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基于電磁場的無刷直流電動機轉子結構優化

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.fupoqq9.cn瀏覽數:308

   摘要:利用電磁場有限元法,對目前無刷直流電動機本體普遍采用的表面式結構進行分析,結合電磁場分析結果,提出了改進電機轉子結構的方法,并給出了優化后幾個主要尺寸的實用工程算法。

1引  言

   無刷直流電動機(以下簡稱BLDCM)保持了傳統直流電動機良好的動、靜態調速特性,且結構簡單、運行可靠、易于控制。其應用從最初的軍事裝備,向航空航天、醫療、紡織、信息、家電以及工業自動化領域迅速發展。

   BLDCM一般由電動機本體、電子換向電路和轉子位置檢測電路三部分組成,本文僅就BLDCM的電動機本體進行分析,利用電磁場的計算結果對其結構進行優化。

2電動機本體結構

   無刷直流電動機本體在電磁結構上和有刷直流電動機基本一樣,但它的電樞繞組放在定子上,轉子采用永磁材料;其電樞繞組是三相繞組,與普通的三相交流電動機沒有原則性的區別。其總體結構和三相永磁同步電動機一樣,只是多了一套由霍爾元件組成的轉子位置傳感器(僅對有位置傳感器的BLDCM而言)。

   目前在BLDCM中電動機本體的電磁結構主要有以下幾種(圖中灰色部分為永磁體):

   圖l  BLDCM的磁路結構類型

   圖1中的(1)~(5)是內轉子結構,(6)是外轉子結構,(1)、(2)是表面式結構,在目前的BLDCM中占了絕大多數,其余幾種結構僅在極少數的情況下使用。因此,本文就對目前使用最廣的表面式結構進行電磁場分析,從而給出優化后的結構。

3電磁場分析

   為了準確、直觀地說明BLDCM中表面式結構電機內部的磁場分布情況,本文對圖2所示的已用在某紡織設備上的6極無刷直流電動機進行電磁場分析。無刷電動機的具體主要技術數據如下:額定功率1.5 kW,額定電流5.5 A,鐵心外徑100 mm,鐵心長度115 mm,溫升設計值40 K。

    圖2   6極表面式BLDCM電磁場模型

采用矢量磁位A求解,該電磁場問題可以表示成邊值問題: (1)

式中:γ一磁阻率,γ=1/μ

     μ一磁導率;

     A一磁矢位,因為A只有z軸分量,故可寫成標量形式;

     JZ一源電流密度;

    Г1一第一類邊界條件。

利用此法得出該電機內部磁力線分布圖如圖3所示;其中一個極下的氣隙磁密波形如圖4所示。

 圖3磁力線分布圖   圖4一個極下的氣隙磁密波形圖

4結構優化

通過前面的磁場分析,可以看出該類結構電機的轉子特別是靠近軸的位置處的磁密較小,這也驗證了圓柱形電機普遍存在的轉子鐵心利用率低的問題。

另外,無刷直流電動機通常用在頻繁起動或調速的場合,要求其具有較快的響應時間,為了提高它的響應速度,往往盡量采取措施減少整個系統的轉動慣量。

結合以上兩點,可以對表面式結構的BLDCM的電機轉子結構作進一步的優化改進,在轉子的適當位置上開減輕孔,這樣既減小了系統的轉動慣量,減輕了電機的重量,提高了電機的功率密度,而且還改善了電機的通風冷卻條件。

當然在轉子上開通風孔后,會對電機的其它方面產生影響,特別是對電機磁路的影響,這就需要根據電磁場的分析結果對減輕孔的形狀作很好的優化,使其在不影響電機內部磁場分布的前提下,盡量減輕轉子的重量,亦即盡量增大減輕孔的面積。結合圖3的磁力線分布圖和整個截面的磁密分布狀況,最終得出如圖5所示的類似于“△”形結構的減輕孔。同時,圖5和圖6分別給出了在轉子上加減輕孔后的電機磁力線分布圖和同一個極下的氣隙磁密波形圖。

現在來比較一下圖3和圖5、圖4和圖6的區別。從磁力線分布圖上看,在轉子上開減輕孔后的磁力線分布僅在轉子鐵心內部發生變化(變得更為合理),而在氣隙內和定子鐵心內幾乎沒有變化;通過比較同一個極下的氣隙磁密波形的相關參數值,兩者更是基本完全一樣。這正是利用電磁場分析后,對減輕孔形狀優化后的結果。

 圖5帶減輕孔后的    圖6帶減輕孔后的

  磁力線分布圖    一個極下的磁密波形

在轉子上加上通風孔后,對電機的磁場分布基本沒有影響,而和同一臺上面提出的電機相比,重量輕了14%,亦即提高了電動機的功率密度;繞組溫升在未加通風孔時為38 K(實測值),加通風孔后為32 K(實測值),比未加孔時降低了6 K。值得一提的是通過在轉子永磁體表面粘貼溫度紙發現,在加通風孔前后的溫度值分別為48℃和35℃(測試時室溫12℃),由此可見通風孔的作用是較明顯的,而電動機其它電氣性能的試驗結果由于電機的溫升降低反而比未加減輕孔時稍有提高。

5主要尺寸的確定

利用電磁場的分析結果,給出了減輕孔的“△”形結構后,在實際應用時需要對如圖7所示的幾個主要尺寸a、b、c、d、e進行確定。

 圖7減輕孔的主要尺寸中

嚴格說來,這幾個尺寸b和c需要根據電機內的磁密分布來確定,而a、d和e需要根據機械上的強度要求來確定,但在實際的工程計算時往往不進行復雜繁瑣的電磁場和應力場計算,而是根據對不同大小的電機的經驗,進行滿足工程要求的估算。結合本人的實踐,表1給出了可在實際工程中確定減輕孔主要尺寸的經驗值,以供設計人員參考之用。

   表1減輕孔主要尺寸的經驗值(單位:mm)

6結  語

    利用先進的電磁場計算分析,對目前普遍采用的表面式結構的無刷直流電動機轉子進行優化改進,她即減小了電機的轉動慣量,又改善了電機的通風冷卻條件,從而提高了電動機的性能,具有較好的工程實用價值。

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