永磁無(wú)刷直流電機(jī)電磁設(shè)計(jì)方法及軟件實(shí)現(xiàn)

郝宏亮，李 雪

（國(guó)網(wǎng)徐州供電公司，江蘇 徐州 221009）

0 引言

永磁無(wú)刷直流電機(jī)是由永磁體建立勵(lì)磁磁場(chǎng)的直流電機(jī)。它除了具有普通電勵(lì)磁直流電機(jī)所具備的下垂的機(jī)械特性、線性的調(diào)節(jié)特性、調(diào)速范圍寬和便于控制等優(yōu)點(diǎn)外，還具有體積小、效率高、用銅量少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于家用電器、辦公機(jī)械、電動(dòng)工具、醫(yī)療器械、精密機(jī)床等方面［1，2］。

本文針對(duì)永磁無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用磁路法，應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行電磁計(jì)算，提高了電機(jī)設(shè)計(jì)的效率性及準(zhǔn)確性。

1 永磁電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)方法

目前對(duì)永磁電機(jī)設(shè)計(jì)的研究工作主要集中在電機(jī)的電磁分析、性能與損耗計(jì)算以及電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)上，并取得了相當(dāng)多的進(jìn)展。對(duì)于永磁電機(jī)的分析與計(jì)算，當(dāng)前主要有以下4種方法：（1）磁路法。它是電機(jī)分析的傳統(tǒng)方法，用磁路來代表場(chǎng)，需要大量的經(jīng)驗(yàn)公式和參數(shù)，合理選擇這法計(jì)算直接、簡(jiǎn)單，適用于電機(jī)設(shè)計(jì)的初步參考［3，4］。（2）有限元法。具有單元算法統(tǒng)一，剖分靈活、通用的優(yōu)點(diǎn)，但是計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，使得計(jì)算時(shí)間問題很突出。（3）等效磁網(wǎng)絡(luò)法。依據(jù)等效一對(duì)極范圍內(nèi)磁路結(jié)構(gòu)，將電機(jī)中磁通幾何形狀較規(guī)則、分布較均勻的部分作為一個(gè)獨(dú)立單元。但以路的方法來分析磁場(chǎng)，參數(shù)選擇困難，電機(jī)設(shè)計(jì)的精度難以保證［5-8］。（4）場(chǎng)路結(jié)合法。通過電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算，可以較準(zhǔn)確地求出電機(jī)的各種計(jì)算參數(shù)，能有效的提高電機(jī)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。但計(jì)算也比較復(fù)雜［9］。

2 磁路法設(shè)計(jì)永磁無(wú)刷直流電機(jī)

2.1 磁路法原理

本文將采用磁路法來設(shè)計(jì)永磁無(wú)刷直流電機(jī)。電機(jī)磁路主要由永磁體、轉(zhuǎn)子軛部、氣隙、定子齒、定子軛部等部分組成，永磁電機(jī)運(yùn)行時(shí)，永磁體想外磁路提供的磁動(dòng)勢(shì)Fm和磁通Фm都是變化的，根據(jù)電路知識(shí)，類似的將永磁體等效為一個(gè)磁勢(shì)源以簡(jiǎn)化磁路結(jié)構(gòu)，磁路結(jié)構(gòu)如圖l 所示。

圖1 永磁無(wú)刷直流電機(jī)等效磁路

Fc為永磁體磁動(dòng)勢(shì)源的計(jì)算磁動(dòng)勢(shì)；Λ0為內(nèi)磁導(dǎo)；Фm為總磁通；Λr為轉(zhuǎn)子軛磁導(dǎo)；Λσ為極間漏磁導(dǎo)；Fad為直軸去磁磁勢(shì)；Фσ為漏磁通；Фμ為主磁通；Λδ為氣隙磁導(dǎo)；Λτ定子齒磁導(dǎo)；Λa為定子軛磁導(dǎo)。得到磁通、磁勢(shì)方程：

求解得漏磁系數(shù)：

空載時(shí)Fa=0，此時(shí)

如果永磁體設(shè)計(jì)采用外置徑向瓦片結(jié)構(gòu)，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(dǎo)構(gòu)成磁路主磁導(dǎo)Λδ’，令（2/Λδ+2/Λτ+1/Λa）=1/Λδ’，則σ0=Λσ/Λδ’。電樞反應(yīng)呈去磁時(shí)，F(xiàn)ad為正，此時(shí)Фm，Фμ減小，Фσ增大，同時(shí)磁勢(shì)ΣF 減小，永磁體提供的有效磁通減小，導(dǎo)致永磁體工作點(diǎn)降低；當(dāng)電樞反應(yīng)呈增磁時(shí)，F(xiàn)ad為負(fù)，此時(shí)Фm，Фμ增大，Фσ減小，同時(shí)磁勢(shì)ΣF增大，永磁體工作點(diǎn)升高。漏磁系數(shù)為磁路參數(shù)與電樞反應(yīng)的函數(shù)。

2.2 磁路法的流程設(shè)計(jì)

由于電機(jī)設(shè)計(jì)是對(duì)不同設(shè)計(jì)方案尋優(yōu)的過程，對(duì)每個(gè)設(shè)計(jì)方案都進(jìn)行有限元計(jì)算是不合適的，利用磁路法對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)的各參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并利用計(jì)算機(jī)快速完成具有巨大的優(yōu)勢(shì)。本文使用的磁路法進(jìn)行永磁無(wú)刷直流電機(jī)電磁設(shè)計(jì)過程如圖2所示，該過程在電磁設(shè)計(jì)中盡量避免電機(jī)剖面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，保持剖面磁場(chǎng)分布不變，充分考慮了電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算在電機(jī)設(shè)計(jì)中的作用。

在電機(jī)設(shè)計(jì)中，往往對(duì)電機(jī)形狀有具體的要求，對(duì)電機(jī)最大直徑固定的電機(jī)設(shè)計(jì)，這種方法是有效的，但有些設(shè)計(jì)對(duì)電機(jī)長(zhǎng)度有具體的要求，這種方法就不是很奏效［10］。

3 永磁無(wú)刷直流電機(jī)CAD 系統(tǒng)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CAD 技術(shù)在電機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。從最初的校核電機(jī)性能逐漸發(fā)展到電機(jī)的綜合設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、電磁場(chǎng)性能分析、計(jì)算機(jī)繪圖等，為設(shè)計(jì)人員節(jié)省了大量時(shí)間。

本文根據(jù)場(chǎng)路分析法開發(fā)了一個(gè)永磁無(wú)刷直流電機(jī)CAD系統(tǒng)。本CAD 系統(tǒng)基于Windows 環(huán)境，采用Microsoft 公司的集成開發(fā)工具Visual Basic 6.0 開發(fā)。可輸入標(biāo)稱電壓，額定轉(zhuǎn)速，定轉(zhuǎn)子尺寸等參數(shù)，對(duì)所設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算，永磁體尺寸，空載負(fù)載磁路，最大去磁，工作性能等計(jì)算，產(chǎn)生如槽滿率，磁密，效率，轉(zhuǎn)速，起動(dòng)電流等重要輸出數(shù)據(jù)，本程序輸入、輸出界面如圖3、4 所示。

圖3 CAD 系統(tǒng)輸入界面

圖4 CAD 系統(tǒng)輸出界面

圖5 三相繞組空載反電勢(shì)曲線

圖6 電機(jī)效率-轉(zhuǎn)速曲線

本程序包括7 個(gè)模塊：（1）主程序模塊。該模塊包含一個(gè)子程序Sub DCJS（），其功能為輸入數(shù)據(jù)和調(diào)用其他模塊子程序Magcurve（），DCJS（），Output（）完成全部計(jì)算。（2）電磁計(jì)算模塊。此模塊為本程序完成計(jì)算功能的主要模塊，包含一個(gè)子程序DCJS（），在此子程序中進(jìn)行進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算，永磁體尺寸，空載負(fù)載磁路，最大去磁，工作性能等計(jì)算。（3）變量聲明模塊。程序?qū)⒆兞柯暶骷性谝粋€(gè)模塊中進(jìn)行，其功能就是對(duì)變量、數(shù)組進(jìn)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(jì)算時(shí)需要插值時(shí)為其提供數(shù)據(jù)。（5）軛部磁路校正系數(shù)模塊。軛部磁路校正系數(shù)模塊，用于計(jì)算軛部磁路長(zhǎng)度校正系數(shù)。（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(duì)磁化曲線，損耗曲線進(jìn)行插值計(jì)算時(shí)調(diào)用。（7）輸出模塊。包含一個(gè)子程序Output（），用于生成SCdat.dat 文件，保存輸出數(shù)據(jù)。

4 有限元分析及對(duì)比

本文對(duì)一臺(tái)30W 洗衣機(jī)用永磁無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用電磁場(chǎng)分析軟件Ansoft 進(jìn)行仿真分析。電機(jī)采用四極六槽結(jié)構(gòu)，額定電壓24V，額定轉(zhuǎn)速為3000rpm。通過對(duì)模型進(jìn)行2D 靜態(tài)場(chǎng)和瞬態(tài)場(chǎng)仿真，用以與磁路設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)比［11］。

4.1 2D 靜態(tài)仿真

進(jìn)行2D 靜態(tài)仿真，利用Ansoft 計(jì)算及后處理功能，得到磁密分布圖，計(jì)算得出氣隙處磁密波形，將數(shù)據(jù)處理求出平均值空載氣隙磁密0.245T。

4.2 瞬態(tài)場(chǎng)空載負(fù)載仿真

二維瞬態(tài)求解器仿真空載運(yùn)行過程，設(shè)定步長(zhǎng)為1ms，仿真0～100ms 的空載運(yùn)行過程。圖5 顯示了電機(jī)的三相繞組空載反電勢(shì)曲線，圖6 為電機(jī)效率—轉(zhuǎn)速曲線。由于工作環(huán)境的特點(diǎn)，導(dǎo)致永磁無(wú)刷直流電機(jī)工作轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)不斷變化，導(dǎo)致輸出電壓頻率和大小也隨之發(fā)生變化。為了便于分析，仿真中使電機(jī)帶純電阻負(fù)載來模擬額定工作狀況。

4.3 結(jié)果對(duì)比

將CAD 系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果和有限元仿真軟件Ansoft 的仿真結(jié)果對(duì)比如表1 所示。

對(duì)比結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的CAD 系統(tǒng)采用磁路法計(jì)算得到的永磁無(wú)刷直流電機(jī)各參數(shù)與Ansoft 有限元仿真結(jié)果接近，該CAD系統(tǒng)具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。

實(shí)際設(shè)計(jì)中由于電機(jī)的結(jié)構(gòu)、材料、負(fù)載等因素需要對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行合理取舍，該CAD 系統(tǒng)以其計(jì)算簡(jiǎn)便，結(jié)果可靠的特點(diǎn)將成為永磁無(wú)刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)中重要的設(shè)計(jì)工具。

表1 電機(jī)參數(shù)計(jì)算和仿真結(jié)果

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