永磁直流无刷电机的结构优化及热设计

理饱与设计

永磁直流无刷电机的结构优化及热设计

康燕琴董岩郑州郑飞特种装备有限公司（451474 ）

Constructional Optimization and Thermal Design of the DC PM Brushless MotorsKANG Yanqin DONG YanZhengzhou Zhengfei Special Equipment Co.,Ltd.

摘 要：设计了一种体积小、重量轻、耐温高且输出 扭矩大的永磁直流无刷电机。设计时，通过合理选择铁 心冲片厚度，降低了电机热负荷；通过优化定子槽口宽 度、磁钢厚度和极弧系数，降低了齿槽转矩，提高了电机 的效率。利用Ansys Maxwell设计电机电磁部分,并联合 Ansys Workbench进行稳态和瞬态温度仿真，证明了该 设计的合理性。关键词：永磁直流无刷电机结构优化齿槽转矩 温度仿真热设计中图分类号：TM313文献标识码：ADOI 编码：10.3969/j.issn.l006-2807.2019.0S.004Abstract: A kind of DC PM brushless motor with features of small size, light weight, anti-high-temperature and great torque output is designed. Reasonable thickness of core sheets is selected to decrease heat load of the motor; notch width of stator slot, thickness of magnets and polar arc coefficient are optimized to reduce the cogging torque and increase the motor efficiency. Ansys Maxwell is utilized to perform the electromagnetic design of the motor while Ansys Workbench is combined to perform both the dynam・ ic and transient temperature simulation. Rationality of the design is proved.Keywords: DC PM brushless motor constructional optimization cogging torque temperature simulation thermal design界广泛应用。但是，对于有刷直流电机而言.由于 存在电刷/换向器的机械接触结构，因此造价较 高，且存在换向火花、电磁干扰、寿命短和可靠 性不高等问题，从而限制了其使用范围。无刷电机相对于有刷电机，具有无电刷、低 干扰、噪音低、运行顺畅、寿命长和维护成本低 的优点。

1计算模型

设计了一种永磁直流无刷电机，转速为 2 800 r/min,功率为14.5 kW,短时工作制，自然 冷却。由于采用方波控制，电机设计为48槽16极 结构，电机基本频率设计为373 Hzo利用Ansys Maxwell仿真软件建立电机模型，设计电机电磁 参数，并进行仿真计算。因电机沿周向分布具有周期性，因此.只对 模型的1/16进行仿真。细化模型的网格剖分，特 别是气隙处的网格剖分，进行分层细分，以保证 电磁仿真的准确性，图1为电机模型。

众所周知，交流永磁同步电机具有良好的运 行性能，但其启动性能差；交流感应电动机具有 结构简单和运行可靠的特点，但其调节性能差； 直流电机因其良好的调节性能和启动性能被业《电机技术》2019年第5期

17-理论与设计

2 冲片选择

在高频、高磁密条件下，电机的铁耗比较 大，现在选用三种常用的硅钢片材料DW310-35. DW315-50和DW465-50进行定、转子铁耗仿真分 析。在给定电压270 VDC和频率为373 Hz时，电 机铁心损耗曲线如图2所示。33.5槽口宽度/mm图3齿槽转矩•槽口宽度变化曲线

Mw»3gm£

图2铁心损耗曲线93.06%93.055%

图4效率-槽口宽度变化曲线

由图2可知，电机铁耗随着时间的增加，由 少到多，逐渐趋于稳定。DW310-35硅钢片较 DW315-50损耗低，大约为0.35 kW, DW365-50硅 钢片的铁耗最高，约为0.55 kWo但因考虑到电机 在高频下工作，故选用DW315-35硅钢片。

3 结构优化设计

齿槽转矩是永磁电机绕组不通电时，永磁体 和定子铁心相互作用产生的转矩，是永磁体与电 枢齿间相互作用力的齿向分量的波动引起的。这 种转矩会导致电机转矩波动，引起振动和噪声， 影响系统的控制精度，降低电机效率和使用寿 命。现通过优化电机结构来降低电机齿槽转矩、 提高效率并减少发热量。3.1定子槽口宽度优化定子槽口宽度大小对齿槽转矩影响较大，现 将槽口宽度从2.5 mm改到4.5 mm,分析其齿槽 转矩和效率变化，结果如图3和图4所示。由图3和图4可以看出，齿槽转矩随着槽口宽 度的增加而增加，效率随着槽口宽度的增加而降 低。考虑到嵌线工艺的合理性，选择槽口宽度为 3.5 mm。3.2磁钢厚度优化电机磁钢厚度直接影响电机的扭矩和效 率，磁钢材料选用侈钻磁钢，耐温300 °C,其负温 度系数为-0.03/C。厚度变化曲线如图5和图6所

mN、按姝«农 O 示

--3 4 5 6 7 8 9磁钢厚度/mm图5齿槽转矩-磁钢厚度变化曲线

图6效率-磁钢厚度变化曲线

由图5和图6可知，齿槽转矩随磁钢厚度的增 加而增加，电机效率随磁钢厚度的增加先增加后 减少。在磁钢厚度为5.5 mm时，电机效率最高。•18- 2019年第5期《电机技术

》理论与设计

定子绕组3.3极弧系数优化极弧系数是指每极磁钢所跨的弧长占极距 的比例，它直接影响励磁磁势分布曲线的形状、 空气气隙的均匀程度和磁路饱和程度。极弧系数 变化曲线如图7和图8所示。图9电机温度场计算模型

图7齿槽转矩-极弧系数变化曲线

极弧系数图8效率■极弧系数变化曲线

由图7和图8可知，齿槽转矩随着极弧系数的 增加而增加，在0.66时最低，约为0.54 N m。电 机效率则随着极弧系数的增加先增加后减少，在 0.72时最高，约为93.04%。

4 电机热设计及温度仿真

该电机为自然冷却，短时工作制。为了加快 电机散热，电机壳体和法兰均采用优质铝合金， 壳体带有散热筋。转子铁心觇部为合金钢，采用 工字型结构。铁心辘部与轴接触处采用薄璧结 构，内开通风孔。在保证电机机械强度条件下， 力求最大的通风量和散热速度。4.1边界条件和散热系数的计算利用Ansys Workbench软件对电机在额定载 荷及环境温度为22 °C时，进行稳态温度仿真，计 算模型如图9所示。4.1.1假设条件在温度场数值计算时，采取了以下假设条 件：(1) 将铁心和空气间的对流传热，分为壳体 与外界空气的自然对流换热和定子铁心端面与 端部空气的强迫对流换热；(2) 端部绕组与端部空气间为强迫对流换 热；(3) 在定子槽内分别建立槽绝缘和绕组模 型，根据槽满率、浸漆和导线导热系数，把槽内 的绕组和绝缘等效为定子槽内一种材料的导热 模型，并计算其等效导热系数；(4) 热源为额定运行时定子铁耗和绕组铜 耗，分别为545 W和191 W；(5) 转子为中空结构，与外部支撑轴连接， 将转子内表面设置为恒定温度。4.1.2边界条件的设置在计算时，数值边界条件设置如下：(1) 环境温度和转子铁心端面温度均取 22 °C。(2) 机壳表面散热量如与气流速度Sir和机 壳温度“的关系为：

由于电机采取自然冷却方式，Vair=0,取八= 75 °C,机壳表面散热量e=24.248 W/(m2-K) o(3)转子铁心与气隙接触端面的散热量与 表面气流速度有关，而端部气流速度受转子线 速度叭影响，可认为:兀DTnT

0(2=15+6.电机转速为2 800 r/min,转子铁心外径为226.4 mm,因此转子铁心与气隙端面的散热量《电机技术》2019年第5期

19.理论与设计

«2=90.42 W/(m2-K)o(4) 端部绕组的表面散热量计算公式为： 如=15.5><[1+ (0.4ajr)°-9]=174.32 W/(m2-K)(5) 气隙内空气由于转子高速旋转,在气隙 内产生了明显的对流换热作用，忽略齿槽效应， 假设定、转子表面光滑，则气隙内空气的Reyn- olds数可认为：7?e=G7ro/D=4 034.82其中：<7----气隙长度1.8 mm；v——空气动力粘度1.5XW5 N-s/m2o用以分界气隙空气的湍、紊流状态，计算临 界 Reynolds 数：Re(；r=41.2JZ)s/2<7 =329.32 其中：Ds——定子内径230 mm。故Re>Recr因此，气隙空气为紊流状态，此时电机的气 隙等效导热量计算公式为：21=0.001 9产908 4屁0.461 4ln (3336 hj)=0.192 8 W/(m-K)其中：r)=Ds/DIO(6) 槽的等效导热量为：(7)环境温度和转子铁心与气隙端面温度 均取22 °C。4.2温度场的仿真在环境温度22 °CT.电机整体及零部件稳态 温度分布云图如图10和图11所示。

图10电机稳态温度分布云图

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(a)冗体温度分布

其中：S21、S22——分别为电磁线和槽绝缘部分的 面积；S——槽面积；&21、久22——分别为电磁线导热量和槽绝缘 部分导热量的中间值。因久22,故久2=兀■久22根据电机绕组槽满率及浸漆工艺

其中：忍k=l-忍m——槽空率；kcm---槽满率；kjq—浸漆系数，无溶剂漆取0.85。所以，槽部导热量为等效导热量，计算公式为: 2(b)定子铁心温度分布

(c)定子绕组温度分布•20. 2019年第5期《电机技术

》理论与设计

度最高处分别为磁钢与气隙交界处、转子铁心与 磁钢结合中心处和电机轴中心处。由于电机绕组部分温度最高，在电机运行至 4 000 s后,需对电机绕组进行瞬态温度仿真，其 在常温下的瞬态温度曲线如图12所示。

(d)磁钢温度分布

(e)转子铁心温度分布

(f)轴温度分布图II电机零部件温度稳态分布云图

由图10可知，在电机稳态运行时，电机最高 温度出现在绕组上，约为140 °C。由图11心)~图11 (c)可知，电机壳体温度约 为51.8 °C,壳体内部温度为最高；定子铁心温度 约为52.2 °C,定子觇部处温度最高；定子绕组中 心温度最高，约为140.2 °C0由于电机选用C级绝 缘，耐温等级为200 °C,能满足设计要求。由图11(e)〜图11(f)可知，电机磁钢、转子 铁心和轴温度基本一致，大约为23.2 °C0三个温图12电机绕组瞬态温度曲线

由图12可知，电机运行4 000 s时，此时电机 绕组温度趋于稳定，大约为138.4 9。故该电机在 常温下也能满足连续工作制的要求。

5 结语

通过计算电机损耗，选择合理的冲片，降低 电机发热量。以电机效率最大和齿槽转矩最小 为优化目标，在考虑了电机制造工艺的合理性的 情况下，选择电机最佳槽口尺寸、磁钢厚度和极 弧系数。通过温度仿真，选择合适的漆包线及磁 钢，从而满足电机的力能指标及工作制需求。参 考 文 献[1] 叶金虎.现代无刷直流永磁电动机的原理和设计[M].北京：科 学出版社，2007.[2] 王秀和等.永磁电动机[M].北京：中国电力出版社.2007.[3] 魏永田.孟大伟，温嘉斌.电机内热交换[M].北京：机械工业 出版社，199&[4] 吴尧辉.小型电机绕组导热系数的研究[J].微电机，2015.48(4)： 26-29.(收稿日期：2019-06-22)作者简介：康燕琴，女，1982年2月生，研究生，控制理论与控制工程 专业，工程师，现从事新电机开发与设计工作。