永磁直流电机电磁设计算例

第４９卷　２０１６正　第７期　７月　徽＇ｌ｝机　ＭＩＣＲ０ＭＯＴＯＲＳ　Ｖｏ１．４９．Ｎｏ．７　Ｊｕ１．２０１６　

风机用永磁无刷直流电机的设计与电磁分析　

时方敏　，张卫　，刘兴中　

（１．贵州大学机械工程学院，贵阳５５００８１；２．贵州航天林泉电机有限公司国家精密微特电机　工程中心，贵阳５５００８１）　

摘要：采用基于Ａｎｓｙｓ软件中的ＲＭｘｐｒｔ模块，对风机用永磁无刷直流电机的模型进行初步电磁设计，确定电机各　部分的尺寸及相关参数。然后将其转化成Ｍａｘｗｅｌｌ　２Ｄ模型，利用电磁场有限元分析法对电机空载时的相关特性进行　仿真与分析。最后对样机实验测试，将得到的实验数据与仿真结果进行对比，分析各项性能指标，进而验证仿真模　型和分析的可行性和准确性。　关键词：无刷直流电机；Ａｎｓｏｆｔ；电机设计；电磁分析　中图分类号：ＴＭ３６＋１　文献标志码：Ａ　文章编号：１００１—６８４８（２０１６）０７—００２８－０４　

Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ　Ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ　

ＤＣ　Ｍｏｔｏｒ　Ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　Ｆａｎ　

ＳＨＩ　Ｆａｎｇｍｉｎ　，ＺＨＡＮＧ　Ｗｅｉ　，ＬＩＵ　Ｘｉｎｇｚｈｏｎｇ　（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｇｕｉｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕｉｙａｎｇ　５５００８　１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　

Ｍｉｃｒｏ—ｍｏｔｏｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｅｎｔｅｒ，Ｇｕｉｙａｎｇ　５５００８　１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ　ｔｈｅ　ｓｉｚｅ　ａｎｄ　ｒｅｌａｔｉｖｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｅａｃｈ　ｐａｒｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｔｏｒ，ｆｉｒｓｔｌｙ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ　ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ　ＤＣ　ｍｏｔｏｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ＲＭｘｐｒｔ　ｍｏｄｕｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　

永磁直流電機設計

1.電機主要尺寸與功率,轉速的關系:

與異步電機相似,直流電機的功率,轉速之間的關系是:

D22*Lg=6.1*108*p’/(P*A*Bg*Ky*n) (1)

D2 電樞直徑(cm) 電机初設計時的主要尺寸

Lg 電樞計算長度(cm) 根據電机功率和實際需要確定

p’ 計算功率(w) p’=E*Ia=(1+2η)*PN/3η

E=Ce*Φ*n*Ky=(P*N/60*a)*Φ2*n*Ky*10-8

Ce 電勢系數

a 支路數 在小功率電機中取a=2

p 极數 在小功率電機中取p=2

N 電樞總導体數

n 電机額定轉速

Ky 電樞繞組短矩系數 小功率永磁電机p=2時,采用單疊繞組Ky=Sin[(y1/τ)*π/2] y1繞組第一節矩

P 極弧系數 一般取P=0.6~0.75 正弦分布時P=0.637

Φ 每極磁通 Φ=P*τ*Lg*Bg

τ 極矩(cm) τ=π*D2/P

Bg 氣隙磁密(Gs) 又稱磁負荷 對鋁鎳Bg=(0.5~0.7) Br 對鐵氧体Bg=(0.7~0.85) Br,

Br為剩磁密度

A 電樞線負荷 A=Ia*N/(a*π*D2)Ia電樞額定電流 對連續運行的永磁電動机,一般取A=(30~80)A/cm另外電機負荷Δ= Ia/(a*Sd),其中Sd=π*d2/4 d為導線直徑.為了保証發熱因子A*Δ≦1400 (A/cm*A/mm2 )通常以電樞直徑D2和電樞外徑La作為電机主要尺寸,而把電動機的輸出功率和轉睦為電机的主要性能,在主要尺寸和主要性能的基礎上,我們就可以設計電機了.

在(1)式的基礎上 經過變換可為: D22*Lg*n/P’=(6.1*108/π2)*1/(P*Bg*A)=CA

由上式可以看, CA的值並不取決於電機的容量和轉速,也不直接與電樞直徑和長度有關,它僅取決於氣隙的平均磁密及電樞線負荷,而Bg和A的變化很小,它近似為常數,通常稱為電機常數,它的導數KA=1/CA=(p’/n)/(D22* Lg)∞P*Bg*A 稱為電機利用系數,它是正比於單位電樞有效体積產生的電磁轉矩的一個比例常數.

小型永磁直流电机设计（部分）

Ap1008331谢志恒

1.电机主要尺寸与功率,转速的关系:

与异步电机相似,直流电机的功率,转速之间的关系是:

D22*Lg=6.1*108*p’/(P*A*Bg*Ky*n) (1)

D2 电枢直径(cm) 电机初设计时的主要尺寸

Lg 电枢计算长度(cm) 根据电机功率和实际需要确定

p’ 计算功率(w) p’=E*Ia=(1+2η)*PN/3η

E=Ce*Φ*n*Ky=(P*N/60*a)*Φ2*n*Ky*10-8

Ce 电势系数

a 支路数 在小功率电机中取a=2

p 极数 在小功率电机中取p=2

N 电枢总导体数

n 电机额定转速

Ky 电枢绕组短矩系数 小功率永磁电机p=2时,采用单叠绕组Ky=Sin[(y1/τ)*π/2]

y1绕组第一节矩

P 极弧系数 一般取P=0.6~0.75 正弦分布時P=0.637

Φ 每极磁通 Φ=P*τ*Lg*Bg

τ 极矩(cm) τ=π*D2/P

Bg气隙磁密(Gs) 又称磁负荷，对铝镍Bg=(0.5~0.7) Br，对铁氧体Bg=(0.7~0.85) Br, Br为剩磁密度

A 电枢线负荷A=Ia*N/(a*π*D2)Ia电枢额定电流 对连续运行的永磁电动机,一般取A=(30~80)A/cm另外电机负荷Δ= Ia/(a*Sd),其中Sd=π*d2/4，d为导线直径。为了保证发热因子A*Δ≦1400 (A/cm*A/mm2 )通常以电枢直径D2和电枢外径La作为电机主要尺寸,而把电动机的输出功率和转速为电机的主要性能,在主要尺寸和主要性能的基础上,我们就可以设计电机了。 在(1)式的基础上 经过变换可为:

D22*Lg*n/P’=(6.1*108/π2)*1/(P*Bg*A)=CA

由上式可以看, CA的值并不取决於电机的容量和转速,也不直接与电枢直径和长度有关,它仅取决於气隙的平均磁密及电枢线负荷,而Bg和A的变化很小,它近似为常数,通常称为电机常数,它的导数KA=1/CA=(p’/n)/(D22* Lg)∞P*Bg*A 称为电机利用系数,它是正比於单位电枢有效体积产生的电磁转矩的一个比例常数。

手工输入公式计算，不可改．关键判定，提示说明．数据引用序号名称符号或算式单位一额定数据1额定功率PNW

2额定电压UNV

额定转速n Nrpm

额定电流INA

额定转矩TN=9.549*PN/nNN.m

起动转矩倍数TstN

二主要尺寸及永磁体尺寸选择额定效率ηN =PN/(UN*IN*COSØ)*100%

计算功率P'=((1+2η/100)/(3ηN/100))*PNW

感应电势E'a=((1+(2ηN/100))/3)*UNV极对数p永磁材料类型预计永磁体工作温度t℃永磁体剩磁密度Bt20T

工作时永磁体剩磁密度Br =(1-(t-20)*αBr/100)*(1-IL/100)*Bt20T

剩磁温度系数αBr%K-1剩磁温度不可逆损失率IL%永磁体计算矫顽力Hc20KA/M

工作时永磁体计算矫顽力Hc=(1-(t-20)*αBr/100)*(1-IL/100)*Hc20KA/M

永磁体相对回复磁导率μr=Br/(μ0*Hc)/1000

真空磁导率μ0=4*PI*10-7

工作温度下退磁曲线的拐点bk电枢铁心材料铁芯叠加系数KFe电负荷预估值A'A/cm气隙磁密预估值B'δ=(0.60-0.85)Br =0.8BrT永磁直流电机电磁计算程序和算例:计算极弧系数αi=0.6-0.75长径比预估值λ=0.6-1.5电枢直径Da=(6.1*P'*104/α'*A'*B'δ*nN*λ)1/3cm电枢直径圆整cm电枢长度La=λDacm电枢长度圆整cm极距τ=PI*Da/(2p)cm气隙长度δcm永磁体结构型式极弧系数αP, αP=αI磁瓦圆心角θP, θP=αP*180(°)

永磁体厚度hM永磁体轴向长度LM, LM=LacmLM, LM=(1.1-1.2)Lacm

电枢计算长度Lef,Lef=La+2δcmLef,Lef=La+△L'a(hM+δ)cm△L'a=(0.45-0.5)((LM-La)/(hM+δ))永磁体内径Dmi=Da+2δcm永磁体外径Dmo=Dmi+2hMcm