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风机选用三相永磁无刷直流电机设计方案

发布日期: 2018-7-4 16:14:04 浏览次数:587

   节能减排、高效环保已成为当前国内外共同的主题。电机作为用电器或者各种机械的动力源,其应用领域已经无处不在,故电机的节能节电具有结构简单,数据转矩大,调速范围宽、效率高、噪音低、可靠性高、使用寿命长、无滑动接触和换相火花等优点,已日益发展为集特种电机、微处理器、控制软件体的机电一体化高科技产品。三相永磁无刷直流电动机控制电路和生产工艺简单,可靠性好以及噪音低,在航空、航天、家用电器、医疗等行业的风机中获得广泛应用

风机三相永磁无刷直流电机

  近年来,随着三相永磁无刷直流电机应用的电压计功率范围的扩大,在交流供电的风机中应用已经越来越受到人民的关注,为了满足风机的新需求,对三相永磁无刷直流电机的尺寸、齿糟转矩、电磁噪音、运行性等提出了新的要求。因此,合理的点击设计对较高的电压或者较大功率的三相永磁无刷直流电机有着重要的意义,在航空、航天、家用电器、医疗等行业的风机中获得广泛应用



本文以设计的一款10000r/min、300W、4极的三相永磁无刷直流电机为实例,利用Maxwell 2D 建立了这款电机的二维有限公司元仿真模型,给出电机的反电势、气隙磁密喝电磁场的分布情况,分析齿槽转矩、输出转矩,计算空载永磁体磁场谐波等,并在词寄出上试制了样机,完成了有关性能的测试,验证了电磁设计和仿真分析的正确性,为采用三相永磁无刷直流电机进行了节能节电的分析与设计提供一些有意义的参考


1. 三相永磁无刷直流电机的电磁设计

1.1主要技术参数

额定电压:24V

额定转速:10000r/min

额定电流:2.7A

输出转矩:3.9Nm

额定功率:300W

额定效率:70%




1.2电机的主要尺寸确定

电动机的主要尺寸和计算功率、转速、电磁负荷有光

其中,Di为定子内径,L为铁芯长度nN为额定转速,ai为极弧系数,取0.7~0.8;P为计算功率,取P=(1.1~1.2)XPn;K 为气隙磁场的波形系数,为正弦分布时Kφ=1.11;KW为基波绕组 系数,本电磁方案用集中绕组


1.3电机永磁材料的选取

永磁体材质的性能在一定的程度上决定着电机的尺寸和性能,目前,永磁无刷电机的应用上的磁性材质主要是铁氧体和钕铁硼

(1)    铁氧体的矫顽力温度系数为0.27%/K,在允许范围温度越高,矫顽里越高;钕铁硼矫顽力温度系数-(0.4~0.7)%/K,通常最高工作温度为150℃,温度 稳定性能比铁氧体差

(2)    钕铁硼是目前磁性能最强的用词材料,其最大的磁能积为铁氧体永磁材质的5~12倍。因此,在相同的尺寸下能提供更大的气隙磁通和输出转矩。但是目前钕铁硼价格远远高于铁氧铁,同等重量下的钕铁硼价格是铁氧体价格的6~7陪

(3)    对三相永磁无刷直流电机,通过增加磁铁的厚度和供磁面积,可以有效增加气隙磁通。铁氧铁磁负荷教低,以至电机的齿槽转矩和输出转矩波动也较小,能减少噪音。

综合技术要求和材质,本设计选择钕铁硼作为磁性材料

1.4永磁体厚度的选取

永磁体的厚度hm的计算公式如下


式中:Ks为外磁路的饱和系数;Kδ为气隙系数;Bδ为气隙磁密; δ为平均气隙长度;μo为真空磁导率;Hc为内禀矫玩力。

永磁体厚度需综合电力性能与成本,按需要的气隙磁通密度通过磁路计算来选择。磁钢外径≈0.024~0.072时,内转子结构的永磁体内径/外径=0.85~0.9之间最佳

1.5电枢冲片的设计

1.5.1电枢槽书的确定

在永磁无刷直流电机中,采用较多的槽数可减少线圈匝数,也有利于换向,但槽绝缘增加,槽利用率降低,可能造成根部过窄。槽数Q通常按以下经验公司确定,其中Dα为电枢直径:


1.5.2电枢的结构

电机的长径比的选择对电机的性能和经济性有很大的影响。主要因素包括参数、温升、转动惯量、耗铜量和转子机械强度等

短轴长径的电枢结构,比细长性的结构电动机更容易下线,有利于提供生产效率。同时 ,转子的转动惯量较大,能避免因电机的转矩强迫振荡频率与电机的固有频率接近而产生共振,还可以限制负载时功率震动的幅值。因此,本文设计的三相永磁无刷直流电机采用短轴长径的电枢结构。


2. 设计流程

电机设计流程包括主要尺寸的确定、长径比的确定、永磁体的形状选择、轭高和齿宽的计算等。通过对电机的参数计算、校验,最终确定电机各个部分的尺寸

5由以上分析,本文设计的三相永磁直流带你及主要参数如下表

转子结构:外转子

磁钢最大厚度:12mm

磁钢材质:釹鐵硼

定子槽数:6

极对数:4

电枢叠厚:40mm

磁钢类型:面包状

气隙结构:均匀

最大气隙:1mm

最小气隙:0.5mm

定子外径:50mm

转子外径:63mm





利用电磁场有限元分析软件Ansys中的Maxwell 2D建立三相永磁无刷直流的二维有限元模型


4.基于有限元法的分析与计算

4.1样机的反电势

仿真得到的样机的反电势波形,反电势波形为非平顶波。无刷直流电机的绕组存在一定的电感,导致电流不能快速变化,一般情况下的电机反电动势只是接近梯形



4.2气隙磁密

利用Maxwell 2D静磁场求解,得到样机的气隙磁密波形图



4.3磁场分布

 基于有限元的基本原理,计算了电机的空载磁场,并得到负载磁场分布图 不能快速变化,一般情况下的电机反电动势只是接近梯形 






从图可以看出电机的主磁通从转子磁极出发,经过气隙、定子齿部和轭部最后回到转子磁极,跟定子绕组交链参与机电能转换,而漏磁不参加机电能量转换。

 4.4输出转矩的计算


输出转矩对传动轴载荷的确定和控制,传动系统工作零件强度的设计以及原动机容量的选择等具有重要意义。本文设计的样机用于风机上。经过计算器数据转矩的平均值1.43Nm







在三相永磁无刷直流电机,永磁体与有槽电枢相互作用,产生槽转矩,导致转矩波动,引起电机振动产生噪音



结语:


本文利用Ansys/Maxwell软件色绘制一款10000r/min、300W、8极的三相永磁无刷直流电机建立了该电机的二微仿真模型,并对其相关性进行2D有限元分析计算以及样机的实验验证。该电机目前已成功应用与一款风机中,并且批量生产,节能效果明显,收到市场的认可和好评






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