無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)場(chǎng)路耦合法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究
年珩，曾嶸，劉姣，王宏勝
(浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州310027)
摘要：針對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的工作特性，在電磁設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，提出一種基于場(chǎng)路耦合法的無(wú)刷
直流電機(jī)系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)方法。該方法建立在無(wú)刷直流電機(jī)電磁場(chǎng)有限元分析模型和電氣控制系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上，即通過(guò)電磁場(chǎng)與電氣系統(tǒng)的耦合協(xié)同仿真分析，精確設(shè)計(jì)無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上建立了對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析結(jié)果一致，表明該分析設(shè)計(jì)方法的正確性和可實(shí)現(xiàn)性。
關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電機(jī)；電磁設(shè)計(jì)；場(chǎng)路耦合法；有限元分析；實(shí)驗(yàn)
0引言
實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)的精確設(shè)計(jì)，除了通過(guò)有限元電磁場(chǎng)方法對(duì)電機(jī)進(jìn)行電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)外，還必須在設(shè)計(jì)之初考慮控制器與電機(jī)的耦合作用，對(duì)控制器作用下無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)性能進(jìn)行預(yù)測(cè)。目前對(duì)于無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)較多采用電磁場(chǎng)分析[1-3]，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)本體的優(yōu)化設(shè)計(jì)，但難以甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)控制器作用下電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行性能分析。場(chǎng)路耦合法通過(guò)將電機(jī)電磁場(chǎng)分析模型和控制系統(tǒng)模型相結(jié)合[4-5]，并采用時(shí)步法的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)場(chǎng)一路結(jié)合的求解方式，可深入研究無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)各部分間的相互耦合關(guān)系和耦合因素，因而為無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)的準(zhǔn)確設(shè)計(jì)與性能分析提供了有效的手段。本文針對(duì)風(fēng)機(jī)用無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)，首先通過(guò)電磁場(chǎng)分析完成電機(jī)本體的優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而建立了包括電機(jī)電磁場(chǎng)有限元分析模型
和控制系統(tǒng)仿真模型，利用SirrIplorer+Maxwell 2D進(jìn)行場(chǎng)路耦合法協(xié)同仿真，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了所設(shè)計(jì)無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行特性。相同條件下實(shí)際系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行進(jìn)一步驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)方法的正確性。
無(wú)刷直流電機(jī)電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)
1．1電機(jī)基本參數(shù)
所設(shè)計(jì)元刷直流電機(jī)性能指標(biāo)如下。額定功率200 w；****功率250 w；額定電壓12 V；轉(zhuǎn)速范圍1 500 r／min～3 000 r／rin；效率不低于百分之85。
電機(jī)主要尺寸可按下式考慮
式中，Dil為定子內(nèi)徑；Lef為定子長(zhǎng)度；nN為額定轉(zhuǎn)速；P=(1+2η／3η)PN，為計(jì)算功率；PN為額定功率；η為電機(jī)效率；αp為極弧系數(shù)；Knm為氣隙磁場(chǎng)波形系數(shù)；kdp為基波繞組系數(shù)；A為線(xiàn)負(fù)荷；Bδ為氣隙磁密基波幅值。
為簡(jiǎn)化電機(jī)結(jié)構(gòu)，降低加工成本，轉(zhuǎn)子永磁體采用面貼式結(jié)構(gòu)。其永磁體厚度hM和寬bM可近似為[6]：
式中，μr為相對(duì)回復(fù)磁導(dǎo)率；δ為計(jì)算氣隙長(zhǎng)度；Br為永磁體剩余磁密；Bδ為氣隙磁密。
經(jīng)過(guò)初步計(jì)算可得電機(jī)基本結(jié)構(gòu)尺寸及繞組參數(shù)如表1所示。考慮到電機(jī)成本的限制，永磁體選用鐵氧體，其剩磁密度為O．38T。同時(shí)從降低電機(jī)加工成本考慮，定子選用直槽結(jié)構(gòu)。
1．2電機(jī)電磁分析
無(wú)刷直流電機(jī)二維電磁分析模型如圖1所示。圖2為空載運(yùn)行時(shí)無(wú)刷直流電機(jī)兩維電磁場(chǎng)分析結(jié)果。其中圖(a)為相反電勢(shì)波形，為120。電角度的梯形波分布。圖，b)為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周時(shí)齒槽轉(zhuǎn)矩波形。由于電機(jī)未斜槽，齒槽轉(zhuǎn)矩較大，幅值達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的百分之15。圖(c)為空載時(shí)氣隙磁密分布。
(a)兩維模型 (b)三維模型
1．3齒槽轉(zhuǎn)矩優(yōu)化分析
對(duì)于圖1所示的電機(jī)結(jié)構(gòu)，當(dāng)極對(duì)數(shù)、槽數(shù)以及繞組參數(shù)確定后，齒槽轉(zhuǎn)矩大小主要與槽開(kāi)口大小有關(guān)。圖口(b)所示為槽開(kāi)口5mm的齒槽轉(zhuǎn)矩波形。圖3(a)和(b)分別為槽開(kāi)口4 mm和3mm的齒槽轉(zhuǎn)矩波形。其幅值分別為0.05 N·m和O．03 N·m。進(jìn)一步電磁分析發(fā)現(xiàn)，隨著槽開(kāi)口尺寸的減小，齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)一步減小，最后趨近于O.02 N·m。實(shí)際中可根據(jù)此規(guī)律并綜合考慮電機(jī)運(yùn)行環(huán)境要求和加工工藝，選擇合適的槽開(kāi)口尺寸。本文所設(shè)計(jì)樣機(jī)選擇槽開(kāi)口為3mm。
2無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)場(chǎng)路耦合法分析
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