無刷直流電機系統(tǒng)場路耦合法設(shè)計實驗研究
年珩，曾嶸，劉姣，王宏勝
(浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州310027)
摘要：針對無刷直流電機的工作特性，在電磁設(shè)計基礎(chǔ)上，提出一種基于場路耦合法的無刷
直流電機系統(tǒng)分析與設(shè)計方法。該方法建立在無刷直流電機電磁場有限元分析模型和電氣控制系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上，即通過電磁場與電氣系統(tǒng)的耦合協(xié)同仿真分析，精確設(shè)計無刷直流電機系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上建立了對應(yīng)的實驗系統(tǒng)。實驗結(jié)果與分析結(jié)果一致，表明該分析設(shè)計方法的正確性和可實現(xiàn)性。
關(guān)鍵詞：無刷直流電機；電磁設(shè)計；場路耦合法；有限元分析；實驗
0引言
實現(xiàn)無刷直流電機系統(tǒng)的精確設(shè)計，除了通過有限元電磁場方法對電機進行電磁優(yōu)化設(shè)計外，還必須在設(shè)計之初考慮控制器與電機的耦合作用，對控制器作用下無刷直流電機系統(tǒng)性能進行預(yù)測。目前對于無刷直流電機系統(tǒng)設(shè)計較多采用電磁場分析[1-3]，以實現(xiàn)電機本體的優(yōu)化設(shè)計，但難以甚至無法實現(xiàn)控制器作用下電機系統(tǒng)的運行性能分析。場路耦合法通過將電機電磁場分析模型和控制系統(tǒng)模型相結(jié)合[4-5]，并采用時步法的準穩(wěn)態(tài)場一路結(jié)合的求解方式，可深入研究無刷直流電機系統(tǒng)各部分間的相互耦合關(guān)系和耦合因素，因而為無刷直流電機系統(tǒng)的準確設(shè)計與性能分析提供了有效的手段。本文針對風(fēng)機用無刷直流電機系統(tǒng)，首先通過電磁場分析完成電機本體的優(yōu)化設(shè)計，進而建立了包括電機電磁場有限元分析模型
和控制系統(tǒng)仿真模型，利用SirrIplorer+Maxwell 2D進行場路耦合法協(xié)同仿真，準確地預(yù)測了所設(shè)計無刷直流電機系統(tǒng)運行特性。相同條件下實際系統(tǒng)的實驗運行進一步驗證了本設(shè)計方法的正確性。
無刷直流電機電磁優(yōu)化設(shè)計
1．1電機基本參數(shù)
所設(shè)計元刷直流電機性能指標如下。額定功率200 w；****功率250 w；額定電壓12 V；轉(zhuǎn)速范圍1 500 r／min～3 000 r／rin；效率不低于百分之85。
電機主要尺寸可按下式考慮
式中，Dil為定子內(nèi)徑；Lef為定子長度；nN為額定轉(zhuǎn)速；P=(1+2η／3η)PN，為計算功率；PN為額定功率；η為電機效率；αp為極弧系數(shù)；Knm為氣隙磁場波形系數(shù)；kdp為基波繞組系數(shù)；A為線負荷；Bδ為氣隙磁密基波幅值。
為簡化電機結(jié)構(gòu)，降低加工成本，轉(zhuǎn)子永磁體采用面貼式結(jié)構(gòu)。其永磁體厚度hM和寬bM可近似為[6]：
式中，μr為相對回復(fù)磁導(dǎo)率；δ為計算氣隙長度；Br為永磁體剩余磁密；Bδ為氣隙磁密。
經(jīng)過初步計算可得電機基本結(jié)構(gòu)尺寸及繞組參數(shù)如表1所示�？紤]到電機成本的限制，永磁體選用鐵氧體，其剩磁密度為O．38T。同時從降低電機加工成本考慮，定子選用直槽結(jié)構(gòu)。
1．2電機電磁分析
無刷直流電機二維電磁分析模型如圖1所示。圖2為空載運行時無刷直流電機兩維電磁場分析結(jié)果。其中圖(a)為相反電勢波形，為120。電角度的梯形波分布。圖，b)為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周時齒槽轉(zhuǎn)矩波形。由于電機未斜槽，齒槽轉(zhuǎn)矩較大，幅值達到額定轉(zhuǎn)矩的百分之15。圖(c)為空載時氣隙磁密分布。
(a)兩維模型 (b)三維模型
1．3齒槽轉(zhuǎn)矩優(yōu)化分析
對于圖1所示的電機結(jié)構(gòu)，當極對數(shù)、槽數(shù)以及繞組參數(shù)確定后，齒槽轉(zhuǎn)矩大小主要與槽開口大小有關(guān)。圖口(b)所示為槽開口5mm的齒槽轉(zhuǎn)矩波形。圖3(a)和(b)分別為槽開口4 mm和3mm的齒槽轉(zhuǎn)矩波形。其幅值分別為0.05 N·m和O．03 N·m。進一步電磁分析發(fā)現(xiàn)，隨著槽開口尺寸的減小，齒槽轉(zhuǎn)矩進一步減小，最后趨近于O.02 N·m。實際中可根據(jù)此規(guī)律并綜合考慮電機運行環(huán)境要求和加工工藝，選擇合適的槽開口尺寸。本文所設(shè)計樣機選擇槽開口為3mm。
2無刷直流電機系統(tǒng)場路耦合法分析
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