基于ＡＮＳＯＦＴ的永磁无刷直流电动机的设计和分析 设计与研究 基于ＡＮＳＯＦＴ的永磁无刷直流电动机的设计和分析 赵伟栋，谢卫，万树春 ２０１３０６） （上海海事大学，上海摘要：介绍了运用场路结合法设计的２０ ｋＷ永磁无刷直流电动机，讨论了不同永磁体材料和转子结 构的区别，运用有限元软件ＡＮＳＯＦＴ对该电动机的参数进行有限元计算，与磁路法计算的参数进行对 比，并且对该电动机的空载特性、齿槽转矩以及转矩脉动进行分析。 关键词：无刷直流电动机；电磁设计；有限元 ０引言 （微型电动机），Ａ＝１００～３００ Ａ／ｃｍ（小型电动 机） ，该电机取２５０ Ａ／ｃｍ。 电机的气隙磁密 主要由选用永磁材料的剩 永磁无刷直流电动机具有运行效率高、调速性 能好以及可靠性高等优点。随着永磁材料、电力电 子器件、微电子器件、变流技术、电机技术、计算技术 余磁密Ｂ 决定，初选时可根据永磁材料和磁极结构 选取， 通常为（０．６～０．８５）Ｂ …。文选用烧结钕 及其控制理论的进步，现代永磁无刷直流电动机得 到了很大的发展，使之被广泛地用于机床、汽车、视 听设备、计算机外部设备、医疗和家用电器等领域。 因此，无刷直流电动机的设计就显得十分重要。针 对无刷直流电动机的磁路法计算准确度不高，目前 采用最多的是场路结合法。 铁硼永磁体，其剩磁Ｂ 为１．２ Ｔ，所以取气隙磁密为 ０．９３５ Ｔ。一般取永磁无刷直流电动机的极弧系数 ＝０．６～０．７５，这里取０．７２。Ｋ 为绕组系数，由于设 计的电机采用整距分布绕组，Ｋ ＝— ｓｉｎｆ １ ｑ１ ｍ 上，其中 笔者将运用有限元软件ＡＮＳＯＦＴ结合磁路法设 计一台永磁无刷直流电动机，将两种方法的计算结 果进行比较，并且对其进行空载特性分析，另外还验 证了定子斜槽对于抑制齿槽转矩的作用。 １技术指标 ｌ；ＩＩ ２ ４ｑ ＝ ＝＝４； ＝￣ｒｐ＝ Ⅳ＝１５ Ｏ，因此 ＝０．９５８。 长径比Ａ为电枢计算长度与电枢直径之比，Ａ＝ｚ ／Ｄ。 它的选择与电机性能、重量和成本有密切关系。对 一般小功率永磁无刷直流电动机，取０．７～１．５ 。 这样，通过式（１），可以计算出电枢外径Ｄ，又因为 永磁无刷直流电动机的技术参数为：额定功率 ２０ ｋｗ、额定转速３ ０００ ｒ／ｍｉｎ、额定输入直流电压 ３６０ Ｖ，转矩类型为恒转矩负载。 电枢计算长度和电枢外径有如下关系：所以，电枢计 算长度为１０ ｅｍ。 （１） ２基于磁路法的无刷直流电动机设计 （２） ２．１ 电机主要尺寸的确定 电机的主要尺寸主要包括电枢的外径和电枢铁 ２．２永磁体材料和结构 目前电机工业中应用的永磁材料主要是铝镍 心的长度，可以通过式（１）确定。要确定这两个参 数，首先要确定另一些参数。对于连续运行的永磁 无刷直流电动机，一般取线负荷：Ａ＝３０～１００ Ａ／ｃｍ 钴、硬磁铁氧体和稀土磁体三大类。铝镍钴永磁体 的主要特点是剩磁高、温度系数低、居里温度高，但 是矫顽力低，抗退磁能力差。铁氧体永磁材料的特 一３１一 没汁Ｌｊ．研究 上海大中型电机 点是价格低廉、有较高的矫顽力，但磁能积低。 笔者采用烧结钕铁硼永磁体。钕铁硼永磁体磁 性能十分优异，而日．具有高的磁能积、高矫顽力，更 为重要的是它的退磁曲线为直线，回复线与退磁曲 线基本重合。这样，电机的动态工作点就在这条直 线Ｅ移动，有很宽的调速范围，不容易去磁。与铁氧 体磁铁相比，要获得相同气隙磁密的话，钕铁硼材料 用造要更少 因此笔者采用表贴式的径向磁路结构，如图ｌ所示。 永磁体之间用隔磁块分开，并且为了在高速转动时 维持永磁体不会被甩出，用紧圈进行固定。 水磁体在转子中的摆放结构也有很多种，主要 有表贴式（见图１）、面包型表贴式、内置切向式和内 置径向式，分别如图２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）所示。有 学者对相同磁体体积的这四种结构的转子进行了比 较 ，发现表贴式结构的转子气隙磁通密度最大， 图１表贴式转子结构 （ｂ） （Ｃ） （ｄ） 图２不同的永磁体摆放结构 ２．３ 卡ＩＩ数、槽数和槽形的确定 尤刷直流电动机的相数越多，虽然可以减少一 定的转矩脉动，但是相数增多会增加控制电路的成 本和复杂程度，这里用三相即可。 分然后进行有限元计算。将根据磁路法设计的电机 模型导人到ＡＮＳＯＦＩ＂中建立电动机模型。 ３．１参数比较 运用ＡＮＳＯＦＩ＇有限元软件中的ＲＭｘｐｒｔ模块对 笔者设计的电动机的体积不小，对于高速电机 和转子体积比较大的电机中，转子的平衡非常重要。 如果选用偶数槽，对转子的平衡有极大的作用。笔 者采用２４槽，并且由于梨形槽比梯形槽槽面积利用 电机进行磁场解析法的计算，将得到的参数值与一Ｅ 述基于磁路设计的参数值进行比较。（见表１） 表ｌ 磁路法与有限元法计算出的参数对比 Ｔ 率较高，冲模寿命较长，而且槽绝缘的弯曲程度较 小，不易损伤，所以采用梨形槽 、 槽形确定后，要确定其尺寸，首先要确定槽口 宽．．槽口宽的选用原则是：槽口宽必须大于单根漆 包线的线径，并应考虑到槽口的槽绝缘厚度。 。 Ｂ ０≥ｒ２ ＋（０．０３＋０．０５）ｃｍ （３） 从表１中可以看出，定子轭磁密相对偏大，设计 式中， ｍ为槽口宽；ｄ 为单根漆包线的线径。本设 计导线直径为１．０６ ｍｍ，槽口宽度为Ｂｍ＝２．４ ｍｍ。 ３有限元的计算和分析 ＡＮＳＯＦＴ能够对建立的电动机模型进行网格剖 合理性还有待提高。另外可以看出，磁路法和有限 元法计算出的参数还是有差距的，有限元法精度更 高，对于磁路法中必须用经验公式计算的参数来说， 用有限元法计算出来的结果比较可靠。 ３．２齿槽转矩分析 ３２一 基于ＡＮＳＯＦＴ的永磁无刷直流电动机的设计和分析 设计与研究 永磁无刷直流电机的齿槽转矩是电枢铁心的齿 槽与转子永磁体相互作用而产生的磁阻转矩，是引起 无刷直流电动机转矩脉动的一个因素。设计电机的 《 。 齿槽转矩如图３（ａ）所示，峰值最高为２．５７５ ８ Ｎ・ｍ。 根据文献资料，定子斜槽能够有效抑制齿槽转矩，因 此，对已设计出的电机进行优化，将原来的槽改为斜 槽，对于整数槽电机，斜槽角为 ｊ： ０ ＝３６０。／Ｚ （４） 改进后的齿槽转矩如图３（ｂ）所示，峰值最高仅 有０．４６７ ３ Ｎ・ｍ，明显减小了齿槽转矩，验证了理论。 ｔ｝ｍｓ （ａ）窄载电流 ｇ ● Ｚ ＼ 辞 靶 窜 电角度 （ａ）优化前的齿槽转矩 ｔ／ｍｓ （ｂ）空载转速 图４空载特性 暑 ● Ｚ ＼ 墼 掘 电角度／。 （ｂ）优化后的齿槽转矩 ｛ ｎ Ｈ ＿ ¨ ｎ ● 图３齿槽转矩 ３．３空载特性分析 ｔ／ｍｓ （ａ）优化前的转矩 运用ＭＡＸＷＥＬＬ ２Ｄ模块的Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ计算器对 该电动机进行瞬态场分析，其空载电枢电流波形以 及转速曲线分别如图４（ａ）、（ｂ）所示。图４（ａ）中计 算出空载电枢电流的均方根为０．０８２ Ａ，空载转速 为３ １２７．８６ ｒ／ｍｉｎ。从结果看，空载电流偏大，可见 设汁还不是很合理，有待改进。 ３．４转矩脉动分析 该电机的转矩曲线如图５（ａ）所示，平均转矩 ｌ４５．９３９ Ｎ・ｍ，峰值转矩ｌ ６４．６０１ Ｎ・ｍ，转矩脉 动ｌ２．８％。而经过斜槽优化后的转矩如图５（ｂ） 田 。 － “ 朋 品 。 。 ｔ／ｍｓ （ｂ）优化后的转矩 。 所示，其平均转矩为１４７．７４６ Ｎ・ｍ，峰值转矩为 １ ６４．７９９ Ｎ・ｍ，转矩脉动为１ １．５％。 图５转矩脉动 （下转第４７页） 一３３— 三峡电站７００ ＭＷ水轮发电机磁极线圈匝间绝缘试验方法 绝缘技术 ４试验结果 这５件磁极线圈与铁心脱开后，重新再做冲击耐电 压试验。结果发现波形仍显示存在匝间绝缘缺陷。 转子磁极每台８０件，在磁极线圈装配后（环境 通过多次比较试验结果一致，因此可以判定这５件 温度下）逐件进行了绝缘电阻测试、交流阻抗试验 磁极线圈存在匝间绝缘薄弱点缺陷。 及冲击耐电压试验。 将这５件磁极线圈匝问绝缘全部更换。磁极重 绝缘电阻测试时，根据有关标准（参见上表）， 新装配后进行绝缘电阻测试、交流阻抗试验、冲击耐 我们检测出有１５件磁极线圈绝缘电阻不合格。经 电压试验，均全部合格。 过分析认为绝缘电阻不合格原因：一是绝缘表面脏 污；二是由于天气潮湿致使绝缘材料受潮，介质内的 ５结语 离子增加，使加压后泄漏电流大增，导致绝缘电阻显 对于三峡水轮发电机磁极线圈这类质量要求很 著下降。因此对这１５件磁极进行了清理，烘焙干燥 高的产品，单个磁极装配后利用交流阻抗试验、冲击 处理，自然冷却后重新测试这１５件磁极线圈绝缘电 耐电压试验，通过综合分析判断，能够准确地检测出 阻，均全部达到合格要求。接下来进行交流阻抗试 线圈匝间绝缘存在的缺陷，而且冲击耐电压试验比 验和冲击耐电压试验。 交流阻抗试验能更准确地检测出线圈的匝问绝缘薄 交流阻抗试验，经过计算８０件磁极线圈均合 弱点缺陷。只有准确及时排除缺陷，才能保证产品 格，说明线圈没有匝间短路问题。 质量，确保发电机安全可靠运行。 冲击耐电压试验，通过观察比较波形，发现有５ 作者简介： 件磁极线圈匝问绝缘存在缺陷。将这５件磁极线圈 徐正蓉，女，１９６４年生，工程师，１９８９年毕业于 重做交流阻抗试验，其结果是合格的，说明匝间绝缘 四川广播电视大学电机设计与制造专业，东方电机 存在薄弱点。为了确保试验结论的正确性，我们将 有限公司长期从事发电设备制造检验工作。 （上接第３３页） ［５］邱国平，邱明，永磁直流电机实用设计及应用技术［Ｍ］．北京； 机械工业出版社，２００９． ４结语 ［６］谭建成．永磁无刷直流电机技术【Ｍ］．北京：机械工业出版社， ２０１１． 笔者采用场路结合法设计了一台额定功率 作者简介： ２０ｋＷ的永磁无刷直流电动机，对其空载特性进行 赵伟栋，男，１９９０年生，上海海事大学研究生在 了分析，验证了场路结合法设计无刷直流电动机的 读，主要从事无刷直流电动机设计的研究。 合理性，并且用有限元软件对该无刷直流电动机的 谢卫，男，１９６５年生，湖南涟源人。１９８３年 空载特性进行了分析，并且对该电动机的齿槽转矩 至１９９０年在合肥工业大学电机专业学习，获硕 和转矩脉动进行了优化前后的对比，验证了定子斜 士学位；１９９０年至１９９１年在湘潭牵引电气设备 槽可以有效抑制齿槽转矩。 研究所工作；１９９１年至１９９４年在西安交通大学 参考文献 电机专业学习，获博士学位；ｌ９９４年至２００２年， ［１］戴文进，张景明．电机设计［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２０１１． ［２］唐任远．现代永磁电机理论与设计［Ｍ］．北京：机械工业出版 在西安交通大学电气工程学院工作；现任上海海 社，２０００． 事大学教授、物流工程学院电气自动化系主任。 ［３］Ｊａｂｂａｒ Ｍ Ａ，Ｋｈａｍｂａｄｋｏｎｅ Ａ Ｍ，Ｌｉｕ Ｑｉｎｇｈｕａ．ＤＥＳＩＧＮ ＡＮＤ 主要研究方向有微特电机及其控制系统、电磁装 ＡＮＡＬＹＳＩＳ ＯＦ ＥＸＴＥＲ１０Ｒ ＡＮＤ ＩＮＴＥＲＩＯＲ ＴＹＰＥ ＨＩＧＨ—ＳＰＥＥＤ 置的数值分析与优化设计、可再生能源开发与船 ＰＥＲＭＡＮＥＮＴ［Ｃ］，Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｉｎｇａｐｏｒｅ，ＡＵＰＥＣ ０７， 舶电力推进系统等。 ２００７． ［４］白娅梅，罗玲，黄其．场路结合的９ ｋＷ永磁无刷直流电动机设 万树春，男，１９９０年生，上海海事大学研究生在 计『Ｍ］．北京：微申 棚．．２０１２（９）． 读，主要从事可分离变压器的研究。 ．．－——４７．－－——