一、寫在文前

在工業(yè)生產(chǎn)和家用電器中，微特電機(jī)被廣泛用作控制或驅(qū)動(dòng)元件，而為了應(yīng)對(duì)用戶對(duì)永磁無刷電機(jī)性能多變且研發(fā)周期短的要求，需要對(duì)無刷電機(jī)做系列化、模塊化和型譜化以滿足市場(chǎng)性能多變的電機(jī)需求，即不改變電機(jī)的定轉(zhuǎn)子沖片主要結(jié)構(gòu)，快速調(diào)整電路參數(shù)或鐵芯疊長，從而得到滿足用戶制定的電機(jī)性能指標(biāo)，這樣設(shè)計(jì)出來的電機(jī)不僅可靠性比較高，而且研發(fā)周期較短，更能迅速對(duì)市場(chǎng)做出反應(yīng)。

目標(biāo)推算法作為一種重要的思維方法和推算方法，在已有認(rèn)知的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)事物的試探性的判斷方法，在科學(xué)研究中應(yīng)用比較廣泛，推算是以兩個(gè)或兩類對(duì)象有部分屬性相同的判斷為前提，從而推斷它們?cè)谄渌麑傩苑矫嬉簿哂蓄愃频膶傩浴＿@種比較實(shí)用的方法應(yīng)用在電機(jī)設(shè)計(jì)中時(shí)，就可以從市面或者公司已有產(chǎn)品的電機(jī)型號(hào)中選一款作為為參考電機(jī)，將參考電機(jī)和目標(biāo)電機(jī)有目的地聯(lián)系起來，解決新要求、新指標(biāo)的電機(jī)設(shè)計(jì)，按照電機(jī)目標(biāo)設(shè)計(jì)值進(jìn)行一系列推算過程。

本文將目標(biāo)推算法應(yīng)用到永磁無刷電機(jī)設(shè)計(jì)中進(jìn)行新電機(jī)設(shè)計(jì)，目標(biāo)電機(jī)的推算不是簡單按照比例調(diào)整電機(jī)的某個(gè)參數(shù)，而是根據(jù)參考電機(jī)進(jìn)行綜合分析后，設(shè)計(jì)出和參考電機(jī)在性能、外形尺寸上完全不同的電機(jī)，而且設(shè)計(jì)過程簡單實(shí)用，計(jì)算準(zhǔn)確度比較高，大大縮短了研發(fā)周期，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了某類無刷電機(jī)的系列化。

二、理論計(jì)算推導(dǎo)

對(duì)新指標(biāo)的永磁無刷電機(jī)進(jìn)行目標(biāo)推算，必須先有一個(gè)參考電機(jī)以及該電機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)越多對(duì)目標(biāo)電機(jī)的推算越有利，然而在推算過程中不一定會(huì)用到參考電機(jī)的所有數(shù)據(jù)，在推算時(shí)取用的電機(jī)參數(shù)越少越好，然后把要推算的目標(biāo)電機(jī)參數(shù)羅列出來，推算出目標(biāo)電機(jī)的目標(biāo)值。

參考電機(jī)和目標(biāo)電機(jī)的外部機(jī)械特性是完全不同的，故兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)KT和反電勢(shì)常數(shù)KE也發(fā)生了變化，相對(duì)應(yīng)兩個(gè)電機(jī)的NΦ也不同，然而兩種電機(jī)的內(nèi)部特性基本相同，如磁鋼形狀和材料性能均相同，需要改變的是磁鋼長度和鐵芯長度。若需要設(shè)計(jì)出目標(biāo)電機(jī)的性能，首先掌握參考電機(jī)的定子沖片基本尺寸和磁鋼尺寸，包括沖片的最大內(nèi)徑和外徑、齒寬、齒高等參數(shù)，磁鋼尺寸、牌號(hào)等參數(shù)。

本文以一款42*42的異性定子沖片結(jié)構(gòu)為例，圖1(b)為異性沖片結(jié)構(gòu)，目標(biāo)電機(jī)沿用該沖片結(jié)構(gòu)，如表xx為參考電機(jī)的技術(shù)參數(shù)。

圖1(b) 電機(jī)異性沖片結(jié)構(gòu)

表1 參考永磁無刷電機(jī)技術(shù)參數(shù)

磁鋼GPM-8(環(huán)形黏結(jié)釹鐵硼磁鋼)：Br=0.6587T，Hc=416000A/m，電機(jī)環(huán)形磁鋼尺寸數(shù)據(jù)見表2。

表2 環(huán)形磁鋼尺寸數(shù)據(jù)

參考電機(jī)空載點(diǎn)和額定點(diǎn)的機(jī)械特性曲線如表3所示。

表3參考電機(jī)空載點(diǎn)和額定點(diǎn)的機(jī)械特性曲線數(shù)據(jù)

目標(biāo)電機(jī)技術(shù)參數(shù)如表4所示。

表4 目標(biāo)電機(jī)技術(shù)參數(shù)

推算如下：

（a）計(jì)算目標(biāo)電機(jī)相關(guān)性能：

（b）計(jì)算目標(biāo)電機(jī)的有效匝數(shù)

參考電機(jī)和目標(biāo)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)比值：

目標(biāo)電機(jī)的匝數(shù)（取68匝）

（c）計(jì)算目標(biāo)電流電流密度

（d）目標(biāo)電機(jī)推算結(jié)果，如表5所示。

表5 目標(biāo)電機(jī)推算結(jié)果

三、仿真驗(yàn)證對(duì)比

3.1參考電機(jī)有限元仿真

本節(jié)利用Rmxprt路算和Maxwell 2D場(chǎng)算得到參考電機(jī)的空載和負(fù)載仿真結(jié)果，驗(yàn)證實(shí)物測(cè)試曲線和仿真結(jié)果相近，驗(yàn)證前面對(duì)目標(biāo)電機(jī)的推算過程不會(huì)出現(xiàn)偏差。

首先在Rmxprt中建立電機(jī)模型，根據(jù)表xx中數(shù)據(jù)，輸入定轉(zhuǎn)子尺寸參數(shù)以及磁鋼參數(shù)，如圖2所示。因在Rmxprt中不可建立定子異性沖片結(jié)構(gòu)，需要在maxwell場(chǎng)算中對(duì)定子沖片進(jìn)行建模。

圖2 ?參考電機(jī)幾何模型

然后設(shè)置電機(jī)求解器，對(duì)電機(jī)進(jìn)行求解，參考電機(jī)機(jī)械特性曲線如圖3所示。

圖3 參考電機(jī)的機(jī)械特性曲線

最后對(duì)參考電機(jī)進(jìn)行分析，由圖3和表1分析可知，定轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)矩，參考電機(jī)額定負(fù)載下轉(zhuǎn)速為4000rpm，參考電機(jī)的實(shí)測(cè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩值為0.2479Nm，參考電機(jī)的仿真負(fù)載轉(zhuǎn)矩為0.2269Nm，實(shí)測(cè)輸出功率為104.7W，仿真輸出功率為95W，參考電機(jī)的額定電流5.88A，仿真額定電流為4.89A，實(shí)測(cè)效率為63.4%，仿真效率為80.9%，綜上所述，參考電機(jī)路算仿真結(jié)果和電機(jī)測(cè)試結(jié)果基本相近。

對(duì)參考電機(jī)進(jìn)行maxwell 2d有限元仿真，對(duì)電機(jī)幾何模型前處理，更換定子沖片，如圖4所示。

圖4 參考電機(jī)幾何模型

首先對(duì)參考電機(jī)進(jìn)行額定負(fù)載點(diǎn)仿真，檢測(cè)參考電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，如圖xx所示。

圖5 參考電機(jī)的額定點(diǎn)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速

檢測(cè)電流變化以及電機(jī)內(nèi)部磁密云圖，如圖6和圖7所示。

圖6 三相電流

圖7 額定點(diǎn)磁密云圖

由圖5和圖6可知，參考電機(jī)在額定負(fù)載0.25Nm下的輸出轉(zhuǎn)速為3916rpm，額定電流5.42A，場(chǎng)算結(jié)果和路算結(jié)果基本相似。

其次對(duì)參考電機(jī)的空載點(diǎn)進(jìn)行仿真，空載轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩如圖8所示，磁密云圖如圖9所示。

圖8 空載轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩

圖9 空載點(diǎn)磁密云圖

最后對(duì)參考電機(jī)的反電勢(shì)常數(shù)進(jìn)行仿真，如圖10所示，空載轉(zhuǎn)速為5200rpm，線反電勢(shì)為25V，則通過計(jì)算得反電勢(shì)常數(shù)為0.0048V/rpm，轉(zhuǎn)矩常數(shù)為0.04584N·m/A。

圖10 線反電勢(shì)

綜上所示，參考電機(jī)的空載點(diǎn)和負(fù)載點(diǎn)與電機(jī)實(shí)測(cè)值基本吻合。

3.2目標(biāo)電機(jī)有限元仿真

小節(jié)2根據(jù)參考電機(jī)推算了目標(biāo)電機(jī)的參數(shù)，包括轉(zhuǎn)矩、功率、匝數(shù)和電流等參數(shù)，目標(biāo)電機(jī)的沖片尺寸和參考電機(jī)的沖片尺寸完全相同。

首先在Rmxprt中輸入定轉(zhuǎn)子參數(shù)，定轉(zhuǎn)子疊長由80mm變成15mm，磁鋼牌號(hào)不變，目標(biāo)電機(jī)的繞組參數(shù)發(fā)生了較大變化，如圖11為目標(biāo)電機(jī)的幾何模型。

圖11 參考電機(jī)幾何模型

然后設(shè)置電機(jī)求解器，對(duì)電機(jī)進(jìn)行求解，參考電機(jī)機(jī)械特性曲線如圖12所示。

圖12 目標(biāo)電機(jī)機(jī)械特性曲線

最后對(duì)目標(biāo)電機(jī)進(jìn)行分析，由表4分析可知，定轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)矩，目標(biāo)電機(jī)額定負(fù)載下轉(zhuǎn)速為4000rpm，目標(biāo)電機(jī)的仿真負(fù)載轉(zhuǎn)矩為0.634Nm，目標(biāo)電機(jī)的仿真輸出功率為26.5W，仿真額定電流為1.58A，仿真效率為68%，綜上所述，目標(biāo)電機(jī)路算仿真結(jié)果和期望值結(jié)果基本相近。

對(duì)目標(biāo)電機(jī)進(jìn)行maxwell 2d有限元仿真，對(duì)電機(jī)幾何模型前處理，更換定子沖片，如圖13所示。

圖13 參考電機(jī)幾何模型

首先對(duì)目標(biāo)電機(jī)進(jìn)行額定負(fù)載點(diǎn)仿真，檢測(cè)參考電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，如圖14所示。

圖14 目標(biāo)電機(jī)的額定點(diǎn)轉(zhuǎn)矩

檢測(cè)電流變化以及電機(jī)內(nèi)部磁密云圖，如圖15和圖16所示。

圖15 三相電流

圖16 額定點(diǎn)磁密云圖

由圖14可知，目標(biāo)電機(jī)在額定負(fù)載0.062Nm下的輸出轉(zhuǎn)速為4014rpm，額定電流1.51A，場(chǎng)算結(jié)果和路算結(jié)果基本相似。

其次對(duì)目標(biāo)電機(jī)的空載點(diǎn)進(jìn)行仿真，空載轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩如圖17所示，磁密云圖如圖18所示。

圖17 空載轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩

圖18 空載點(diǎn)磁密云圖

最后對(duì)目標(biāo)電機(jī)的反電勢(shì)常數(shù)進(jìn)行仿真，如圖19所示，空載轉(zhuǎn)速為5782rpm，線反電勢(shì)為23.6V，則通過計(jì)算得反電勢(shì)常數(shù)為0.00408V/rpm，轉(zhuǎn)矩常數(shù)為0.038964N·m/A。

圖19 線反電勢(shì)

綜上所示，目標(biāo)電機(jī)的空載點(diǎn)和負(fù)載點(diǎn)與電機(jī)期望值基本吻合。

四、目標(biāo)電機(jī)部分測(cè)試點(diǎn)

根據(jù)路算和場(chǎng)算仿真參數(shù)制造了樣機(jī)

推算法求得的目標(biāo)電機(jī)實(shí)測(cè)機(jī)械特性曲線（部分點(diǎn)），如表6所示。

表6 目標(biāo)電機(jī)實(shí)測(cè)值

參考電機(jī)和目標(biāo)電機(jī)的性能誤差分析如表7所示

表7 性能誤差分析表

綜上所述：使用目標(biāo)推算法設(shè)計(jì)永磁無刷電機(jī)準(zhǔn)確度相對(duì)較高，為永磁無刷電機(jī)設(shè)計(jì)提供了參考。

五、結(jié)論

本文將現(xiàn)有的無刷直流電機(jī)作為參考電機(jī)，對(duì)目標(biāo)電機(jī)進(jìn)行了推算和仿真，得到了目標(biāo)電機(jī)的空載和負(fù)載性能，再對(duì)目標(biāo)電機(jī)進(jìn)行了樣機(jī)制造，通過對(duì)樣機(jī)實(shí)測(cè)得到其空載和負(fù)載性能，驗(yàn)證了在永磁無刷電機(jī)實(shí)現(xiàn)系列化和型譜化過程目標(biāo)推算法的重要性和準(zhǔn)確性，從而大大縮短了研發(fā)周期，對(duì)其他永磁無刷電機(jī)的目標(biāo)推算提供了一定的參考。

審核編輯：劉清