基于最大效率的永磁無刷直流電動機優(yōu)化設(shè)計

翟 力，黃文美，宋桂英，張志偉

(1.天津天保物業(yè)服務(wù)有限公司，天津300108;2.河北工業(yè)大學(xué)，天津300130)

0 引 言

永磁無刷直流電動機是一種典型的機電一體化產(chǎn)品，主要由電動機本體、位置傳感器和電子開關(guān)線路組成。永磁無刷直流電動機的設(shè)計方法主要有兩種，一種是傳統(tǒng)的等效磁路法［1］，另外一種是場路耦合法［2］。前者是由起動點和額定點轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)畫出電機的擬機械特性特性曲線，再根據(jù)電機的額定技術(shù)指標(biāo)結(jié)合經(jīng)驗公式完成無刷直流電動機的初步的電磁設(shè)計，最后利用各種修正系數(shù)修正，其設(shè)計結(jié)果的精度有時可以滿足工程實際需要。但是，過多的經(jīng)驗系數(shù)會引起比較大的誤差，致使設(shè)計精度下降，很難滿足對電機的高效能和高性能的要求，而且對于電機內(nèi)部復(fù)雜的電磁過程以及電機結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，等效磁路法是不涉及的;后者是先根據(jù)磁路計算的結(jié)果，利用電磁場有限元軟件建模進(jìn)行仿真分析，得出等效磁路法中重要的修正系數(shù)，比如漏磁系數(shù)、計算極弧系數(shù)和氣隙系數(shù)等，把這些系數(shù)帶回到等效磁路法的設(shè)計步驟中，重新核算電磁設(shè)計方案。但是，如果在等效磁路法設(shè)計過程中有些參數(shù)的設(shè)計不合理時，引起有限元核算工作量巨大，效率低下，設(shè)計周期漫長。因此，不管采用哪種設(shè)計方法，經(jīng)驗參數(shù)的合理選取成為關(guān)鍵，基于此，本文在傳統(tǒng)的等效磁路的設(shè)計方法基礎(chǔ)上，以電機效率最優(yōu)為目標(biāo)，利用等效磁路法原理的電機設(shè)計軟件的快速性的特點，對影響電機性能的主要經(jīng)驗參數(shù)進(jìn)行修正，完成電機的優(yōu)化設(shè)計。

1 初步的電磁設(shè)計

1.1 電機主要尺寸的確定

電機的主要尺寸有經(jīng)驗公式:

式中:Da為電樞內(nèi)徑;Lef為電樞計算長度;αi為計算極弧系數(shù);A為電負(fù)荷;Bδ為磁負(fù)荷;nN為電機額定轉(zhuǎn)速;P'為計算功率。

本電機為小功率無刷電動機，計算公式:

取額定功率 PN=300 W，效率 η=0.7，P'=342.9 W。

代入式(1)求得電樞計算長度Lef=10.2 cm。

這里需要說明的是電樞內(nèi)徑Da參考經(jīng)驗曲線和直流電動機電樞直徑標(biāo)準(zhǔn)選取;而電磁負(fù)荷的選取主要是根據(jù)經(jīng)驗曲線誤差，相對會比較大，下面進(jìn)行仿真核算時會進(jìn)一步修正。

1.2 其它參數(shù)的確定

其它參數(shù)諸如電機的極數(shù)、槽數(shù)、槽型、每槽導(dǎo)體數(shù)和電磁線線徑等，根據(jù)電機具體要求和實際使用環(huán)境來確定。這里強調(diào)極數(shù)和槽數(shù)的選擇，可以引入高級算法如差異化算法;而每槽導(dǎo)體數(shù)和電磁線線徑以及并繞根數(shù)對電機的性能影響甚大，需要應(yīng)用軟件的參數(shù)化分析功能來確定。

2 基于等效磁路法的電磁仿真核算

本文選取的電動機模型為三相6極18槽，用于驅(qū)動洗衣機的無刷直流電動機。主要參數(shù)如表1所示。

表1 電機主要參數(shù)

根據(jù)上面的初步電磁設(shè)計結(jié)果，應(yīng)用電機設(shè)計軟件建立電機結(jié)構(gòu)仿真模型。由于在初步電磁設(shè)計時，最大效率的選取有誤差，而且電磁負(fù)荷的選取也是根據(jù)經(jīng)驗選取，因此第一次的仿真結(jié)果和手工計算的初步電磁設(shè)計結(jié)果有一定的誤差。為此進(jìn)行電磁核算時需要先根據(jù)仿真結(jié)果修正初步電磁設(shè)計時選取的電機內(nèi)部各部分的磁通密度，重新求取電機的主要尺寸。

另外，每槽導(dǎo)體數(shù)和并繞根數(shù)對電機的性能影響甚大，需要應(yīng)用軟件的參數(shù)化分析功能來確定。根據(jù)上一步修正后的結(jié)果，可以得到每槽導(dǎo)體數(shù)和并繞根數(shù)，以這兩個結(jié)果為中心，分別確定每槽導(dǎo)體數(shù)的變化范圍為2N1(52，60)，其中N1為每極每相匝數(shù);并繞根數(shù)M的變化范圍從2至10。計算得出的不同每槽導(dǎo)體數(shù)和不同并繞根數(shù)與電機性能的對比分別如表2和表3所示。

表2 不同每槽導(dǎo)體數(shù)的電機性能對比

從表2不難看出，當(dāng)每極每相匝數(shù)N1取27，即每槽導(dǎo)體數(shù)2N1為54時電機的效率最高，且計算的額定轉(zhuǎn)速最接近額定的技術(shù)要求指標(biāo)。綜合考慮生產(chǎn)工藝槽滿率等因素，根據(jù)表3選擇并繞根數(shù)M為4。

表3 不同并繞根數(shù)的電機性能對比

3 參數(shù)化分析

電機優(yōu)化設(shè)計過程是一個反復(fù)核算的過程。電機的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料性能直接決定了電機的性能，在永磁無刷直流電動機的電磁設(shè)計過程中，為了使設(shè)計出的電機不僅能夠滿足實際要求，而且性能盡可能最優(yōu)。為此有必要對電機的性能參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)，而性能參數(shù)的尋優(yōu)是通過電機的結(jié)構(gòu)參數(shù)的尋優(yōu)來實現(xiàn)的，搞清了結(jié)構(gòu)參數(shù)如何影響性能參數(shù)和電機機械特性的規(guī)律，就可以對結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行有針對性和有效的調(diào)整，從而大大縮短電機的設(shè)計周期。永磁直流無刷電機的結(jié)構(gòu)參數(shù)很多，比如:定子鐵心長度、電樞繞組線徑、磁鋼厚度以及氣隙長度等。對于該設(shè)計來說，由于初步電磁設(shè)計時電機的定子長度、磁鋼厚度、氣隙長度以及極弧系數(shù)都是經(jīng)驗選取，因此，本文對定子鐵心長度、磁鋼厚度、氣隙長度，應(yīng)用電機設(shè)計軟件的參數(shù)化分析功能，以效率最大為目標(biāo)，分別對這些參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)。

3.1 定子鐵心長度的參數(shù)化分析

從圖1可以看出，該電機在限定槽滿率為0.73的情況下，定子鐵心長度的變化范圍從80 mm至140 mm，效率與鐵心長度并非線性關(guān)系，有一個峰值，即當(dāng)定子鐵心有效長度La=120 mm時，電機取得最大效率。

圖1 效率與定子鐵心長度關(guān)系曲線

3.2 磁鋼厚度的參數(shù)化分析

圖2 電機效率與磁鋼厚度的變化曲線

磁鋼厚度hM選取要合適。一方面hM不能太厚，因為磁化方向長度hM影響著轉(zhuǎn)子直軸磁路磁阻，從而影響直軸電抗，進(jìn)一步影響到電機的弱磁升速能力。另一方面hM也不能太薄，太薄可能引起永磁體的不可逆去磁，而且也會使機械承受能力變差。參數(shù)化分析如圖2所示。從圖2的電機效率與磁鋼厚度的關(guān)系曲線可以看出，電機效率隨磁鋼厚度的增加有所降低。綜合考慮，取磁鋼厚度hM=4 mm。

3.3 氣隙長度的參數(shù)化分析

由定子內(nèi)徑Da、轉(zhuǎn)子外徑Dro與氣隙長度的關(guān)系式:2δ=Da－Dro知，氣隙長度的參數(shù)化分析可以通過轉(zhuǎn)子外徑的參數(shù)化分析實現(xiàn)。假設(shè)氣隙長度的變化范圍從0.5 mm至4 mm，則轉(zhuǎn)子外徑的變化范圍從66 mm至73 mm。

根據(jù)以上參數(shù)化分析的結(jié)果，修改定子鐵心長度，磁鋼厚度和氣隙長度，重新仿真得到電機的效率為81.4%，較參數(shù)化分析前的效率70%提高了11.4%。優(yōu)化了電機的結(jié)構(gòu)，同時證明了參數(shù)化分析的必要性。

4 結(jié) 語

本文首先根據(jù)直流電動機的最大效率點是唯一存在的觀點，通過效率表達(dá)式得出電機的最大效率點，然后假設(shè)電機最大效率已知，結(jié)合電機的特性及額定數(shù)據(jù)要求，再計算電機的主要尺寸等參數(shù)，完成電機的初步電磁設(shè)計;然后利用電機設(shè)計軟件對上面的電磁設(shè)計進(jìn)行核算，修正那些經(jīng)驗選取的參數(shù);最后對修正后的電磁設(shè)計結(jié)果進(jìn)行參數(shù)化分析，優(yōu)化電機設(shè)計。進(jìn)一步驗證了用最大效率求取電機的機械特性的正確性，結(jié)合軟件對經(jīng)驗參數(shù)的修正和參數(shù)化分析，使電機的設(shè)計精度較高。

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