Ansoft Rmxprt無刷直流電動機設(shè)計

顧欣

（浙江國際海運職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 舟山 316021）

1 BLDCM結(jié)構(gòu)及原理

1.1 BLDCM結(jié)構(gòu)

永磁無刷直流電機構(gòu)成如圖1所示。

圖1 永磁無刷直流電機構(gòu)成

代表的意義為每一極每一相的槽數(shù)：

式中，m表示的是本文所述電機的繞組相數(shù)；Z表示的是定子槽數(shù)；p表示的是極對數(shù)。根據(jù)電機槽數(shù)q值得不同，BLDCM可分為分數(shù)槽結(jié)構(gòu)和無槽結(jié)構(gòu)兩種。

1.2 BLDCM繞組連接與導(dǎo)通

永磁無刷直流電機換相電路典型拓撲結(jié)構(gòu)有半波單極和全波雙極性兩種電路。

三相繞組通常運用的換相電路有兩種形式，即全橋式和非橋式，其中優(yōu)選方式為全橋式120°。

1.3 永磁無刷直流電機數(shù)學(xué)模型

在搭建數(shù)學(xué)模型之前，進行一定的假設(shè)：（1）三相繞組完全對稱；（2）假設(shè)鐵損和雜散的能量損耗能夠忽略不計；（3）假設(shè)磁飽和對電機的影響能夠忽略不計。

通過上述假設(shè)能夠獲得的三相繞組電路的耦合方程如式（2）。

式中，ua、ub、uc為定子繞組端電壓（V）；ia、ib、ic代表的是定子繞組的相電流（A）；ea、eb、ec代表的是定子繞組的反電動勢（V）；R指的是每一相的繞組的電阻（Ω）；Laa、Lbb、Lcc為各相的自感（H）；Lab、Lba、Lac、Lca、Lbc、Lcb指的是互感參數(shù)（H）；p代表微分算數(shù)符號（d/dt）。

如果轉(zhuǎn)子的磁阻與角度的轉(zhuǎn)變沒有關(guān)系，三相對稱情況下，Laa、Lbb、Lcc相等，Lab、Lba、Lac、Lca、Lbc、Lcb相等，獲得下式：

定子三相繞組為星形連接，則有：

將以上兩式代入式（2）可得：

則電機的輸出功率為：

由電機的基本原理可得，永磁無刷直流電機的轉(zhuǎn)矩方程為：

其中：Ω為電機轉(zhuǎn)子的角速度（rad/s）；

電機的運動方程為：

式中，Te為電機的電磁轉(zhuǎn)矩（N·m）；TL為電機的負載轉(zhuǎn)矩（N·m）；J為電機的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m2）。

2 基于反電動勢檢測的無位置傳感器控制

2.1 基于端電壓反電勢軟件算法的實現(xiàn)

依照二二導(dǎo)通原理，電機中BLDCM如果是結(jié)構(gòu)為星型結(jié)構(gòu)六狀態(tài)相位變化角度為60°。三相電機的back-EMF總共有六個零點。

2.2 相移補償方法分析

如果說BLDCM運行速度為其額定轉(zhuǎn)速n=3000r/min，極對數(shù)P=2，那么電機中的電壓和電流信號頻率可以表達為：

由Kirchhoff電流定律得：

整理后得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：

故其延時角度為：

BLDCM換相點總是出現(xiàn)在back-EMF過零點延時：

3 永磁無刷直流電機設(shè)計分析

3.1 電機主要尺寸

根據(jù)已確定的外形尺寸φ35.8×42mm，進而能夠預(yù)設(shè)電機機殼尺寸和鐵芯的長度大小。

在綜合考慮到機體裝配要求和機體本身的機械強度的前提下，將電機的尺寸設(shè)計為：機殼外徑φ35.8，機殼厚度1.3mm，機殼內(nèi)徑φ33.2mm；考定子外徑φ33.2mm，定子鐵心長度27mm。

3.2 電機氣隙長度

電機本身的雜散損耗與電機內(nèi)部部件之間的氣隙大小有關(guān)，氣隙大小與損耗大小成反比關(guān)系，而氣隙越大的電機本身的損耗越大性能越差，所以基于以上考慮，氣隙長度選擇為0.6mm。

3.3 電機永磁體及轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

實際生產(chǎn)大多應(yīng)用鐵氧體永磁材料，設(shè)計中考慮到了繞組和鐵芯的利用效率，選用永磁體軸向長度為33mm，比鐵芯長度長6mm，其中hM為3.4mm，bM為9mm。通過高溫膠水固定永磁體進而能夠防止永磁體在電機運行時的振動條件下發(fā)生脫落，永磁體貼于轉(zhuǎn)子鐵芯外表面，并且在轉(zhuǎn)子永磁體外表面上加裝鋁套進行機械固定，增強電機運行的穩(wěn)定性。

3.4 電機定子結(jié)構(gòu)

由于永磁體類型氣隙磁密約為0.36T,鐵芯磁密最大值為1.5T，所以Bg/Bmax=0.24，參考設(shè)計手冊中的數(shù)值可以確定，定子裂比的最優(yōu)值在0.56，則定子內(nèi)徑為33mm×0.56=18.5mm，本文所設(shè)計的BLDCM選用的轉(zhuǎn)定子材料考慮電機的設(shè)計制造成本與最優(yōu)性能，因而選用了通用硅鋼片50A800。

3.5 Rmxprt建模與計算分析

在電機的基本設(shè)計參數(shù)完成設(shè)定情況下，進一步調(diào)整其他結(jié)構(gòu)參數(shù)，同時輸入Rmxprt建模分析。

通過上述數(shù)據(jù)參數(shù)能夠獲得，BLDCM的設(shè)計參數(shù)都低于正常設(shè)計值，能夠減小鐵耗，抑制溫升，其中定子齒部磁密1.28T，定子及轉(zhuǎn)子軛部磁密0.65T，0.61T，銅線滿槽率為74%。

4 結(jié)語

本文主要采用Ansoft Rmxprt無刷直流電動機設(shè)計，具體獲得成果如下：（1）說明了BLDCM的結(jié)構(gòu)和永磁無刷直流電機繞組的連接與導(dǎo)通方式。（2）利用Rmxprt建立了電機的模型并進行計算分析，并對永磁體尺寸進行了優(yōu)化。