基于Ansoft的通風(fēng)機(jī)用永磁無刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)與分析

明國(guó)鋒，陳賢陽，李芳玲

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

0 引言

我國(guó)的風(fēng)機(jī)數(shù)量巨大，耗電量驚人，風(fēng)機(jī)節(jié)能越來越受到大家的關(guān)注，而變速節(jié)能是風(fēng)機(jī)節(jié)能領(lǐng)域的重要環(huán)節(jié)。永磁無刷直流電機(jī)可以通過控制電路的占空比來進(jìn)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(diǎn)［1］，特別適合在通風(fēng)機(jī)等風(fēng)機(jī)節(jié)能領(lǐng)域中使用。永磁無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子中采用永磁體，使得電機(jī)的勵(lì)磁特性發(fā)生了很大的變化，給電機(jī)的設(shè)計(jì)、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(dòng)機(jī)參數(shù)的確定

1.1 主要尺寸的確定

電動(dòng)機(jī)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(zhǎng)度；nN為額定轉(zhuǎn)速；P 為計(jì)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(chǎng)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(jī)外殼尺寸，本電磁設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩和輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)也相對(duì)比較小，能減小電動(dòng)機(jī)噪音及實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的較平穩(wěn)運(yùn)行，而且釹鐵硼價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鐵氧體，是鐵氧體價(jià)格的10倍以上。因此，在電動(dòng)機(jī)尺寸允許的情況下，在通風(fēng)機(jī)用永磁無刷直流電機(jī)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(jì)

永磁無刷直流電機(jī)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(jì)中，由于是用于通風(fēng)機(jī)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(jiǎn)單和易于優(yōu)化的表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。對(duì)于表貼式永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)，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(duì)永磁體外圓進(jìn)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(jì)采用面包狀的鐵氧體。

在選擇永磁體尺寸時(shí)，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(jī)的氣隙長(zhǎng)度；Br／Bδ一般取值為1.1～1.35；τ2為電機(jī)轉(zhuǎn)子極距。

1.4 定子沖片設(shè)計(jì)

選擇定子沖片槽形時(shí)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(qiáng)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(jī)設(shè)計(jì)

永磁無刷直流電機(jī)主要參數(shù)如表1所示。在進(jìn)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(jī)模型，并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的計(jì)算及優(yōu)化。然后導(dǎo)入二維場(chǎng)中進(jìn)行更精確的分析和計(jì)算［4］。在RMxprt模塊中建立電機(jī)有限元分析模型分為以下幾步：

表1 電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

a.選擇電機(jī)類型。系統(tǒng)選用永磁無刷直流電機(jī)。

b.添加RMxprt材料庫(kù)。由于默認(rèn)材料庫(kù)里沒有本設(shè)計(jì)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(kù)。

c.機(jī)械選項(xiàng)設(shè)置。機(jī)械選項(xiàng)設(shè)置包括外電路、初始速度和摩擦損耗等相關(guān)選項(xiàng)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(zhǎng)度和磁極形狀等選項(xiàng)。

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(jì)算及優(yōu)化到工程上允許的精度，把電機(jī)模型從RMxprt模塊導(dǎo)入到Maxwell2D模塊進(jìn)行更精確的計(jì)算與分析。

3 永磁無刷直流電機(jī)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(duì)電機(jī)進(jìn)行電磁計(jì)算的，因而其計(jì)算精度很大程度上會(huì)受到其計(jì)算過程中的一些等效以及簡(jiǎn)化的影響［5］。因此，有必要采用基于場(chǎng)的有限元法對(duì)所選方案電機(jī)的相關(guān)性能進(jìn)行分析。

3.1 二維模型的手動(dòng)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(dòng)剖分。由于軟件自動(dòng)剖分計(jì)算精度相對(duì)不是很高，需要在自動(dòng)剖分的基礎(chǔ)上進(jìn)行手動(dòng)剖分。按經(jīng)驗(yàn)，需要把自動(dòng)剖分的網(wǎng)格再剖分小3倍左右，同時(shí)把磁場(chǎng)較強(qiáng)和磁場(chǎng)變化較大的地方，網(wǎng)格取得小一點(diǎn)，其他地方可以適當(dāng)?shù)厝〉么笠恍?。手?dòng)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(duì)電機(jī)進(jìn)行空載磁密分析，可得到電機(jī)任意運(yùn)行時(shí)刻的空載磁密分布圖。電機(jī)空載運(yùn)行在某一時(shí)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(jī)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(jī)運(yùn)行的任意時(shí)刻，也沒有出現(xiàn)局部過高的區(qū)域，說明電機(jī)尺寸設(shè)計(jì)得比較合理。

3.3 氣隙磁密

利用Ansoft軟件的Maxwell 2D靜磁場(chǎng)求解器，得到電機(jī)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(dòng)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(dòng)機(jī)繞組不通電，齒槽轉(zhuǎn)矩也會(huì)使得電機(jī)轉(zhuǎn)子有停在圓周上若干個(gè)穩(wěn)定位置上的趨向。因此，在Maxwell中求解齒槽轉(zhuǎn)矩時(shí)，應(yīng)采用電流源激勵(lì)，并把激勵(lì)電流設(shè)為零。在Maxwell2D計(jì)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(duì)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(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩正負(fù)不對(duì)稱。

圖5 電動(dòng)機(jī)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(duì)氣隙磁密進(jìn)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(duì)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(jī)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(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比

給制作的樣機(jī)施加190V直流電壓，把速度調(diào)到2000r／min時(shí)，用測(cè)功機(jī)對(duì)樣機(jī)相關(guān)性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。得到Ansoft計(jì)算值和樣機(jī)測(cè)試值比較如表2所示。

表2 計(jì)算值和測(cè)試值

從表2可以看出，用Ansoft計(jì)算的理論值與樣機(jī)測(cè)試值比較接近，誤差在可接受的范圍內(nèi)，驗(yàn)證了電機(jī)設(shè)計(jì)的可靠性，有一定的借鑒意義。

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一臺(tái)9槽6極的通風(fēng)機(jī)用永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)，利用交流電供電，采用表貼式面包狀的鐵氧體激磁。運(yùn)用RMxprt模塊對(duì)電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了具體的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，并運(yùn)用Maxwell 2D模塊對(duì)電機(jī)的空載磁密分布、氣息磁密波形和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)波形等特性進(jìn)行仿真和分析。最后把仿真結(jié)果與樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，證明了設(shè)計(jì)具有很大的可行性，能夠滿足通風(fēng)機(jī)使用的要求，對(duì)優(yōu)化通風(fēng)機(jī)用永磁無刷直流電機(jī)的設(shè)計(jì)，提供了一定的參考。

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

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

［3］王秀和.永磁電機(jī)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2007.

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

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