稀土永磁直流无刷电机设计研究

5
损耗和效率
得永磁电机的气隙系数：
Kδ =
直流无刷电机的损耗包括电枢铜耗、电枢铁耗、 轴承摩擦损耗、风损、开关损耗等。各种损耗具体 的经验公式参考同步电动机或直流电机。
δi h = Kδ m + ( Kδ m − 1) M δ δ
6
结束语
4
空、负载工作点计算
在计算稀土永磁直流无刷电机的空载点时，利
通过采用磁路计算与磁场分析结合的办法，使 稀土永磁直流无刷电机的设计的效率和准确性得到 了统一。
式中： b0 ――槽口宽度； t ――沿电枢圆周的齿距 由此得出计算气隙长度： δ i = Kδ m (δ + hM ) − hM
= Kδ mδ + ( Kδ m − 1)hM
上述是线性等效磁路时的情况，考虑磁路饱和 时，空载、额定和最大去磁时的磁导随饱和程度不 同而变化较大，而且Φ m 和λ n 又相互制约，因此利 用迭代法进行求解。 (如图 9) 在负载点的求解中，先假设一速度 n′ ，利用空 载迭代求出的磁通计算出电流和反电动势，然后计 算电机的总的损耗得出输出功率。将输出功率与额 定功率进行比较，如果相差很大，重新假设速度值 进行迭代。具体步骤如图 10。
在磁路计算中的四个主要系数是：空载漏磁系 数、电枢计算长度、计算极弧系数和气隙系数。一 般情况下，这些参数都是使用经验公式或经验数值 进行计算的。由于稀土永磁直流无刷电机的特殊结 构和原理，使得结果的准确度不高。如果采用磁场 分析计算对电机性能影响较大的参数，则可以提高 设计结果的准确度。下面是各个参数的具体计算过 程。 3.1 空载漏磁系数 空载漏磁系数是影响电机的工作点特性最显著 的参数，它与电机的极距，气隙长度，及永磁体等 有关。 因此我们采用有限元软件 ANSYS 对其进行分 析。 稀土永磁直流无刷方波电机的漏磁包括端部漏 磁和极间漏磁。其端部漏磁场的求解区域（图 1）和 磁场分布 (图 2)如下：
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假设转速n’
开始
' 假设Bm 0的值
E=
Ia =
2 PΦ 0 nWΦ
'
15α i (U n − 2∆U − E )
2R
Φδ 0 =
' Bm 0 Am
σ0
计算 σ 0 和 Λδ
计算电机损耗P’
Λn = σ 0Λδ
Pout = I aU n − P '
修改n’
Bm0 =
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图1
端部漏磁求解区域
图6 图2 端部漏磁磁场分布
极间漏磁最多时的磁场分布
通过磁场计算，可以得到场中 E F G H 各点的 磁矢位值，端部漏磁系数为：
通过磁场计算，可以得到场中 E F G H 各点的 磁矢位值，则极间漏磁系数为：
σ
端部
=
AE − AF AG − AH
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σ 0 = K( σ
＋σ
图3
极间漏磁最少时的求解区域
图4
极间漏磁最少时的磁场分布
∆La = Lef − La =
AG − AH La − La ] AI − AJ
图5
极间漏磁最多时的求解区域
因此，电枢计算长度为： Lef = La + ∆La 3.3 计算极弧系数 极弧系数为计算极弧宽度与极距的比值，也可 以定义为气隙平均磁通密度与最大。 磁通密度的比值。在 ANSYS 后处理器中，定义 一个极下气隙路径，可以得到这个路径上的各个节 点的磁通密度，如图 7。从而容易得到气隙磁通平均 值与最大值。
极间 － 1) k 为修正系数。 3.2 电枢计算长度 电枢计算长度是考虑电机气隙磁场的端部效 应。 如果所采用永磁体的轴向长度 Lm 与电枢长度 La 相等，由于电枢铁心轴向长度远大于气隙长度，气 隙磁场向端部扩散的影响很小，所以电枢计算长度 可以近似取： Lef = La + 2δ 。 有时为了充分利用材料，磁极两端轴相向长度 Lm 常比电枢铁心长。此时就必须通过求解端部磁场 来计及这部分端部效应。其模型与空载漏磁系数的 端部漏磁模型相同。通过 ANSYS 计算后，可分别求 出 G、 H、 I 、 J 的磁矢位值，则电枢计算长度增量 为： 端部
参考文献
[1] [2] 李钟明 .稀土永磁电机 . 北京：国防工业出版社，1999 李琛 . 无刷直流电动机原理及应用 . 北京 : 机械工业出 版社 ,1996
新闻与动态
宝信软件、GE FANUC 举行合作签约仪式
2006 年 7 月 3 日，上海宝信软件股份有限公司（简称 宝信软件）和 GE FANUC 公司在宝信软件总部举办了宝信软 件-GE FANUC 合作签约仪式，宝信软件公司总经理王力和 GE FANUC 公司大中国区总经理黄家裕分别代表宝信软件和 GE FANUC 签署了合作协议。 宝信软件是宝钢股份控股的上市软件企业， 已具备信息 技术与现代管理技术相结合、 项目规划咨询和工程实施相结 合、 软件构件化和定制化设计相结合的能力， 拥有构建最佳 性价比的网络技术、 提供决策平台系统的软件技术、 解决信 息孤岛问题的集成技术和为用户提供专业服务的支持技术 等， 在企业信息化、 过程自动化和城市信息化等领域占有领 先优势。 GE FANUC 由美国通用电气公司和日本 Fanuc 公司合资组 建，提供自动化硬件和软件解决方案。公司是 GE 基础设施 业务集团的一部分，其亚太公司业务遍包括中国、韩国、日 本、东南亚，西亚和大洋洲等多个地区。 本次双方主要进行 OEM iFIX 的项目合作，由宝信软件 自主研发的监控一体化指挥平台（iCentroView） ，是宝信软 件近几年重点推广的产品，它是集信息采集、监视、控制、 指挥为一体的软件平台，已经在交通、公安、市政、矿业等 行业成功应用。为使该产品更具市场竞争力，宝信软件与 GE Fanuc 公司合作，将 GE Fanuc 全球领先的自动化监控组态软 件（iFIX）整合进宝信的 iCentroView 产品。
Br Λn Λn + Λ0
P out − P n >ε
Y
' Bm0 − Bm 0 <ε?
N
输出结果
结束
图 9 空载点的迭代过程
图 10 负载工作点性能计算迭代过程 [3] [2] 张宏林 .Visual Basic 编程实例 . 北京 : 人民邮电出版 社 ,1999 唐任远 . 现代永磁电机理论与设计 社 ， 2002； 8 机械工业出版
σ
端部
=
AA − AB AC − AD
极间漏磁随定转子相对位置的不同而有所差 异，在定子齿对准极间时漏磁最多，而槽口对准极 间时，极间漏磁最少，因此应该取上述两个位置的 漏磁系数的平均值，其两种位置的求解区域和磁场 分布分别如图 3～图 6：
平均极间漏磁系数为： σ av = σ max + σ min 所以稀土永磁直流无刷方波电机的空载漏磁系 数为
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稀土永磁直流无刷电机设计研究
陈 颖 黄守道 张铁军
长沙 410082） （湖南大学电气与信息工程学院
摘要 本文讨论了磁路计算和磁场有限元分析相结合的方法在稀土永磁直流无刷电机设计中 的具体应用，提高了稀土永磁直流无刷电机设计的准确度。提出了电机中重要参数的有限元求解方 法，并给出了有限元分析的结果。 关键词： ANSYS 漏磁系数 极弧系数
Φm
图7 气隙磁场分布结果
气隙系数 在电机的磁路计算中，计算气隙磁位差，为了 考虑因电机开槽而是气隙磁阻增加的影响，引入了 气隙系数 Kδ 。 它是计算气隙长度 δ i 与实际气隙长度 δ 的比值，也是实际的气隙最大磁通密度 Bδ max 与计 算时采用的气隙最大磁通密度 Bδ 的比值： δ B Kδ = i = δ max δ Bδ 由于永磁材料的磁导率接近与空气的磁导率， 永磁体内阻很大，永磁磁极与气隙的交界面不再是 等位面，理论分析表明，计算永磁电机的气隙系数 可以沿用电励磁电机的公式，但需要把永磁体磁化 方向长度 hM 也当作气隙，它与气隙长度 δ 之和作为 总气隙长度。此时槽宽缩减因子为：
b0 hM + δ ⎫ ⎧ ⎪arctg 0.5( h + δ ) − ( b ) ⎪ 0 M 2⎪ ⎪ σs = ⎨ ⎬ π ⎪ ⎡ 1 b0 2 ⎤ ⎪ ) ⎥ In ⎢1 + ( ⎪ ⎣ 4 hM + δ ⎦ ⎪ ⎩ ⎭
3.4
Φr
Φ0 Λ0
Φσ Λσ
Φδ
Λδ
图 8 等效磁路图
外磁路的有关参数可表示为：
Design Researches on Rare-Earth Permanent Magnetic Brushless DC Motors
Chen Ying Huang Shoudao Zhang Tiejun （College of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsha, 410082）
1
前言
稀土永磁直流无刷电机由于其结构简单、运行 可靠、效率高等诸多特点在近年来逐渐应用于各个 领域，特别是在有重量和性能的特殊要求的场合。 本文主要对稀土永磁直流无刷电机的本体设计过程 进行了分析，利用有限元分析软件 ANSYS 计算了 其中对电机运行性能具有较大影响的参数，提高了 磁路计算中精确度。
Abstract This paper discusses a design method base on the combination of magnetic path calculation with magnetic field numerical analysis for rare-earth permanent magnetic brushless DC motors, which has promoted veracity of the design. The filed numerical analysis method of import parameters is presented, and the result of ANSYS is given also. Keywords： ANSYS， Magnetic-leakage coefficient， Polar arc coefficient 般取 0.5～ 0.75b0。
Φ m 0 ( Λσ + Λ δ ) Φ r σ 0 Λ δ Φ r = = Fm 0 Λ 0 Fc Λ 0 Fc
联立求解
Φ m0 Λn B = = m0 Br Φr Λ n +Λ 0 Fm 0 Λ0 H = = m0 Fc Hc Λn + Λ0
则总气隙系数为：
Kδ = Bδ max t = Bδ t − σ s b0
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主要系数的计算
2
主要尺寸的确定
稀土永磁直流无刷电机的主要尺寸可以根据以 下式子确定： 6.1P ′ Di1 = 3 α i ABδ λ nN 主要尺寸与工作点的线负荷、气隙磁密有关。 其中线负荷根据其运行方式和散热条件来确定，如 果为短时运行或有特殊散热条件，可取大值，否则 将要适当的取小。 气隙磁密则根据所选永磁体材料， 磁钢的放置等条件来取值，如果是钕铁硼材料，一
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用解析磁路法，将永磁体等效为一个恒磁通源Ф r 与 一个恒定内磁导Λ 0 相并联的磁通源，外磁路所提 供的总磁通Ф m 分为与电枢绕组匝链的主磁通和不 与电枢绕组匝链的漏磁通，其对应的磁导为主磁导 Λ δ 和漏磁导Λ 0 （如图 8） 。电机负载运行时，在 一个磁状态内，一半增磁一半去磁，即可以不考虑 电枢磁势的影响 ， 将视为与空载相同。退磁曲线为 Φ m 0 = Φr − Φr ·ห้องสมุดไป่ตู้m 0 / Fc