姚光久，谷愛昱，江偉

(廣東工業(yè)大學(xué)，廣東廣州 510000)

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無槽電機(jī)的設(shè)計(jì)與仿真

姚光久，谷愛昱，江偉

(廣東工業(yè)大學(xué)，廣東廣州 510000)

通過RMxprt有限元仿真軟件，設(shè)計(jì)一款4極9槽、20000r/min、30W的無槽無刷直流電機(jī)，獲得性能參數(shù)曲線與數(shù)據(jù)，將仿真數(shù)據(jù)與理論計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證電機(jī)設(shè)計(jì)的合理性。通過仿真數(shù)據(jù)可知在Maxwell 2D和RMxprt里選擇RMxprt更適合與無槽無刷電機(jī)的仿真和計(jì)算。

無槽無刷電機(jī)；設(shè)計(jì)；有限元；仿真

0 引言

電機(jī)主要用于石化、交通工具、能源、電力等與生活相關(guān)的驅(qū)動(dòng)和生產(chǎn)裝置。無槽無刷電機(jī)與傳統(tǒng)電機(jī)相反，是以自控式方式運(yùn)行的，消除像變頻調(diào)速下重載起動(dòng)的同步電機(jī)那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動(dòng)繞組，在轉(zhuǎn)換端不會(huì)出現(xiàn)火花和磨損，也不會(huì)在負(fù)載突變時(shí)產(chǎn)生振蕩和失步。無槽擴(kuò)大了繞組的布置空間、降低鐵耗、減少渦流損耗。

對(duì)于高速運(yùn)行的電機(jī)來說，直流電機(jī)最為合適。對(duì)于調(diào)速的場(chǎng)合，宜采用無刷直流電動(dòng)機(jī)變頻器調(diào)速，本文結(jié)合無刷電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款4級(jí)9槽的30W電機(jī)。

1 無槽無刷直流電機(jī)的設(shè)計(jì)

1.1 主要技術(shù)指標(biāo)

本方案的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓Un=12V，額定功率Pn=30W，額定轉(zhuǎn)速nN=20000r/min，額定電流In=2.85A，效率η=85%?？刂葡到y(tǒng)采用120°兩相無刷導(dǎo)通三相六狀態(tài)方波設(shè)計(jì)，電機(jī)允許運(yùn)行溫度≤80℃。在Maxwell Circuit Elements/Dedicates Elements中設(shè)計(jì)控制電路。

1.2 電機(jī)主要尺寸的確定

電機(jī)長徑比λ=Lef/Da的選擇對(duì)電機(jī)的性能、重量、成本有很大的影響。永磁直流電機(jī)設(shè)計(jì)中一般取λ=0.6～1.5.電樞直徑計(jì)算如下

式中，P—電機(jī)的額定功率；αi—極弧系數(shù)；A—電負(fù)荷；Bδ—磁負(fù)荷；λ—電機(jī)長徑比；n—電機(jī)轉(zhuǎn)速；Kp—短路系數(shù)。

電負(fù)荷A取30A/cm，平均氣隙磁密Bδ取0.75T，考慮電機(jī)尺寸，定子外徑Da=15.6mm，鐵心長度6mm[3]。

氣隙在0.3～0.8mm之間，氣隙過小會(huì)造成磁飽和，損耗永磁體的磁性，氣隙過小影響電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)換，一般去0.5mm為宜。

1.3 永磁體材料及厚度的確定

無槽電機(jī)的齒部采用不導(dǎo)磁塑料材質(zhì)，方便繞線圈和對(duì)線圈進(jìn)行塑形。定子軛部分和定子部分不是一個(gè)材料，可以自由拆卸和組合。

無槽電機(jī)要考慮電機(jī)的性能，本文永磁材料是鐵釹硼，鐵釹硼材料的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度和最大磁能積比較大，滿足無槽時(shí)氣隙空間變大磁密和磁感應(yīng)強(qiáng)度保持不變的要求。為了避免電機(jī)在負(fù)載時(shí)電樞反電動(dòng)勢(shì)過大，對(duì)永磁材料發(fā)生不可逆的去磁作用，適當(dāng)設(shè)計(jì)鐵釹錋的厚度，厚度設(shè)為hM=3mm[4]。

2 電機(jī)的有限元設(shè)計(jì)

2.1 電機(jī)的有限元模型的設(shè)立

電機(jī)主要參數(shù)如表1所示。電機(jī)的網(wǎng)格剖分見圖1，磁密云圖見圖2，磁力線見圖3。

表1 電機(jī)的主要參數(shù)

利用電機(jī)分析軟件ANSYS/RMxprt建立無槽無刷電機(jī)二維有限元模型，建模過程如下。

(1)打開Maxwell/RMxprt進(jìn)入二維界面，確定其求解環(huán)境。

(2)從RMxprt電機(jī)模塊中的15種常用電機(jī)選擇Brushless Permanent-Magnet DC Motor。

(3)選擇以后給電機(jī)零件定型，添加RMxprt材料庫。沒有的添加材料磁化曲線B-H和鐵耗曲線B-P，確定材料屬性，如永磁體材料NdFeB40-SH，剩磁Br=1.26T,矯頑力Hc=1600kA/m。

(4)確定電樞繞組的節(jié)距和極距，確定線圈的匝數(shù)和線徑，建立A、B、C三相繞組。對(duì)電機(jī)的各部位進(jìn)行網(wǎng)格剖分。網(wǎng)格剖分的要求一般是定轉(zhuǎn)子鐵心>永磁體>定子繞組>band，見圖1。

(5)將在RMxprt中設(shè)計(jì)好的模型導(dǎo)入Maxwell 2D中，進(jìn)行一系列求解的設(shè)置。

(6)確定電機(jī)求解中的各種損耗、起始角、運(yùn)動(dòng)周期、激勵(lì)源、邊界條件等。

(7)根據(jù)電機(jī)額定要求，確定轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、阻尼、運(yùn)動(dòng)速度、求解時(shí)間、負(fù)載轉(zhuǎn)矩等[5]。

圖1 電機(jī)的網(wǎng)格剖分

圖2 電機(jī)的磁密云圖

圖3 電機(jī)的磁力線分布圖

2.2 電機(jī)相電壓、相電流和阻抗的確定

定子繞組一相的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Ea的方程式為

式中，La—定子鐵心長度；V—轉(zhuǎn)子磁鋼表面旋轉(zhuǎn)線速度；αδ—極弧系數(shù)；m—定子繞組相數(shù)；Na—每一相總導(dǎo)體數(shù)。

由額定電壓、電流和功率可以得到額定的電流。電阻與電感之的關(guān)系如下[6]

式中，D—轉(zhuǎn)子外徑；d—線圈直徑。

通過電阻就可以求出相應(yīng)的電感。電機(jī)的損耗主要包括銅損耗、鐵心損耗、機(jī)械損耗。這些損耗對(duì)電機(jī)的效率有影響[7、8]。理論設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行模擬仿真，仿真結(jié)果的操作步驟如下。

熱負(fù)荷=電流密度×線負(fù)荷，電流密度值≤15

熱負(fù)荷：Maxwell2D/Magnetic/EddyCurrent/Fields/other/thermalload

電樞電流：Maxwell/Result/CreateTransientReport/RectangularPlot/Winding/Current

電樞電壓：Maxwell/Result/CreateTransientReport/RectangularPlot/Winding/Voltage

轉(zhuǎn)速：Maxwell/Result/CreateTransientReport/RectangularPlot/Speed

轉(zhuǎn)矩：Maxwell/Result/CreateTransientReport/RectangularPlot/Torque

電機(jī)效率=輸出功率Pout/輸入功率Pin

輸出功率Pout=Torque×speed/9.55

輸入功率Pin=輸出功率Pout+機(jī)械損耗Pm+鐵耗PFe+銅耗PCu+附加損耗Pad+開關(guān)管損耗P△

輸入輸出功率取圖形穩(wěn)定以后的值，理論結(jié)果和仿真結(jié)果對(duì)比見表2。

表2 理論與仿真參數(shù)對(duì)比

電機(jī)的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)是電機(jī)效率，效率越高越好；其次是電流密度不能過大，以免導(dǎo)線過熱燒毀電機(jī)，這兩大因素是電機(jī)效率與安全性的平衡。由仿真結(jié)果和理論參數(shù)的對(duì)比可知：仿真電機(jī)效率與理論設(shè)計(jì)效率差4.7%，效率達(dá)標(biāo)的同時(shí)，同樣的繞組仿真電流小于理論計(jì)算電流，電流密度與電流成正比，電流密度越小電機(jī)安全系數(shù)越高，熱負(fù)荷、電壓、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的仿真參數(shù)和理論計(jì)算誤差均在5%以內(nèi)，本電機(jī)在效率略低的情況下安全系數(shù)有較大提高，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。Ansoft的仿真圖如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 仿真啟動(dòng)過程中的電流

圖5 仿真啟動(dòng)過程中的反電動(dòng)勢(shì)

圖6 仿真啟動(dòng)過程中的轉(zhuǎn)速

如圖4和圖5所示，電機(jī)起動(dòng)時(shí)電流波形達(dá)到穩(wěn)定值前有一個(gè)類似阻尼振蕩過程,因此對(duì)啟動(dòng)的電流和電壓不能簡單用最大值作為其值，電機(jī)起動(dòng)過程中空載電動(dòng)勢(shì)下降最大、轉(zhuǎn)矩上升最快。在起動(dòng)過程中，反電動(dòng)勢(shì)、電流呈下降趨勢(shì)。當(dāng)轉(zhuǎn)矩和阻尼、力矩維持在平衡狀態(tài)時(shí)，電壓和電流不再變化，電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。圖6是電機(jī)的加速階段，隨著轉(zhuǎn)矩的增加，轉(zhuǎn)速增加，轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。圖4～圖6的圖形均經(jīng)過快速響應(yīng)時(shí)間的加速或減速階段，響應(yīng)時(shí)間與電機(jī)的轉(zhuǎn)速和控制方式有關(guān)，理論上步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速(一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn))需要200～400ms。而無刷直流電機(jī)的靜止加速到工作轉(zhuǎn)速僅需20～80ms，無刷直流系統(tǒng)的加速性能較好，可用于要求快速啟停的控制場(chǎng)合。上述圖形印證了無刷直流電機(jī)的加速性能，達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、無振動(dòng)。

3 結(jié)語

單獨(dú)使用RMxprt更接近實(shí)際樣機(jī)理論參數(shù)，再結(jié)合Maxwell2D可以更清晰的看到仿真圖像。兩個(gè)軟件結(jié)合利用有利于仿真參數(shù)的分析。理論仿真參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)的對(duì)比，表明用Maxwell設(shè)計(jì)電機(jī)的正確性并驗(yàn)證樣機(jī)的良好性能。

在符合電機(jī)要求設(shè)計(jì)的前提下，依據(jù)電機(jī)原有的設(shè)計(jì)方案優(yōu)化電機(jī)的尺寸。氣隙的大小、定轉(zhuǎn)子的長度和厚度導(dǎo)致電機(jī)電流、電壓和效率的變化，基于Maxwell RMxprt建立電機(jī)的模型，在確定合理的電機(jī)尺寸的條件下，調(diào)整電機(jī)本體的參數(shù)來提高效率，為設(shè)計(jì)高性能無槽無刷電機(jī)提供一種可靠的方法。最后試制樣機(jī)，與仿真模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證模型的正確性和調(diào)整結(jié)構(gòu)的合理性。

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Design and Simulation of Slotless Motors

YaoGuangjiu,GuAiyu,andJiangWei

(Guangdong University of Technology, Guangzhou 510000, China)

A 4-pole, 9-slot, 20000r/min and 30W slotless brushless DC motor is designed by RMxprt finite-element simulation software, and curves and data of performance parameters are obtained. In comparison of simulation data with theoretical data, reasonability of motor design is proved. It can be known based on simulation data that the RMxprt chosen in Maxwell 2D and RMxprt is more suitable for simulation and calculation of slotless brushless motors.

Slotless brushless motor；design；finite element；simulation

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.05.03

TM33：TM32

A

1008-7281(2016)05-0012-004

姚光久 男 1990年生；廣東工業(yè)大學(xué)在讀研究生，研究方向?yàn)殡姍C(jī)與電器.

2016-06-15