无刷直流电机系统场路耦合法设计实验研究

年珩，曾嵘，刘姣，王宏胜

  (浙江大学电气工程学院，杭州310027)

摘要：针对无刷直流电机的工作特性，在电磁设计基础上，提出一种基于场路耦合法的无刷

直流电机系统分析与设计方法。该方法建立在无刷直流电机电磁场有限元分析模型和电气控制系统模型基础上，即通过电磁场与电气系统的耦合协同仿真分析，精确设计无刷直流电机系统。在此基础上建立了对应的实验系统。实验结果与分析结果一致，表明该分析设计方法的正确性和可实现性。

关键词：无刷直流电机；电磁设计；场路耦合法；有限元分析；实验

0引言

    实现无刷直流电机系统的精确设计，除了通过有限元电磁场方法对电机进行电磁优化设计外，还必须在设计之初考虑控制器与电机的耦合作用，对控制器作用下无刷直流电机系统性能进行预测。目前对于无刷直流电机系统设计较多采用电磁场分析^[1-3]，以实现电机本体的优化设计，但难以甚至无法实现控制器作用下电机系统的运行性能分析。场路耦合法通过将电机电磁场分析模型和控制系统模型相结合^[4-5]，并采用时步法的准稳态场一路结合的求解方式，可深入研究无刷直流电机系统各部分间的相互耦合关系和耦合因素，因而为无刷直流电机系统的准确设计与性能分析提供了有效的手段。本文针对风机用无刷直流电机系统，首先通过电磁场分析完成电机本体的优化设计，进而建立了包括电机电磁场有限元分析模型

和控制系统仿真模型，利用SirrIplorer+Maxwell 2D进行场路耦合法协同仿真，准确地预测了所设计无刷直流电机系统运行特性。相同条件下实际系统的实验运行进一步验证了本设计方法的正确性。

无刷直流电机电磁优化设计

1．1电机基本参数

  所设计元刷直流电机性能指标如下。额定功率200 w；****功率250 w；额定电压12 V；转速范围1 500 r／min～3 000 r／rin；效率不低于百分之85。

  电机主要尺寸可按下式考虑

式中，D_il为定子内径；L_ef为定子长度；nN为额定转速；P=(1+2η／3η)P_N，为计算功率；P_N为额定功率；η为电机效率；α_p为极弧系数；K_nm为气隙磁场波形系数；k_dp为基波绕组系数；A为线负荷；B_δ为气隙磁密基波幅值。

    为简化电机结构，降低加工成本，转子永磁体采用面贴式结构。其永磁体厚度h_M和宽b_M可近似为^[6]：

式中，μr为相对回复磁导率；δ为计算气隙长度；Br为永磁体剩余磁密；Bδ为气隙磁密。

  经过初步计算可得电机基本结构尺寸及绕组参数如表1所示。考虑到电机成本的限制，永磁体选用铁氧体，其剩磁密度为O．38T。同时从降低电机加工成本考虑，定子选用直槽结构。

1．2电机电磁分析

    无刷直流电机二维电磁分析模型如图1所示。图2为空载运行时无刷直流电机两维电磁场分析结果。其中图(a)为相反电势波形，为120^。电角度的梯形波分布。图，b)为转子旋转一周时齿槽转矩波形。由于电机未斜槽，齿槽转矩较大，幅值达到额定转矩的百分之15。图(c)为空载时气隙磁密分布。

(a)两维模型    (b)三维模型

1．3齿槽转矩优化分析

    对于图1所示的电机结构，当极对数、槽数以及绕组参数确定后，齿槽转矩大小主要与槽开口大小有关。图口(b)所示为槽开口5mm的齿槽转矩波形。图3(a)和(b)分别为槽开口4 mm和3mm的齿槽转矩波形。其幅值分别为0.05 N·m和O．03 N·m。进一步电磁分析发现，随着槽开口尺寸的减小，齿槽转矩进一步减小，最后趋近于O.02 N·m。实际中可根据此规律并综合考虑电机运行环境要求和加工工艺，选择合适的槽开口尺寸。本文所设计样机选择槽开口为3mm。

    2无刷直流电机系统场路耦合法分析

&nbs