軸這一特殊機(jī)電一體化設(shè)備，設(shè)計出60 000r／min，3.5kW的永磁無刷直流電機(jī)，并著眼于高速永磁電機(jī)額定運(yùn)行時存在的轉(zhuǎn)矩脈動、定子鐵芯損耗、轉(zhuǎn)子渦流損耗及抗電樞去磁能力等關(guān)鍵問題，在電磁設(shè)計方案中從轉(zhuǎn)子與定子兩方面對電機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，經(jīng)有限元對比分析后提出較為適合的設(shè)計方案。滿足其高速運(yùn)行時盡量減小轉(zhuǎn)矩脈動和電機(jī)損耗以及增大抗去磁能力的設(shè)計要求。

1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1.1 永磁體及防護(hù)方式設(shè)計

常用的高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)因永磁體位置的不同通常分為表貼式和內(nèi)置式。其中，表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)因其工藝簡單，交直軸磁路對稱而被廣泛應(yīng)用于高速無刷直流電機(jī)中。然而，燒結(jié)釹鐵硼材料僅僅能夠承受較大的壓應(yīng)力，而不能承受電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的巨大離心力。為了提高轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度，通常在永磁體表面采用過盈配合包裹一層高強(qiáng)度的非磁性套筒。本次設(shè)計采用的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)見圖1，其2極結(jié)構(gòu)保證了轉(zhuǎn)子沿徑向各向同性，有利于轉(zhuǎn)子的動態(tài)平衡，同時可減小定子繞組電流和鐵心中磁場的交變頻率，有利于降低高頻附加損耗［3］。

為了解決2極電機(jī)轉(zhuǎn)子軛部鐵心過厚的問題，采用導(dǎo)磁材料38CrMoAl作為轉(zhuǎn)軸，將永磁體直接裝配于轉(zhuǎn)軸表面。

圖1 高速永磁無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子示意圖

1.2 永磁體磁化方向選擇

面貼式永磁結(jié)構(gòu)通常分為徑向和切向兩種充磁方式。其對應(yīng)的徑向氣隙磁密分布見圖2。

圖2 不同充磁方式徑向氣隙磁密分布

徑向充磁的永磁體能夠產(chǎn)生方波磁密，進(jìn)而感應(yīng)出方波電動勢。當(dāng)通入理想方波電流時，根據(jù)式（1）可以得到平穩(wěn)的電磁轉(zhuǎn)矩。

其中，Em為每相感應(yīng)電動勢幅值，Im為相電流幅值，Ω為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度。

然而，在高速運(yùn)行中無論永磁體充磁方式如何，電機(jī)a相電樞電流如圖3，波形畸變明顯。

圖3 永磁無刷直流電機(jī)a相電樞電流

對比圖4所示相同電機(jī)主要尺寸下分別采用徑向和平行充磁的無刷直流電機(jī)，可以發(fā)現(xiàn)采用平行充磁的無刷直流電機(jī)額定電磁轉(zhuǎn)矩平均值較大。

圖4 不同充磁方式額定電磁轉(zhuǎn)矩

定義公式（2）為電磁轉(zhuǎn)矩脈動率，則兩種充磁方式電磁轉(zhuǎn)矩對比如表1。雖然徑向充磁的電機(jī)感應(yīng)電勢基波分量較大，但其諧波含量豐富。而平行充磁的電機(jī)交直軸電抗較小，則相同電壓源下產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩較大，且其轉(zhuǎn)矩脈動率并未明顯增大。

表1 永磁無刷直流電機(jī)不同充磁方式電磁轉(zhuǎn)矩對比

對于無刷直流電機(jī)，脈動轉(zhuǎn)矩主要由于電流換相波形畸變引起的紋波轉(zhuǎn)矩和由齒槽或鐵心磁阻變化引起的齒槽轉(zhuǎn)矩組成［4］。其中，換相轉(zhuǎn)矩脈動可以通過控制策略抑制相電流波動來減小。在電機(jī)電磁方案設(shè)計中，主要針對齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行優(yōu)化，轉(zhuǎn)子在空載每秒鐘轉(zhuǎn)動一度的情況下測得的齒槽轉(zhuǎn)矩如圖5所示，徑向充磁齒槽轉(zhuǎn)矩有效值比平行充磁大22.4%。

在高速電機(jī)中，定子鐵心損耗所占比例較大，是設(shè)計中需要關(guān)注的問題之一。采用相同鐵心材料的情況下，應(yīng)盡量降低鐵心中各部位的磁密值來減少鐵耗。在60 000r／min額定運(yùn)行狀態(tài)中，兩種充磁方式定子鐵心損耗曲線如圖6。徑向充磁定子鐵耗平均值比平行充磁大23.4%。

圖5 不同充磁方式齒槽轉(zhuǎn)矩

圖6 不同充磁方式額定運(yùn)行定子鐵心損耗

綜合電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩脈動、定子鐵心損耗等方面的因素，采用平行充磁的面貼式永磁體結(jié)構(gòu)更適合高速無刷直流電機(jī)。

2 定子結(jié)構(gòu)優(yōu)化

高速電機(jī)定子結(jié)構(gòu)分為多槽、少槽和無槽。無槽結(jié)構(gòu)取消了傳統(tǒng)的齒槽，所以電機(jī)的鐵耗只有軛部損耗而沒有齒部損耗，這樣的結(jié)構(gòu)使電機(jī)鐵耗降低，但是這種結(jié)構(gòu)繞組加工工藝復(fù)雜，而且無槽結(jié)構(gòu)的氣隙較大，永磁材料利用率低。有槽結(jié)構(gòu)分為整數(shù)槽和分?jǐn)?shù)槽，其能減少NS極之間的漏磁，還可以增大繞組和定子鐵心的表面接觸面積，提供了一個較低的熱阻路徑，這對繞組和轉(zhuǎn)子的散熱也很重要［5］。本次優(yōu)化設(shè)計針對有槽結(jié)構(gòu)，從轉(zhuǎn)子渦流損耗和電機(jī)抗電樞去磁能力兩方面討論定子槽對電機(jī)性能的影響。

2.1 定子槽數(shù)對轉(zhuǎn)子渦流損耗影響

在高速電機(jī)中，永磁體和高電導(dǎo)率金屬保護(hù)套筒通常受到高次磁通諧波影響產(chǎn)生渦流損耗。在空載運(yùn)行時，渦流損耗主要由齒槽效應(yīng)引起；在負(fù)載狀態(tài)，渦流損耗由齒槽效應(yīng)和不與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)的磁動勢諧波共同產(chǎn)生［6］。不同定子槽數(shù)和繞組形式將產(chǎn)生不同的磁動勢諧波，因此，合理選擇槽數(shù)和節(jié)距進(jìn)而利用繞組系數(shù)來削弱磁動勢諧波是減少轉(zhuǎn)子渦流損耗的有效途徑。

分別取表2的定子槽數(shù)，在保證額定電磁轉(zhuǎn)矩條件下，得到渦流損耗變化情況如圖7。

表2 不同槽數(shù)方案渦流損耗對比

圖7 渦流損耗隨定子槽數(shù)變化

隨定子槽數(shù)增多，渦流損耗逐漸減少。取節(jié)距y＝5τ／6左右，則定子磁動勢5、7次諧波可以大量被削減，而增加定子槽數(shù)目，則磁動勢分布性能得到改善，高次磁動勢諧波同樣被削弱。采用分?jǐn)?shù)槽繞組可以用較少的槽達(dá)到較多槽數(shù)的繞組分布性能，在一定程度上削弱磁動勢諧波，從而降低渦流損耗。采用分?jǐn)?shù)槽21槽結(jié)構(gòu)的渦流分布如圖8，保護(hù)套筒中的渦流電密比其在永磁體中的高出1到2個數(shù)量級，則轉(zhuǎn)子渦流損耗主要出現(xiàn)在保護(hù)套筒中。

2.2 定子槽數(shù)對永磁體抗電樞去磁能力影響

在高速永磁無刷直流電機(jī)中，保護(hù)套中產(chǎn)生的渦流損耗發(fā)熱可能引起永磁體不可逆退磁。避免永磁體因發(fā)熱去磁的做法是改善電機(jī)通風(fēng)和選擇熱穩(wěn)定型較好的永磁材料。而因故障短路引起的電樞反應(yīng)去磁也是高速電機(jī)設(shè)計中的一個重要問題。本文利用三相短路狀態(tài)下電樞繞組產(chǎn)生最大去磁電流考察電機(jī)的抗去磁能力，表3為采用的永磁體材料數(shù)據(jù)。

表3 N40UH釹鐵硼永磁體性能

圖9為不同定子槽數(shù)的電機(jī)在輸出相同電磁轉(zhuǎn)矩時分別受到三相短路去磁電流影響時永磁體表面磁密分布，對此可知，隨著定子槽數(shù)增多，永磁體表面磁通密度下降明顯，電機(jī)抗電樞去磁能力下降。因此多槽結(jié)構(gòu)電機(jī)不利于防止無刷直流電機(jī)抗電樞去磁。

圖9 三相短路去磁情況下永磁體表面磁密分布

通過以上對比分析，多槽結(jié)構(gòu)電機(jī)雖然能夠減少轉(zhuǎn)子渦流損耗，卻不利于永磁體防止電樞去磁，而采用較少的15槽或21槽的分?jǐn)?shù)槽定子結(jié)構(gòu)，則可以在增強(qiáng)永磁體抗去磁能力的前提下盡量減少轉(zhuǎn)子渦流損耗，是比較合理的設(shè)計方案。

3 21槽電機(jī)有限元仿真

經(jīng)過對不同定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行優(yōu)化分析，本文利用Ansoft軟件，在磁路計算的基礎(chǔ)上，建立了圖10所示的2極21槽永磁無刷直流電機(jī)模型，其主要尺寸：定子外徑60mm，定子內(nèi)徑31.5mm，氣隙長度0.5mm，保護(hù)套厚1.75mm，永磁體厚4 mm，永磁體充磁方向平行，轉(zhuǎn)軸外徑19mm，鐵心長度47.5mm，極數(shù)2。

圖10 21槽永磁無刷直流電機(jī)模型

利用有限元仿真，對于電機(jī)在額定狀態(tài)下的氣隙、定子齒軛部磁場進(jìn)行了分析，可知不存在磁場的局部嚴(yán)重飽和現(xiàn)象；驗證圖11所示的電機(jī)額定狀態(tài)輸出電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流的大小，均滿足了運(yùn)行工況的設(shè)計目標(biāo)。

圖11 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電機(jī)參數(shù)

4 結(jié)論

本文針對電主軸用永磁無刷直流電動機(jī)，從定子和轉(zhuǎn)子兩方面的結(jié)構(gòu)出發(fā)，通過建立一系列有限元仿真模型，得到了如下結(jié)論：

1）對于永磁體表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，平行充磁的高速電機(jī)與徑向充磁相比，其轉(zhuǎn)矩輸出較大，齒槽轉(zhuǎn)矩較小，定子鐵心損耗較小，故平行充磁更適合應(yīng)用于高速永磁無刷直流電機(jī)中。

2）高速電機(jī)的轉(zhuǎn)子渦流損耗隨定子槽數(shù)增多而減小，與此同時抗電樞去磁能力卻隨之下降。

3）采用本文提出的21槽分?jǐn)?shù)槽定子結(jié)構(gòu)的電機(jī)可以兼顧轉(zhuǎn)子渦流損耗和抗電樞去磁能力兩方面的性能，其仿真結(jié)果滿足運(yùn)行工況的設(shè)計目標(biāo)，是較理想的優(yōu)化方案。

［1］ 黃紅武，熊萬里，陸名彰，等.高速大功率精密電主軸中的關(guān)鍵技術(shù)［J］.湖南大學(xué)學(xué)報，2002，29（05）：49－54.

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［4］ 唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［5］ 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(jī)性能的影響［J］.微特電機(jī)，2011（07）：21－24.

［6］ Zhu Z，Ng K，Howe D.Design and analysis of highspeed brushless permanent magnet motors［C］.Eighth International Conference on Electrical Machines and Drives，Cambridge，UK，1997：381－385.

［責(zé)任編校：張巖 芳］

Optimization Design on High Speed BLDC Motor for Electric Spindle

CHEN Xi，WEI Zhong－chao，HUANG Qin－xin
（Huazhong Univ.of Science and Tech.，Wuhan 430074，China）

Aiming at the key questions in high－speed brushless DC motor（BLDCM），such as torque ripple，stator core loss，parasitic eddy current loss and the ability to resist armature demagnetization and so on，this paper optimized the motor from the structure of rotor and stator.Through finite element analysis（FEA）of different models based on various magnetization directions and different stator slot numbers，the parallel magnetized permanent magnets and frictional－slot windings were adopted.The design and steady state finite element simulation for a 60000r／min，3.5kW BLDC motor were carried out，and the data form prototype verified this design progress.

high speed，BLDCM，optimization design，F(xiàn)EA

TM351，TM355

A

1003－4684（2014）01－0041－04

2013－11－28

陳 曦（1989－），男，河南鄭州人，華中科技大學(xué)碩士研究生，研究方向為新型特種電機(jī)及其控制