無(wú)刷直流電機(jī)的設(shè)計(jì)與ANSYS有限元仿真研究摘要永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是由一個(gè)或多個(gè)永磁體建立磁場(chǎng)的直流電動(dòng)機(jī)。其性能類似于恒勵(lì)磁分勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，通過(guò)改變電樞電壓可以方便地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。與單獨(dú)勵(lì)磁直流電動(dòng)機(jī)相比，具有體積小、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耗銅少等優(yōu)點(diǎn)，是低功率直流電動(dòng)機(jī)的主要類型。本文論述了永磁無(wú)刷電機(jī)的基本原理，包括其結(jié)構(gòu)、分類和運(yùn)行性能。給出了電機(jī)設(shè)計(jì)的一般過(guò)程。根據(jù)電機(jī)設(shè)計(jì)的要求和指標(biāo)，采用傳統(tǒng)的解析法對(duì)電機(jī)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。用電機(jī)本體的設(shè)計(jì)來(lái)提高了無(wú)刷直流電機(jī)的性能。利用Ansys/Maxwell分析軟件中的電磁仿真模塊建立了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的有限元模型，研究了電機(jī)內(nèi)部的電磁場(chǎng)分布。同時(shí)，對(duì)無(wú)刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了準(zhǔn)確的仿真驗(yàn)證，研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電機(jī)性能的相關(guān)影響。根據(jù)仿真得到的樣本數(shù)據(jù)，相關(guān)優(yōu)化算法不斷為電機(jī)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電機(jī)；有限元分析；參數(shù)設(shè)計(jì)；磁路計(jì)算目錄TOC\o"1-3"\h\u13895第一章緒論 第一章緒論1.1課題背景永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是由一塊或多塊永磁體建立起一個(gè)磁場(chǎng)的直流電動(dòng)機(jī)，永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的恒勵(lì)磁電流性能與其他直流電動(dòng)機(jī)相似，可以使電樞電壓發(fā)生變化，便于調(diào)速。與其它勵(lì)磁直流電動(dòng)機(jī)相比，具有體積小、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、含銅量少等優(yōu)點(diǎn)。它是小功率直流電動(dòng)機(jī)的主要類型。第一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)是在第一次工業(yè)革命末期發(fā)明的。19世紀(jì)70年代，電刷直流電動(dòng)機(jī)正式投入商業(yè)應(yīng)用。自此，有刷直流電動(dòng)機(jī)以其優(yōu)異的轉(zhuǎn)矩特性在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域占據(jù)了領(lǐng)先地位。隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，對(duì)DC電機(jī)的需求越來(lái)越高。然而，無(wú)刷DC電機(jī)一直存在一個(gè)問(wèn)題，即其電刷換向器結(jié)構(gòu)通過(guò)機(jī)械接觸，容易造成電刷磨損，為了解決傳統(tǒng)有刷電機(jī)的缺點(diǎn)，人們進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究和探索。1917年，博爾喬爾提出用整流管代替無(wú)刷DC電機(jī)的機(jī)械電刷，從而誕生了永磁無(wú)刷DC電機(jī)的基本思想。在20世紀(jì)30年代，有人建議用離子裝置根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置更換換向器電機(jī)的定子繞組。其電機(jī)原理與現(xiàn)代永磁無(wú)刷電機(jī)相似。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，在20世紀(jì)40年代，開關(guān)晶體管的成功推動(dòng)了永磁無(wú)刷DC電機(jī)的發(fā)展。國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀：1955年，美國(guó)的D.Harrison首次申請(qǐng)專利，用晶體管換向電路代替有刷DC電機(jī)的機(jī)械刷，標(biāo)志著現(xiàn)代無(wú)刷DC電機(jī)的誕生。經(jīng)過(guò)多年的努力，科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展帶來(lái)了半導(dǎo)體技術(shù)的飛躍，開關(guān)晶體管的成功發(fā)展為新型無(wú)刷DC電機(jī)的創(chuàng)造帶來(lái)了活力。目前，無(wú)刷DC電機(jī)集電機(jī)、變速機(jī)構(gòu)、檢測(cè)元件、控制軟硬件于一體，形成新一代電動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)，使電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路體積更小，設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)化。無(wú)刷DC電機(jī)優(yōu)越的調(diào)速性能(主要表現(xiàn)在:調(diào)速方便、調(diào)速范圍寬、低速性能好、運(yùn)行平穩(wěn)、噪音低、效率高)將使無(wú)刷DC電機(jī)的應(yīng)用更加普及。由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的廣泛應(yīng)用前景，世界各國(guó)都在加快開發(fā)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的新產(chǎn)品并占領(lǐng)市場(chǎng)，特別是美國(guó)、日本和西方國(guó)家都有先進(jìn)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的制造和控制技術(shù)。因此，在2004年的國(guó)際電機(jī)大會(huì)上，提出了無(wú)刷電機(jī)將取代無(wú)刷電機(jī)。在我國(guó)，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展時(shí)間相對(duì)較短，但隨著技術(shù)的成熟和完善，發(fā)展迅速。我國(guó)對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的研究和開發(fā)始于20世紀(jì)70年代初，主要集中在一些科研院所和高校。但是，由于我國(guó)零部件制造工藝能力水平較低，與國(guó)際相比還有很大差距，所以目前我國(guó)還不是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的技術(shù)強(qiáng)國(guó)。無(wú)刷直流電機(jī)在我國(guó)已廣泛應(yīng)用于航空航天、電動(dòng)汽車、家用電器等領(lǐng)域，并在深圳、長(zhǎng)沙、上海形成了初步的產(chǎn)業(yè)鏈。此外，中國(guó)目前是世界上最大的永磁體(無(wú)刷電機(jī)的主要原材料)生產(chǎn)和供應(yīng)基地，中國(guó)也將成為世界上最大的無(wú)刷電機(jī)生產(chǎn)國(guó)。并不斷推動(dòng)行業(yè)在技術(shù)上的發(fā)展。然而，我國(guó)在發(fā)展無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)的過(guò)程中，出現(xiàn)了很多問(wèn)題，如產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理，產(chǎn)業(yè)以勞動(dòng)密集型產(chǎn)品為主，技術(shù)密集型產(chǎn)品明顯滯后于發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家，產(chǎn)業(yè)能耗大，環(huán)境污染嚴(yán)重，企業(yè)整體規(guī)模小，技術(shù)創(chuàng)新能力弱等。因此，研究一種新型的直流電機(jī)具有重要的意義。無(wú)刷直流電機(jī)不僅具有一系列的優(yōu)點(diǎn),如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維修方便的交流電動(dòng)機(jī),還具有運(yùn)行效率高、無(wú)勵(lì)磁損耗以及調(diào)速性能好和直流電機(jī)一樣,所以它廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,如儀器儀表、化工、紡織、醫(yī)療器械、家用電器，特別是高科技領(lǐng)域。永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓和電流是非正弦波的，這使得無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)不同于正弦波驅(qū)動(dòng)的交流電機(jī)。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù)較少，因此有必要對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)進(jìn)行研究和優(yōu)化。這對(duì)于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和分析具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。1.2無(wú)刷直流電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)無(wú)刷直流電機(jī)擁有者機(jī)電一體化的特點(diǎn)，除了電動(dòng)機(jī)自身外，還必須具有傳感器，傳感器的作用是測(cè)出定子與轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)位置。同時(shí)它的運(yùn)行離不開驅(qū)動(dòng)電路。同樣，電力電子技術(shù)和電子與器件的發(fā)展又進(jìn)一步推動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)的發(fā)展。1.2.1正弦波電流驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)隨著高速微處理器和DSP器件的出現(xiàn)，電機(jī)運(yùn)行速度更快，處理能力更強(qiáng)，出現(xiàn)了特殊的控制芯片。隨著這些設(shè)備的廣泛應(yīng)用，設(shè)備的成本大大降低。所以正弦波電流驅(qū)動(dòng)的電機(jī)比方波驅(qū)動(dòng)的電機(jī)功率更大。西門子早期開發(fā)的1F5系列是方波電流驅(qū)動(dòng)，現(xiàn)已停產(chǎn)，換成正弦波電流驅(qū)動(dòng)的1F6系列。當(dāng)然，正弦波電流驅(qū)動(dòng)的電機(jī)需要一個(gè)精度好的傳感器，成本會(huì)更高，所以在任何情況下都無(wú)法替代。在一些應(yīng)用中，由于需要控制成本，所以添加位置傳感器非常困難。利用DSP強(qiáng)大的計(jì)算能力，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)刷電機(jī)的無(wú)傳感器控制。在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中，可以有一種無(wú)傳感器控制算法，只需要4個(gè)電阻就可以從獲得的位置、速度和擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩信息分配網(wǎng)絡(luò)。此外，該算法可以獲得瞬態(tài)位置和速度信息，而傳統(tǒng)算法采用過(guò)零算法。大約需要500條DSP指令(因此程序內(nèi)存為500字)，在20兆IPS控制器上執(zhí)行時(shí)間約為13μs。低成本的數(shù)字信號(hào)處理器設(shè)備為壓縮機(jī)、洗衣機(jī)、風(fēng)扇和高壓交流驅(qū)動(dòng)器中的無(wú)刷DC電機(jī)提供了高效率的方案。低成本數(shù)字信號(hào)處理器電機(jī)控制器的應(yīng)用展示了DC電機(jī)無(wú)刷無(wú)傳感器控制的前景，隨著工業(yè)驅(qū)動(dòng)設(shè)備的需求，一種新型高性能設(shè)備被推向市場(chǎng)。1.2.2PWM技術(shù)當(dāng)原裝無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)使用雙極功率晶體管時(shí)，電機(jī)電路的開關(guān)頻率一般為(2-5)KHz，相對(duì)于人耳來(lái)說(shuō)是噪聲。同時(shí)，當(dāng)繞組電感不夠大時(shí)，繞組電流波形不夠穩(wěn)定，波動(dòng)較大。電路中采用功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管和絕緣柵晶體管后，開關(guān)頻率可達(dá)到10KHz以上。這樣，電磁噪聲和電流波形都得到了改善。1.2.3新型材料的改進(jìn)無(wú)刷電機(jī)的效率與磁性材料的發(fā)展密切相關(guān)。磁性材料的發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段。最早的是鋁鎳鈷，這種磁性材料磁能低，價(jià)格昂貴，但溫度性能好，所以仍用于一些電機(jī)。后來(lái)發(fā)展了鐵氧體磁性材料，這種磁性材料磁能量不高，但價(jià)格低，所以在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)被廣泛使用。然后又出現(xiàn)了釤鈷合金磁性材料，這種磁性材料的磁能產(chǎn)品比以前的材料提高了一倍，但由于釤是稀土元素，價(jià)格昂貴，又是戰(zhàn)略控制材料，所以這種高性能的磁性材料并沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。1983年，日本人發(fā)明了釹鐵硼(NdFeB)，導(dǎo)致了磁性材料的一場(chǎng)大革命。釹鐵硼是一種具有高磁能的磁性材料。釤和釹都是稀土元素，但釹更便宜，使馬達(dá)更有效率和更小。由于釹鐵硼材料的磁能高，因而不需要大量的軟磁和勵(lì)磁繞組封裝。因此，可以大大減少電機(jī)的體積和重量，生產(chǎn)更加方便。由于磁性材料性能的改善，電機(jī)電樞繞組的繞組線圈也大大減少。1.2.4無(wú)刷電機(jī)向高壓低電流方向發(fā)展一般來(lái)說(shuō)，在電子元器件特別是功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管中，容易實(shí)現(xiàn)高電壓、低電流。在大電流下，晶體管的壓降增大，上層損耗也增大。同時(shí)，在高電壓低電流的情況下，功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管上的管壓降與母線電壓的比值也較小，因此效率會(huì)得到提高。1.2.5性能的改進(jìn)和新品種的開發(fā)在無(wú)刷DC電機(jī)中，首先要改善的問(wèn)題是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，尤其是用于視聽設(shè)備、電影機(jī)械、計(jì)算機(jī)等要求運(yùn)行穩(wěn)定、無(wú)噪聲的無(wú)刷DC電機(jī)。這些場(chǎng)合使用的電機(jī)大多是小功率、小尺寸的電機(jī)，緊湊的尺寸使得更換更加困難。為了提高電機(jī)性能，采用計(jì)算機(jī)仿真、分析、計(jì)算和比較的方法，研究氣隙磁場(chǎng)的形狀和磁極結(jié)構(gòu)，選擇合適的極數(shù)、槽數(shù)和槽尺寸。為了滿足未來(lái)發(fā)展的要求，各種類型的無(wú)刷DC電機(jī)正在不斷發(fā)展。如:無(wú)槽電機(jī)，定子鐵芯沒(méi)有齒槽，只有磁軛，定子繞組直接放在定子鐵芯磁軛上；盤式電機(jī)有兩個(gè)軸向氣隙。這種電機(jī)在小容量的情況下，容易實(shí)現(xiàn)低噪聲、低振動(dòng)、低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、高效率、高功率密度，非常實(shí)用。與有刷DC電機(jī)相對(duì)應(yīng)的新品種還包括:無(wú)刷DC力矩電機(jī)、無(wú)刷DC直線電機(jī)、無(wú)刷DC限角電機(jī)、低慣量無(wú)刷DC電機(jī)等。1.3本文研究的主要內(nèi)容第一章介紹了無(wú)刷直流電機(jī)的歷史發(fā)展和國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，同時(shí)也介紹了無(wú)刷直流電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。第二章首先分析了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，包括電機(jī)本體、電子開關(guān)電路、位置傳感器的類型，然后分析了繞組的基本結(jié)構(gòu)，包括單層繞組、雙層繞組和整數(shù)分?jǐn)?shù)層繞組。然后通過(guò)三相半控制橋式電路重點(diǎn)介紹了無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理。最后，以三相橋接y型BLCDM為例，給出了數(shù)學(xué)模型。第三章先列舉了無(wú)刷直流電機(jī)的設(shè)計(jì)所需的參數(shù)，包括永磁材料的選擇、電機(jī)的尺寸設(shè)計(jì)、相數(shù)奇數(shù)槽數(shù)的確定、定子鐵心等，然后根據(jù)這些公式的計(jì)算以及根據(jù)參考文獻(xiàn)的估算給出了本次樣機(jī)的參數(shù)。第四章先介紹了ANSYS軟件，然后在ANSYS上對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行建模，給出了定子、轉(zhuǎn)子、繞組、以及電機(jī)整體的圖形，再根據(jù)網(wǎng)格、電機(jī)磁場(chǎng)磁密的云圖、氣隙磁密等分析了電機(jī)靜態(tài)磁場(chǎng)的性能。最后根據(jù)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、相電流、反電動(dòng)勢(shì)等與時(shí)間的關(guān)系分析了電機(jī)磁場(chǎng)的瞬態(tài)空載和負(fù)載性能，并作出總結(jié)。第二章無(wú)刷直流電機(jī)的基本理論及數(shù)學(xué)模型2.1無(wú)刷直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)主要由電機(jī)本體、電子開關(guān)電路和位置傳感器組成。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.1所示。下面對(duì)這三部分進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。圖2.1無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖（1）無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)最大的區(qū)別在于，永磁鋼嵌在轉(zhuǎn)子中，主要是在氣隙中產(chǎn)生磁通量，電樞繞組繞在定子周圍。永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上類似于永磁同步電動(dòng)機(jī)。無(wú)刷直流電機(jī)定子的結(jié)構(gòu)與感應(yīng)電機(jī)定子相同。多相繞組(三相、四相、五相等)嵌在硅鋼片堆疊的鐵芯內(nèi)。繞組的連接形式分為星形或三角形，繞組的每一相與逆變器的每一功率管相連，從而進(jìn)行合理的換向。轉(zhuǎn)子磁鋼主要由釤、鈷或釹、鐵、硼等稀土材料制成。（2）電子開關(guān)線路電子開關(guān)線路主要有功率邏輯開關(guān)和位置信號(hào)處理兩部分，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2.2所示。功率邏輯開關(guān)的主要功能是將電源的功率按一定順序分配給定子繞組，而信號(hào)處理主要是將位置傳感器檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并發(fā)送給邏輯開關(guān)，使相繞組按一定順序接通。圖2.2無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖（3）位置傳感器轉(zhuǎn)子位置傳感器的作用是在電機(jī)中隨時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置信息，將位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并發(fā)送給控制器，然后由控制器確定定子繞組的導(dǎo)通情況。位置傳感器在無(wú)刷DC電機(jī)中起著重要的作用。根據(jù)其工作原理，可分為電磁感應(yīng)式、光電式和磁敏式。位置傳感器一般由定子和轉(zhuǎn)子組成。位置傳感器的轉(zhuǎn)子與電機(jī)的轉(zhuǎn)子同軸連接，其主要功能是確定轉(zhuǎn)子磁極的位置，而定子的主要功能是檢測(cè)和輸出轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)。傳感器有很多種，其中以下形式常用于無(wú)刷DC電機(jī):電磁位置傳感器。該原理是基于電磁效應(yīng)來(lái)測(cè)量的。雖然它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出信號(hào)大、環(huán)境要求低的特點(diǎn)，但由于體積大、信噪比低，其應(yīng)用受到一定限制，輸出的交流信號(hào)必須經(jīng)過(guò)整流濾波后才能使用。磁位置傳感器是一種半導(dǎo)體敏感元件，其電氣參數(shù)隨周圍磁場(chǎng)的變化而按一定的規(guī)律變化。其基本原理是利用霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)。目前常用的磁傳感器是霍爾元件或霍爾集成電路。當(dāng)霍爾元件位于磁場(chǎng)中時(shí)，其輸出端將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。由于電動(dòng)勢(shì)小且不規(guī)則，經(jīng)過(guò)整形放大后可得到所需的電平信號(hào)，該電平信號(hào)可作為轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)。一個(gè)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)通常安裝三個(gè)霍爾傳感器，電氣角度一般以60度或120度的間隔圍繞圓周分布。如果間隔為120度，輸出波形的相位差也為120度，輸出信號(hào)中的高電平和低電平各占一半周期。如果規(guī)定輸出信號(hào)為高電平時(shí)為“1”，為低電平時(shí)為“0”，則三個(gè)輸出信號(hào)可以用3位二進(jìn)制碼表示，這樣三個(gè)霍爾的狀態(tài)就可以將轉(zhuǎn)子信息傳遞給控制器，從而可以決定哪個(gè)相繞組導(dǎo)通。從圖2.3可以看出，當(dāng)作用在霍爾元件上的磁場(chǎng)達(dá)到其“作用點(diǎn)”時(shí)，輸出一個(gè)低電平；當(dāng)施加的磁場(chǎng)降低到其“釋放點(diǎn)”時(shí)，它輸出高電平。圖2.3霍爾傳感器的開關(guān)輸出特性2.2電機(jī)繞組的結(jié)構(gòu)及連接方式無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的繞組結(jié)構(gòu)類似于一般的多相交流電機(jī)。線圈是繞組的基本單元，每一個(gè)都有兩個(gè)邊，一個(gè)在定子的兩個(gè)槽中。與兩個(gè)繞組邊相連的部分是繞組的末端，其主要作用是保證電路的連通性。繞組邊的直線部分置于定子槽內(nèi)，受到磁場(chǎng)力的影響，稱為有效部分。如圖2.4所示。圖2.4繞組基本結(jié)構(gòu)在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中，繞組可分為單層繞組和雙層繞組。單層繞組置于具有繞組邊的槽中;雙層繞組在每個(gè)槽中有兩個(gè)繞組邊。雙層繞組一般采用短距離繞組，螺距為0.8τ(τ為極距)左右，可減少5次和7次諧波的影響，從而節(jié)約成本，提高電機(jī)性能。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)繞組連接方式是指各相繞組各線圈之間的連接方式。比較常見的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)繞組連接方式有星形連接和三角形連接。電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中可能在三角連接處產(chǎn)生循環(huán)，增加電機(jī)損耗，降低電機(jī)效率，所以常用的是星形連接；從繞組的相數(shù)看，可以分為單相、二相和三相，但是應(yīng)用最普遍的是三相；根據(jù)每級(jí)每相分配的槽數(shù)，可分為整數(shù)槽繞組組和分?jǐn)?shù)槽繞組組。根據(jù)每個(gè)槽中的線圈數(shù)量可分為單層繞組和雙層繞組。這里主要介紹單層和雙層的特點(diǎn)。所謂單層繞組，是在每個(gè)定子槽內(nèi)放置一個(gè)繞組邊，具有嵌線方便，效率提高的優(yōu)點(diǎn)，層間絕緣不會(huì)擊穿。然而，存在一個(gè)缺點(diǎn)，即不能選擇音調(diào)來(lái)抑制諧波。由于雙層繞組是放置在每個(gè)槽中的兩個(gè)線圈邊緣的上下側(cè)，繞組的數(shù)量等于定子槽的數(shù)量。雙層繞組的特點(diǎn)一般采用短距離繞組，既節(jié)省了銅的末端，又在很大程度上削弱了高次諧波轉(zhuǎn)矩，基波沒(méi)有被削弱太多，從而對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩波形產(chǎn)生有利的改善。2.3無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理所謂直流電動(dòng)機(jī)，雖然直流電作為電機(jī)電樞電源，但實(shí)際流過(guò)電樞繞組的電流是交流的，它是利用機(jī)械電刷和換向器將電流從直流電源轉(zhuǎn)移到繞組，然后進(jìn)行換向。當(dāng)定子的電樞繞組的磁通轉(zhuǎn)為直流時(shí)，在定子繞組的感應(yīng)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的磁場(chǎng)的相互作用下，轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度后，由于定子磁場(chǎng)是固定的，這樣就可以保證電樞磁場(chǎng)和磁鋼產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)始終相互垂直，電機(jī)就不能繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。所以，也需要通過(guò)轉(zhuǎn)子位置傳感器的檢測(cè)和電子開關(guān)電路作為電機(jī)換向裝置，通過(guò)轉(zhuǎn)子位置傳感器信號(hào)的時(shí)間檢測(cè)，傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)給位置信號(hào)控制器，控制器控制功率管的導(dǎo)通順序，這將使電樞繞組不斷地反過(guò)來(lái)通電，電樞繞組磁場(chǎng)和氣隙磁場(chǎng)始終相互垂直，從而使電機(jī)保持旋轉(zhuǎn)，這就是無(wú)刷DC電機(jī)電子換向的本質(zhì)。因?yàn)榭刂破鞅ＷC繞組能在正確的時(shí)間換向，使電機(jī)能繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，起到機(jī)械換向器的作用。下面以三相半控橋星形接線為例進(jìn)行說(shuō)明，原理圖見2.1。在圖中，三個(gè)霍爾元件以一定的電角度安裝在位置傳感器上。三個(gè)霍爾傳感器H1、H2和H3的輸出信號(hào)如圖2.5所示。圖2.5三相半控橋電路中位置傳感器信號(hào)波形由圖2.5所示的傳感器波形可以看出，每個(gè)位置傳感器的輸出信號(hào)1/3周期是高電平，2/3周期是低電平，而且三個(gè)傳感器信號(hào)的相位差也是1/3周期。圖2.6定子繞組同磁鋼位置關(guān)系無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理如圖2.6所示。假設(shè)轉(zhuǎn)子到達(dá)如圖A所示位置時(shí)，位置傳感器H1的輸出處于高電平，H2和H3的輸出處于低電平。然后，高電平輸出傳感器使功率管VT1打開。此時(shí)，u相繞組通電。在轉(zhuǎn)子的永磁鋼和繞組的電磁力的共同作用下，轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到圖B所示位置時(shí)，高電平輸出傳感器H2使功率管VT2開啟。此時(shí)v相繞組通電，a相繞組斷電。當(dāng)?shù)竭_(dá)圖C時(shí)，位置傳感器H3處于高電平，其他位置傳感器處于低電平。此時(shí)，VT3接通，w相繞組接通。在電磁力的作用下，轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。然后它返回到圖D所示的位置，這個(gè)過(guò)程一遍又一遍地重復(fù)，電機(jī)的工作原理就是如此。2.4無(wú)刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型以三相橋式Y(jié)接BLCDM為例，電機(jī)定子繞組為星形連接的集中分?jǐn)?shù)槽繞組，空間120°間隔對(duì)稱放置三個(gè)霍爾元件。為便于分析，請(qǐng)進(jìn)行以下設(shè)置:1)不考慮渦流損耗和磁滯損耗，忽略鐵芯飽和和溫度對(duì)電機(jī)參數(shù)的影響；2)三相繞組的背電勢(shì)為梯形波，電角度為120°，平頂寬度為120°；3)三相定子繞組對(duì)稱，忽略齒槽效應(yīng)，電樞導(dǎo)體在電樞表面連續(xù)均勻分布。2.4.1定子電壓平衡方程基于以上假設(shè)，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)各相繞組的相電壓由繞組的電阻電壓降和感應(yīng)電位兩部分組成。定子電壓平衡方程為:QUOTEUaUbUcUaUbUc=QUOTERa000Rb000Rciaibi式（2-1）中，ea、eb、ec為各相定子反電動(dòng)勢(shì)，ia、ib、ic為各相定子電流，Ua、Ub、Uc為各定子相電壓，Ra、Rb、Rc為定子各相繞組電阻，La、Lb、Lc為定子各相繞組自感，Lab、Lac、Lba、Lbc、Lca、Lcb為定子間各相繞組的互感，由于無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁體。假設(shè)無(wú)刷直流電機(jī)三相繞組對(duì)稱，忽略磁阻之間的影響，則可以認(rèn)為定子各相繞組間互感為常數(shù)，即式（2-1）可改寫為：QUOTEUaUbUcUaUbUc=QUOTER000R000RiaibicR由ia+ib+ic=0，Mia+Mib+Mic=0，帶入式（2-2），整理可得：QUOTEUaUbUcUaUbUc=QUOTER000R000RiaibicR00由式（2-3）可以構(gòu)建直流無(wú)刷電機(jī)的等效電路如圖2.7所示：圖2.7無(wú)刷直流電機(jī)的等效模型2.4.2電磁轉(zhuǎn)矩方程DC電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是指電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力時(shí)，流經(jīng)電樞繞組的電流所形成的總轉(zhuǎn)矩。假設(shè)無(wú)刷DC電機(jī)的峰值電流為IP，峰值電動(dòng)勢(shì)為EP，繞組只有兩相同時(shí)導(dǎo)通。從IPM的DC側(cè)看，兩相串聯(lián)，所以電磁功率為PM=2EIP。忽略換向過(guò)程的影響，無(wú)刷DC電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為:QUOTETe=Pmω1/np=2npEpIpω1式(2-8)中，Ψp為電機(jī)電磁磁鏈的峰值。由(2-8)式可知，無(wú)刷直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與電流Ip成正比關(guān)系，與普通的直流電機(jī)的關(guān)系一樣2.4.3運(yùn)動(dòng)方程Te?TL?Zω=J式(2-9)中，Te、TL分別為電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩(Nm)，ω為電機(jī)角速度，Z為黏滯摩擦系數(shù)(N·m·s)，J為電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg·m2)。2.4.4反電動(dòng)勢(shì)方程在磁場(chǎng)中單根導(dǎo)體切割磁力線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)e為：?=BLv(2-4)其中B、L分別為磁場(chǎng)強(qiáng)度和導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)有效長(zhǎng)度，v為導(dǎo)體在垂直于磁感線運(yùn)動(dòng)的線速度。在無(wú)刷直流電機(jī)中，轉(zhuǎn)速n與v的關(guān)系為式(2-5)，QUOTER'R'為繞組旋轉(zhuǎn)半徑。v=2πR'n60假設(shè)直流電機(jī)繞組每一相的匝數(shù)為WΦ，由于每一相有兩根導(dǎo)體，所以每一繞組的總感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：EΦ=2?WΦ將式(2-4)(2-5)代入式(2-6)，則轉(zhuǎn)速n與總感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)EΦ的關(guān)系為：EΦ=BLπR'W直流無(wú)刷電機(jī)的定子繞組反電動(dòng)勢(shì)梯形波形如圖2.8所示圖2.8定子繞組反電動(dòng)勢(shì)波形第三章無(wú)刷直流電機(jī)的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算3.1電機(jī)主要結(jié)構(gòu)的選擇與參數(shù)計(jì)算3.1.1電機(jī)永磁材料的選擇通常情況下，永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鋼有：鋁鎳鈷磁鋼，鐵氧體磁鋼，釤鈷磁鋼釹鐵硼磁鋼和釹鐵硼磁鋼。鐵氧體永磁體材料，具有顯著的特點(diǎn)，其剩磁低、矯頑力高，剩磁一般在0.2T~0.44T，矯頑力在128~264kA/m。但對(duì)于EPS用電動(dòng)機(jī)而言，要求電機(jī)的功率密度高，即便是高性能鐵氧體永磁材料，其剩磁也難以滿足電機(jī)磁性能的要求。對(duì)幾種永磁材料進(jìn)行比對(duì)，可以看到鋁鎳鈷磁鋼的矯頑力較低，且充磁方式為安裝后充磁，退磁曲線成非線性，不適合大批量生產(chǎn)使用；而釤鈷磁鋼固然性能很好，耐高溫，穩(wěn)定性好，但是考慮到其價(jià)格昂貴；于是釹鐵硼便成為了EPS用電動(dòng)機(jī)永磁材料的首選。釹鐵硼永磁材料是目前磁性能最強(qiáng)的永磁材料，其不但具有較高的剩磁，矯頑力最高也可超過(guò)1000kA/m，價(jià)格也相對(duì)便宜，是理想的永磁材料，其根據(jù)制作工藝又分為粘接釹鐵硼和燒結(jié)釹鐵硼，粘接釹鐵硼具有可以制成形狀復(fù)雜的永磁體，力學(xué)特性好，尺寸精度高等優(yōu)點(diǎn)，但是在制造過(guò)程中混合其了他材料，其中粘結(jié)劑的大約占體積的40%，對(duì)比相應(yīng)的燒結(jié)釹鐵硼永磁材料可以看到，其磁性能成倍的下降[27]，同時(shí)其允許使用的溫度也比燒結(jié)釹鐵硼低許多?？紤]多種因素的綜合影響，選用燒結(jié)釹鐵硼作為本次電機(jī)設(shè)計(jì)的永磁體材料。3.1.2電機(jī)尺寸的確定電機(jī)的主要尺寸包括電樞鐵心的直徑和長(zhǎng)度，它決定著電機(jī)的性能、重量、體積和成本等，故主要尺寸設(shè)計(jì)在電機(jī)設(shè)計(jì)工作中起著重要作用，是電機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。根據(jù)電機(jī)設(shè)計(jì)原理，電機(jī)主要尺寸應(yīng)滿足：D2lefnp'=式中D為電樞直徑；lef為電樞的計(jì)算長(zhǎng)度；n為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速；p′為電機(jī)計(jì)算功率；αp為計(jì)算極弧系數(shù)；KNm、Kdp分別為氣隙磁場(chǎng)波形系數(shù)和電樞繞組系數(shù)。對(duì)應(yīng)于斷續(xù)工作制的小功率電動(dòng)機(jī)而言，可以估算：p'≈1+3η4ηpH（3-式中，n為電機(jī)的效率，一般取值0.6～0.85；PH為電機(jī)額定的輸出功率。對(duì)于無(wú)刷直流電機(jī)來(lái)說(shuō)，要求電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比較小，以減小電機(jī)起動(dòng)和運(yùn)行時(shí)的能量損耗，縮短電機(jī)的響應(yīng)時(shí)間，提高電機(jī)工作效率。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J的表達(dá)式：J=mR22（3式中，m為電機(jī)的質(zhì)量；R為電機(jī)的尺寸半徑。可以看出相同質(zhì)量的電機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的大小與電機(jī)的尺寸半徑R有很大的關(guān)系。3.1.3相數(shù)與級(jí)數(shù)的選擇永磁無(wú)刷直流電機(jī)的本質(zhì)是交流電機(jī)，定子中帶有多相交流繞組，由于運(yùn)行機(jī)理與普通交流電機(jī)有著根本的不同，所以無(wú)刷直流電機(jī)定子繞組的相數(shù)有多種選擇，兩相、三相、四相，目前最常用的繞組形式為三相繞組。極對(duì)數(shù)與電機(jī)的主要尺寸關(guān)系如式所示：2pΦ=παδBLaD級(jí)數(shù)應(yīng)該在綜合考慮電機(jī)的運(yùn)行性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，再結(jié)合已知的經(jīng)驗(yàn)，可以根據(jù)式子取值，電機(jī)的磁通QUOTEΦΦ為固定值，而且在電機(jī)的轉(zhuǎn)子外徑、定子鐵心長(zhǎng)度、氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度確定之后，就可以確定極對(duì)數(shù)了。由此式可以看出：1）如果轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)增加，每級(jí)磁通可以減少，同時(shí)定子軛和機(jī)座的面積也會(huì)減少?？偟膩?lái)說(shuō)，極對(duì)數(shù)增加，可以減小電動(dòng)機(jī)的體積，節(jié)約材料，降低成本。2）級(jí)數(shù)增加后，也帶來(lái)了一些問(wèn)題，比如：制造上會(huì)麻煩，而且在級(jí)數(shù)增加的同時(shí)，為了讓漏磁不會(huì)太大，那么就要使極弧系數(shù)較小，這就會(huì)是原材料利用率變低；極對(duì)數(shù)增加的同時(shí)，在同樣轉(zhuǎn)速的條件下，功率管換相的次數(shù)就會(huì)增加，從而增大了功率器件的消耗，鐵芯磁場(chǎng)交變的頻率增加，鐵耗增加。一般來(lái)說(shuō)，電動(dòng)機(jī)的效率也會(huì)隨著極對(duì)數(shù)的增加而下降。3）電感方面：隨著極對(duì)數(shù)的增加，電樞繞組每相的電感會(huì)有所減少，對(duì)于換相是有利的。3.1.4定子鐵心內(nèi)徑無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)定子內(nèi)徑Da(由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的氣隙一般較小，粗略估計(jì)可以認(rèn)為定子內(nèi)徑等于轉(zhuǎn)子外徑)一般隨單位轉(zhuǎn)速輸出功率p的增大而增大，也就是說(shuō)，當(dāng)電機(jī)單位轉(zhuǎn)速輸出功率p相同時(shí)，定子鐵芯內(nèi)徑Da大致相等。Da確定后，可參照所給p值，參照已制作同類電機(jī)的值進(jìn)行選擇。根據(jù)已知功率和額定轉(zhuǎn)速，得到單位轉(zhuǎn)速的輸出功率，然后根據(jù)該值確定電機(jī)定子內(nèi)徑范圍，即最大值和最小值。受試者要求功率為37W，額定轉(zhuǎn)速為1500r/min，由此可以計(jì)算出定子內(nèi)徑范圍為20mm。這只是一個(gè)一般范圍，具體數(shù)值還應(yīng)根據(jù)電負(fù)載a、磁負(fù)載B、鐵芯有效長(zhǎng)度L、機(jī)身長(zhǎng)度與定子內(nèi)徑之比λ來(lái)計(jì)算。3.1.5電負(fù)荷與磁負(fù)荷的選取無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電負(fù)載(又稱線負(fù)載)是指每單位長(zhǎng)度沿定子內(nèi)徑圓周方向的總安培導(dǎo)體數(shù)。電機(jī)負(fù)載的選擇與電機(jī)的運(yùn)行特性、效率和溫升有很大關(guān)系。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:A=mNaiaπD式中QUOTENaNa每相的導(dǎo)體數(shù)；QUOTEDaDa是定子內(nèi)徑（由于氣隙很小，可以認(rèn)為與轉(zhuǎn)子外徑相等）；QUOTEiaia是定子的相電流；m是電動(dòng)機(jī)的相數(shù)；直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的磁負(fù)荷是指氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值，磁負(fù)荷的定義式為：Bδ=?τrl式中QUOTEτrτr是轉(zhuǎn)子極距；QUOTElala是電機(jī)鐵心長(zhǎng)度；QUOTE??是每極磁通；式（3-5）、（3-6）只是電負(fù)荷和磁負(fù)荷的理論表達(dá)式，而在實(shí)際電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，它們的取值會(huì)受到多方面因素的影響。A一般取15000～50000A/m，B一般取0.3～0.6T。3.1.6電流密度與槽滿率槽滿流量一般為0.35~0.5。在允許繞組間距且保證額定輸出功率的情況下，繞組的峰值電流會(huì)隨著匝數(shù)的增加而減小，匝數(shù)越多，開關(guān)功率管的伏安電壓越低容量。確定繞組匝數(shù)后，首先檢查導(dǎo)線的電流密度，然后確定導(dǎo)線的截面積。（一般J=4～5.5A/mm2）3,1,7氣隙與弧級(jí)系數(shù)選取氣隙是指電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子之間的間隙。氣隙的大小對(duì)電機(jī)的性能和制造工藝有很大的影響。如果氣隙過(guò)大，磁阻會(huì)很大，增加電機(jī)的損耗，降低電機(jī)的功率因數(shù)。但氣隙太小，容易造成定子和轉(zhuǎn)子掃膛。如果氣隙不均勻，轉(zhuǎn)子會(huì)產(chǎn)生磁拉力，容易引起電機(jī)振動(dòng)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般選擇氣隙在3~5mm左右。計(jì)算極弧系數(shù)可根據(jù)圖3.1選取。圖3.1定子內(nèi)徑與極弧系數(shù)的關(guān)系極弧系數(shù)αi的大小主要體現(xiàn)在電機(jī)的大小上。值越大，電機(jī)的尺寸越小。但極弧系數(shù)越大，電機(jī)兩級(jí)之間的空間越窄，從而增加了磁極的漏磁，影響電機(jī)的性能。然而，直流無(wú)刷電機(jī)的極距一般較短，其值應(yīng)較小。3.1.8每相繞組匝數(shù)的選取繞組匝數(shù)是電機(jī)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)之一。其選擇與電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和啟動(dòng)電流有關(guān)。大致按照以下公式選擇:w'φ=7.5α式中，QUOTEΦδ0Φδ0是空載氣隙磁通；U是電源電壓；QUOTEn'n'是預(yù)取空載轉(zhuǎn)速；QUOTEΔUΔU是功率管管壓降；QUOTEαiαi是極弧系數(shù)。3.1.9電機(jī)繞組的設(shè)計(jì)一、分?jǐn)?shù)槽與整數(shù)槽繞組對(duì)比在電機(jī)設(shè)計(jì)中Z代表定子槽數(shù)，m代表相數(shù)，P代表永磁體極對(duì)數(shù)，根據(jù)公式可求得每極每相的槽數(shù)q：q=Z2mp（3-當(dāng)q是整數(shù)時(shí)，電機(jī)繞組稱為整數(shù)槽繞組；當(dāng)q是不為整數(shù)時(shí)，電機(jī)繞組稱為分?jǐn)?shù)槽繞組。由于電機(jī)的體積較小，而設(shè)計(jì)的時(shí)候極數(shù)較多，采用分?jǐn)?shù)槽形式可以有效的解決極數(shù)多，極距小的問(wèn)題，此外，分?jǐn)?shù)槽繞組也具有整數(shù)槽繞組不具有的分布效應(yīng)，能夠有效削弱齒諧波對(duì)感應(yīng)電勢(shì)的影響，同時(shí)對(duì)降低電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩也有一定效果[28]。對(duì)比整數(shù)槽繞組，采用分?jǐn)?shù)槽繞組具有以下好處：（1）以較少的大槽代替了較多的小槽，減少了槽絕緣，提高了槽滿率，簡(jiǎn)化了下線難度，降低了人工成本。（2）提高槽滿率，減少了電機(jī)繞組，降低了銅耗和溫升，提高了功率密度和轉(zhuǎn)矩密度，提高了電機(jī)的綜合性能。（3）分?jǐn)?shù)槽繞組可以實(shí)現(xiàn)集中繞組（極距y=1），即一個(gè)線圈繞在一個(gè)齒上，減小了繞組端部，降低了用銅量，同時(shí)集中繞組結(jié)構(gòu)可用機(jī)器代為繞線，降低了人工成本，提高了生產(chǎn)效率。（4）電機(jī)繞組改善了短距系數(shù)和分布系數(shù)，提高了電動(dòng)勢(shì)波形的正弦性。（5）分?jǐn)?shù)槽的齒槽轉(zhuǎn)矩幅值通常小于整數(shù)槽繞組，有利于電機(jī)的穩(wěn)定性和降低振動(dòng)噪聲。二、單層繞組和雙層繞組的選擇電機(jī)繞組一般有單層繞組和雙層繞組兩種。單層繞組顧名思義就是每個(gè)槽中只放置一個(gè)線圈側(cè)，對(duì)于三相電機(jī)，至少有六個(gè)線圈側(cè)，這就要求電機(jī)槽數(shù)是六的倍數(shù)。如圖4.2所示，雙層繞組每個(gè)槽可以放兩個(gè)線圈邊，電機(jī)槽數(shù)是三的倍數(shù)。與兩者相比，單層繞組只能選擇全程，端部延伸比較長(zhǎng)，繞組電阻和銅耗比較大。同時(shí)，雙層繞組可以通過(guò)短距離系數(shù)改善電動(dòng)勢(shì)和磁動(dòng)勢(shì)的波形，削弱磁動(dòng)勢(shì)的諧波，降低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和振動(dòng)噪聲?？紤]到小型無(wú)刷直流電機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，電機(jī)的定子齒較少，而且是低壓供電且電機(jī)體積比較小，在輸出功率相同的條件下，功率密度較大，這會(huì)導(dǎo)致電機(jī)電流很大，為了減小繞組電流大小，選取繞組并聯(lián)支路數(shù)a=4，即采用4路并聯(lián)的方法，來(lái)降低設(shè)計(jì)時(shí)每條支路上的電流值。圖4.2雙層繞組示意圖3.1.10磁鋼尺寸的確定永磁直流無(wú)刷電機(jī)的永磁體通常價(jià)格昂貴，因此為了降低制造成本，提高電機(jī)的利用率，有必要在滿足性能指標(biāo)的前提下合理設(shè)計(jì)磁鋼尺寸。如果確定了電機(jī)結(jié)構(gòu)，就確定了磁路。磁負(fù)荷由磁鋼的尺寸和材料決定。此時(shí)可假定合理的氣隙磁密度B，利用氣隙磁密度B可計(jì)算氣隙磁密度、定子軛架磁勢(shì)和定子齒形磁勢(shì)。最后，利用該公式計(jì)算永磁體的磁勢(shì)f。F'=F'所以有，永磁體的厚度：h'm=F'Hδ這時(shí)，由永磁體去磁曲線上的兩個(gè)點(diǎn)（Fc,0）和（F′,QUOTEΦ'δΦ'δ），最后由式子（3-13）可以確定永磁體的寬度。Fc=HΦ'δ=B'Sbm=Φ'3.2樣機(jī)的參數(shù)設(shè)定根據(jù)以上電機(jī)參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，可以得出樣機(jī)參數(shù)的設(shè)定如下表：表3.1樣機(jī)的參數(shù)定子定子槽數(shù)12定子鐵心外徑80定子鐵心內(nèi)徑45定子鐵心長(zhǎng)度30定子槽型硅鋼片牌號(hào)B50A350定子沖片材料密度7.8定子沖片疊壓系數(shù)0.95定子繞組形式集中繞組每槽匝數(shù)36線圈平均跨距1并繞根數(shù)1漆包線的雙邊漆皮厚度0.12導(dǎo)線直徑0.4轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)表貼轉(zhuǎn)子外徑44轉(zhuǎn)子內(nèi)徑20轉(zhuǎn)子鐵心長(zhǎng)度30永磁體極對(duì)數(shù)10永磁體型號(hào)N35永磁體的剩磁1.23永磁體的矯頑力890000永磁體的相對(duì)回復(fù)磁導(dǎo)率1.099極弧系數(shù)0.9轉(zhuǎn)軸材料名45#轉(zhuǎn)軸材料密度7.8其他定子繞組系數(shù)0.866理想反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)0.125772額定轉(zhuǎn)矩常數(shù)0.125772定子齒磁密1.6定子軛磁密0.67轉(zhuǎn)子軛磁密0.58氣隙磁密0.86硅鋼密度7.8空載轉(zhuǎn)速1636齒槽轉(zhuǎn)矩0.06電樞線負(fù)荷5.22電樞電流密度2.26風(fēng)摩損耗5.85鐵心損耗3.8電樞銅損1.5開關(guān)管損耗2.8二極管損耗0.1總損耗14輸入功率52輸出功率38效率72.9額定轉(zhuǎn)速1500第4章基于ANSYS永磁無(wú)刷直流電機(jī)的有限元分析4.1ANSYS軟件的介紹Maxwell是ANSYS中的電磁場(chǎng)有限元分析軟件，在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中被工程師和研究人員廣泛使用。隨著麥克斯韋版本的不斷更新，它已廣泛應(yīng)用于電源、電力系統(tǒng)、汽車、航空航天、生物醫(yī)藥、石油化工、國(guó)防、電力、電子、電力電子技術(shù)、交直流傳輸?shù)阮I(lǐng)域，廣泛應(yīng)用于通用汽車、寶馬、NASA、通用電氣、羅克韋爾、ABB、西門子等世界知名企業(yè)和機(jī)構(gòu)。由于電磁場(chǎng)數(shù)值分析和計(jì)算機(jī)仿真可以為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供可靠的依據(jù)，許多昂貴的仿真試驗(yàn)可以用數(shù)值仿真代替。因此，它被廣泛應(yīng)用于企業(yè)、科研院所和大學(xué)，成為提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的主要手段。Maxwell2D是ANSYS在機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)解決方案中的重要組成部分。Maxwell2D是一款結(jié)果準(zhǔn)確、功能強(qiáng)大、人機(jī)交互方便的二維電磁場(chǎng)有限元分析軟件。包括渦流場(chǎng)、瞬態(tài)場(chǎng)、電場(chǎng)、靜磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)分析模塊，可對(duì)電機(jī)、傳感器、變壓器、永磁設(shè)備和執(zhí)行器等電磁設(shè)備進(jìn)行靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、正常和故障狀態(tài)分析。人性化的人機(jī)界面、先進(jìn)的自適應(yīng)網(wǎng)格生成技術(shù)和自定義素材庫(kù)是其最大的特點(diǎn)。在使用ANSYS進(jìn)行仿真模擬時(shí)，一般需要做以下工作：（1）創(chuàng)建或者讀入有限元幾何模型；（2）定義材料屬性和參數(shù)；（3）網(wǎng)格剖分（節(jié)點(diǎn)和單元）；（4）施加負(fù)載及負(fù)載選項(xiàng)，設(shè)置約束條件，然后求解；4.2電機(jī)的建模及參數(shù)的設(shè)計(jì)1）先進(jìn)行電機(jī)整體參數(shù)設(shè)置。其中包括級(jí)數(shù)、轉(zhuǎn)子類型、摩擦損耗、參考轉(zhuǎn)速、控制電路類型等的設(shè)置，如圖4.1。圖4.1電機(jī)整體參數(shù)設(shè)計(jì)2）控制回路參數(shù)設(shè)置。其中包括超前觸發(fā)角、觸發(fā)脈沖寬度、晶閘管管壓降、二極管管壓降，設(shè)置如圖4.2。圖4.2控制回路參數(shù)設(shè)置3）定子參數(shù)設(shè)置涵蓋了定子內(nèi)外直徑、定子鐵芯長(zhǎng)度、槽數(shù)、覆蓋系數(shù)等。轉(zhuǎn)子參數(shù)的設(shè)定包括轉(zhuǎn)子內(nèi)徑和外徑的設(shè)定、轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度、覆蓋系數(shù)等。仿真參數(shù)包括額定電壓、額定轉(zhuǎn)速等。具體設(shè)置如圖4.3、圖4.4、圖4.5所示。圖4.3定子參數(shù)圖4.4轉(zhuǎn)子參數(shù)圖4.5仿真參數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置完了，可以得到無(wú)刷直流電機(jī)的仿真模型如圖4.6。（a）電機(jī)定子模型（b）電機(jī)轉(zhuǎn)子模型（c）電機(jī)繞組分布圖 （d）電機(jī)組裝模型4.6電機(jī)的仿真模型4.3劃分網(wǎng)格網(wǎng)格生成是有限元分析中非常重要的一步。有限元分析的精度直接受到網(wǎng)格生成質(zhì)量的影響。網(wǎng)孔越密，磁通密度越強(qiáng)。如果使用默認(rèn)細(xì)分，細(xì)分的質(zhì)量將受到限制。為了提高求解精度和速度，需要手動(dòng)細(xì)分，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)電機(jī)的不同部位設(shè)置不同的網(wǎng)格尺寸。該方案的網(wǎng)格生成模型如圖4.7所示。圖4.7網(wǎng)格的剖分4.4電機(jī)靜態(tài)磁場(chǎng)分析本節(jié)的電機(jī)靜磁場(chǎng)分布主要討論了空載時(shí)的情況，應(yīng)用的有限元軟件的分析步驟為求解類型選擇、建模、給定材料、激勵(lì)源和邊界條件的加載、建立求解步驟以及后處理。本設(shè)計(jì)的建模和添加材料比較簡(jiǎn)單，在這里忽略。電機(jī)的激勵(lì)源理論上有永磁體和繞組電流源，永磁體的激勵(lì)源在建模時(shí)已經(jīng)給定，空載分析時(shí)繞組電流為零，但是必須對(duì)繞組進(jìn)行正確分相，電流激勵(lì)源的給定。模型包括三個(gè)繞組，逆時(shí)針?lè)较蚍謩e是A相正向線圈、C相負(fù)向線圈以及B相正向線圈，電流源加載時(shí)注意正負(fù)，值都為零。邊界條件為：模型的兩個(gè)側(cè)邊加載主從邊界條件，弧形邊為高導(dǎo)磁介質(zhì)和非導(dǎo)磁介質(zhì)的分解，因此加載磁通平行邊界條件。仿真圖形如圖4.8。電機(jī)的漏磁系數(shù)可以由圖4.8中電機(jī)的磁通分布計(jì)算出來(lái)，通過(guò)圖4.9中電機(jī)的磁通密度分布云圖可以檢查電機(jī)是否存在過(guò)飽和點(diǎn)，有利于電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的調(diào)整和優(yōu)化；永磁體的空載工作點(diǎn)可以從圖4.10中各極下的氣隙磁通密度，以及本次設(shè)計(jì)的空載磁路數(shù)據(jù)得到:定子齒磁通密度（特斯拉）：1.60736定子磁軛磁通密度（特斯拉）：1.468951轉(zhuǎn)子磁軛磁通密度（特斯拉）：1.581987氣隙磁通密度（特斯拉）：0.864892磁通密度（特斯拉）：0.957559圖4.8電機(jī)磁力線分布圖4.9電機(jī)磁通密度云圖分布圖4.10氣隙磁密分布圖通過(guò)Maxwell靜磁場(chǎng)可以求出空載氣隙磁密幅值0.86T。通過(guò)分析磁場(chǎng)分布圖可以檢查各塊永磁體充磁設(shè)置是否有誤，通過(guò)電動(dòng)機(jī)磁密度云圖可以校驗(yàn)電動(dòng)機(jī)的局部是否存在飽和點(diǎn)，以便于及時(shí)調(diào)整參數(shù)。從圖來(lái)看，該電動(dòng)機(jī)并沒(méi)有出現(xiàn)飽和點(diǎn)，圖4.11空載反電勢(shì)波形為接近正弦波。圖4.11空載反電動(dòng)勢(shì)波形4,5電機(jī)瞬態(tài)性能分析電機(jī)的瞬態(tài)性能分析分為空載和負(fù)載兩種情況，空載性能分析又分為空載起動(dòng)工況和空載穩(wěn)態(tài)工況；負(fù)載性能分析又分為負(fù)載起動(dòng)工況和負(fù)載穩(wěn)態(tài)工況。對(duì)于永磁直流無(wú)刷電機(jī)來(lái)說(shuō)，空載和負(fù)載的區(qū)別就是，電樞繞組的電流是空載電流還是額定電流。4.5.1空載瞬態(tài)性能分析應(yīng)用電磁場(chǎng)有限元分析軟件分析電機(jī)空載時(shí)的瞬態(tài)性能時(shí)，不僅要設(shè)定電機(jī)空載時(shí)的電磁條件，主要是勵(lì)磁源的加入和邊界的設(shè)定，還要設(shè)定電機(jī)空載時(shí)的機(jī)械條件，主要是初始轉(zhuǎn)速和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的設(shè)定。對(duì)于空載起動(dòng)性能仿真時(shí)，電流激勵(lì)源為零，電機(jī)的初始速度設(shè)定為零，轉(zhuǎn)矩為額定空載轉(zhuǎn)矩。求得對(duì)應(yīng)的仿真曲線如圖4.12至4.15所示。圖4.12空載瞬態(tài)仿真時(shí)的轉(zhuǎn)矩曲線圖4.13空載瞬態(tài)仿真時(shí)的轉(zhuǎn)速曲線圖4.14空載瞬態(tài)仿真時(shí)的電流曲線圖4.15空載瞬態(tài)仿真時(shí)的反電動(dòng)勢(shì)曲線4.5.2負(fù)載瞬態(tài)性能分析負(fù)載瞬態(tài)分析時(shí)，外加激勵(lì)源電路，分別設(shè)置好電機(jī)的控制電壓電路、驅(qū)動(dòng)主回路和電機(jī)電路后，可得到控制總電路。然后將電路和有限元連接，并將機(jī)械運(yùn)動(dòng)設(shè)置中的初始速度設(shè)為0rpm，負(fù)載轉(zhuǎn)矩設(shè)置為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩，負(fù)載瞬態(tài)仿真結(jié)果如圖4.16至4.19所示。圖4.16負(fù)載瞬態(tài)仿真時(shí)的轉(zhuǎn)矩曲線圖4.17負(fù)載瞬態(tài)仿真時(shí)的轉(zhuǎn)速曲線圖4.18負(fù)載瞬態(tài)仿真時(shí)的電流曲線圖4,19負(fù)載瞬態(tài)仿真時(shí)的反電動(dòng)勢(shì)曲線結(jié)束語(yǔ)永磁無(wú)刷直流電機(jī)憑