目標推算法在永磁無刷電機異形沖片設計中有何應用？

一、寫在文前

在工業(yè)生產(chǎn)和家用電器中，微特電機被廣泛用作控制或驅(qū)動元件，而為了應對用戶對永磁無刷電機性能多變且研發(fā)周期短的要求，需要對無刷電機做系列化、模塊化和型譜化以滿足市場性能多變的電機需求，即不改變電機的定轉(zhuǎn)子沖片主要結(jié)構，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性能指標，這樣設計出來的電機不僅可靠性比較高，而且研發(fā)周期較短，更能迅速對市場做出反應。

目標推算法作為一種重要的思維方法和推算方法，在已有認知的基礎上，進一步認識事物的試探性的判斷方法，在科學研究中應用比較廣泛，推算是以兩個或兩類對象有部分屬性相同的判斷為前提，從而推斷它們在其他屬性方面也具有類似的屬性。這種比較實用的方法應用在電機設計中時，就可以從市面或者公司已有產(chǎn)品的電機型號中選一款作為為參考電機，將參考電機和目標電機有目的地聯(lián)系起來，解決新要求、新指標的電機設計，按照電機目標設計值進行一系列推算過程。

本文將目標推算法應用到永磁無刷電機設計中進行新電機設計，目標電機的推算不是簡單按照比例調(diào)整電機的某個參數(shù)，而是根據(jù)參考電機進行綜合分析后，設計出和參考電機在性能、外形尺寸上完全不同的電機，而且設計過程簡單實用，計算準確度比較高，大大縮短了研發(fā)周期，在一定程度上實現(xiàn)了某類無刷電機的系列化。

二、理論計算推導

對新指標的永磁無刷電機進行目標推算，必須先有一個參考電機以及該電機的相關數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)越多對目標電機的推算越有利，然而在推算過程中不一定會用到參考電機的所有數(shù)據(jù)，在推算時取用的電機參數(shù)越少越好，然后把要推算的目標電機參數(shù)羅列出來，推算出目標電機的目標值。

參考電機和目標電機的外部機械特性是完全不同的，故兩個電機的轉(zhuǎn)矩常數(shù)KT和反電勢常數(shù)KE也發(fā)生了變化，相對應兩個電機的NΦ也不同，然而兩種電機的內(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。若需要設計出目標電機的性能，首先掌握參考電機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、牌號等參數(shù)。

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

圖1(b) 電機異性沖片結(jié)構

表1 參考永磁無刷電機技術參數(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)

參考電機空載點和額定點的機械特性曲線如表3所示。

表3參考電機空載點和額定點的機械特性曲線數(shù)據(jù)

目標電機技術參數(shù)如表4所示。

表4 目標電機技術參數(shù)

推算如下：

（a）計算目標電機相關性能：

（b）計算目標電機的有效匝數(shù)

參考電機和目標電機的轉(zhuǎn)矩常數(shù)比值：

目標電機的匝數(shù)（取68匝）

（c）計算目標電流電流密度

（d）目標電機推算結(jié)果，如表5所示。

表5 目標電機推算結(jié)果

三、仿真驗證對比

3.1參考電機有限元仿真

本節(jié)利用Rmxprt路算和Maxwell 2D場算得到參考電機的空載和負載仿真結(jié)果，驗證實物測試曲線和仿真結(jié)果相近，驗證前面對目標電機的推算過程不會出現(xiàn)偏差。

首先在Rmxprt中建立電機模型，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，需要在maxwell場算中對定子沖片進行建模。

圖2 ?參考電機幾何模型

然后設置電機求解器，對電機進行求解，參考電機機械特性曲線如圖3所示。

圖3 參考電機的機械特性曲線

最后對參考電機進行分析，由圖3和表1分析可知，定轉(zhuǎn)速監(jiān)測轉(zhuǎn)矩，參考電機額定負載下轉(zhuǎn)速為4000rpm，參考電機的實測負載轉(zhuǎn)矩值為0.2479Nm，參考電機的仿真負載轉(zhuǎn)矩為0.2269Nm，實測輸出功率為104.7W，仿真輸出功率為95W，參考電機的額定電流5.88A，仿真額定電流為4.89A，實測效率為63.4%，仿真效率為80.9%，綜上所述，參考電機路算仿真結(jié)果和電機測試結(jié)果基本相近。

對參考電機進行maxwell 2d有限元仿真，對電機幾何模型前處理，更換定子沖片，如圖4所示。

圖4 參考電機幾何模型

首先對參考電機進行額定負載點仿真，檢測參考電機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，如圖xx所示。

圖5 參考電機的額定點轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速

檢測電流變化以及電機內(nèi)部磁密云圖，如圖6和圖7所示。

圖6 三相電流

圖7 額定點磁密云圖

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

其次對參考電機的空載點進行仿真，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 空載點磁密云圖

最后對參考電機的反電勢常數(shù)進行仿真，如圖10所示，空載轉(zhuǎn)速為5200rpm，線反電勢為25V，則通過計算得反電勢常數(shù)為0.0048V/rpm，轉(zhuǎn)矩常數(shù)為0.04584N·m/A。

圖10 線反電勢

綜上所示，參考電機的空載點和負載點與電機實測值基本吻合。

3.2目標電機有限元仿真

小節(jié)2根據(jù)參考電機推算了目標電機的參數(shù)，包括轉(zhuǎn)矩、功率、匝數(shù)和電流等參數(shù)，目標電機的沖片尺寸和參考電機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，磁鋼牌號不變，目標電機的繞組參數(shù)發(fā)生了較大變化，如圖11為目標電機的幾何模型。

圖11 參考電機幾何模型

然后設置電機求解器，對電機進行求解，參考電機機械特性曲線如圖12所示。

圖12 目標電機機械特性曲線

最后對目標電機進行分析，由表4分析可知，定轉(zhuǎn)速監(jiān)測轉(zhuǎn)矩，目標電機額定負載下轉(zhuǎn)速為4000rpm，目標電機的仿真負載轉(zhuǎn)矩為0.634Nm，目標電機的仿真輸出功率為26.5W，仿真額定電流為1.58A，仿真效率為68%，綜上所述，目標電機路算仿真結(jié)果和期望值結(jié)果基本相近。

對目標電機進行maxwell 2d有限元仿真，對電機幾何模型前處理，更換定子沖片，如圖13所示。

圖13 參考電機幾何模型

首先對目標電機進行額定負載點仿真，檢測參考電機的轉(zhuǎn)矩，如圖14所示。

圖14 目標電機的額定點轉(zhuǎn)矩

檢測電流變化以及電機內(nèi)部磁密云圖，如圖15和圖16所示。

圖15 三相電流

圖16 額定點磁密云圖

由圖14可知，目標電機在額定負載0.062Nm下的輸出轉(zhuǎn)速為4014rpm，額定電流1.51A，場算結(jié)果和路算結(jié)果基本相似。

其次對目標電機的空載點進行仿真，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 空載點磁密云圖

最后對目標電機的反電勢常數(shù)進行仿真，如圖19所示，空載轉(zhuǎn)速為5782rpm，線反電勢為23.6V，則通過計算得反電勢常數(shù)為0.00408V/rpm，轉(zhuǎn)矩常數(shù)為0.038964N·m/A。

圖19 線反電勢

綜上所示，目標電機的空載點和負載點與電機期望值基本吻合。

四、目標電機部分測試點

根據(jù)路算和場算仿真參數(shù)制造了樣機

推算法求得的目標電機實測機械特性曲線（部分點），如表6所示。

表6 目標電機實測值

參考電機和目標電機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：使用目標推算法設計永磁無刷電機準確度相對較高，為永磁無刷電機設計提供了參考。

五、結(jié)論

本文將現(xiàn)有的無刷直流電機作為參考電機，對目標電機進行了推算和仿真，得到了目標電機的空載和負載性能，再對目標電機進行了樣機制造，通過對樣機實測得到其空載和負載性能，驗證了在永磁無刷電機實現(xiàn)系列化和型譜化過程目標推算法的重要性和準確性，從而大大縮短了研發(fā)周期，對其他永磁無刷電機的目標推算提供了一定的參考。

審核編輯：劉清