（电力电子与电力传动专业论文）自动门用永磁无刷直流电机设计的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gd e v e l o p m e n to fm o d e r ni n d u s t r y , t h ea u t o m a t i cd o o r sa r e w i d e l yu s e dn o w a d a y s a st h ek e ye l e m e n to ft h ea u t o m a t i cd o o rs y s t e m ，b r u s h l e s s d cm o t o r ( b l d cm o t o r ) w i t hh i g hp o w e rd e n s i t y , h i g hr e l i a b i l i t y , f a s tr e s p o n s e ， f a c i l i t yt oc o n t r o la n dl o wc o s ti sr e q u i r e d t h ep o w e rd e n s i t yo fb r u s h l e s sd cm o t o r i sb e c o m i n gh i g h e ra n dh i g h e r t h em a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o no fm o t o ri sb e c o m i n g m o r ea n dm o r ec o m p l e xa n dt h em o t o ri sw i t hv a r i o u ss t r u c t u r e s ，t h u st h et r a d i t i o n a l m o t o rd e s i g nm e t h o d m a g n e t i cc i r c u i tc a l c u l a t i o ni sn ol o n g e rs u i t a b l e w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dt h er i s eo fv a r i o u sn u m e r i c a lm e t h o d s ，t h e m o t o rd e s i g nm e t h o db a s e do ne l e c t r o m a g n e t i cf i e l dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o nh a sb e e n d e v e l o p e dg r a d u a l l y t h el e a d i n gi n v e s t i g a t i o n so ft h i sp a p e ra i ma tr e s e a r c h i n gt h e d e s i g nm e t h o d so fb l d cm o t o r f i r s t l y , e q u i v a l e n tm a g n e t i cc i r c u i tm e t h o da n de l e c t r o m a g n e t i cf i e l df e a ( f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ) m e t h o da r ec o m p a r e d ，a n dt h e i rm e r i t sa n dd e m e r i t sa r ea n a l y z e d s e p a r a t e l y t h e nad e s i g nm e t h o dc o m b i n i n gf i e l da n dc i r c u i tw h i c hi ss u i t a b l et o b r u s h l e s sd cm o t o ri se d u c e d t h ep a p e ra n a l y z e st h ed c - m o t o r ss i m i l a rd e s i g n f e a t u r e sa n dt r i e st om a k ear e a s o n a b l ee l e c t r o m a g n e t i s md e s i g nb a s eo nt h ef e a t u r e s o fb r u s h l e s sd cm o t o r t h ep a p e ra n a l y z e sd c m o t o r sd e s i g nf e a t u r e sa n dt r i e st o m a k ear e a s o n a b l ee l e c t r o m a g n e t i s md e s i g nb a s eo nt h ef e a t u r e so fb l d cm o t o r s e c o n d l y , m a t l a bl a n g u a g ew a su s e dt ot u r nt h em a n u a lc a l c u l a t i o ni n t ot h e c o m p u t e rp r o g r a m s m e t h o d so fi m a g ei n t e r p o l a t i o na n dc u r v ef i tw e r eu s e dt om a k e t h ed e s i g np r o c e s sm o r ec o n v e n i e n t ，f a s t e ra n dt om a k et h eb e s to fc o m p u t e r s a d v a n t a g e s t h ec a dp r o g r a mc a nb eu s e dt oo p t i m i z et h ee l e c t r o m a g n e t i s md e s i g n s c h e m e sr a p i d l ya n di m p r o v et h ed e s i g np r e c i s i o n f i n a l l y , t h em a g n e t i cc i r c u i tb l u ep r i n ti sm o d i f i e da n di m p r o v e du s i n gt h ef e a s o f t w a r em a x w e l l t h ee x p e r i m e n td a t ao fp r o t o t y p em a c h i n ea n dt h er e s u l to ft h e d e s i g nu s i n gt h ec o m b i n i n gf i e l da n dc i r c u i tm e t h o dw a sc o m p a r e da n da n a l y z e d t h e c o m p a r i s o np r o v e dt h es u p e r i o r i t yo ft h em e t h o du s e di nt h ee l e c t r o m a g n e t i cd e s i g n o fb r u s h l e s sd cm o t o r k e y w o r d s ：b l d cm o t o lf i e l da n dc i r c u i t ，d e s i g no p t i m i z a t i o n ，f e a ，m a t l a b 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩e 1 j 或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保口 ，在两年解密后适j 二f j 本授权书。 不保妪y 学位论文作者签名：同灵出题 2 0 0 9 年4 月9 日 独创性：声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 同娥 日期：2 0 0 9 年4 月9 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 本章主要概述自动门用稀土永磁无刷直流电机的研究背景、研究意义和目 的、以及国内外研究现状。最后，叙述了本论文主要研究内容以及论文的结构安 排。 1 1 研究背景 随着经济的发展和人民生活水平的提高，自动门的应用也越来越广泛，它已 经成为宾馆、超市等现代建筑所必备的。它不仅可以美化出入口环境，而且具有 节能、防尘、隔音等功能，同时也是建筑物智能化的重要指标。还具有节能( 空 调) 、防尘、隔噪音等功能。自动门工程在整个建筑投资中的比例虽然很小，但在 建筑的日常使用和管理巾却占有很重要的地位，是建筑智能化水平的重要指标。 因此，自动门在国内外有很大的市场需求。世界上制造自动门的公司很多，国内 常见的产品有德国的、瑞士的、意大利的、荷兰的、日本的等等。欧美国家的产 品功能繁多，性能可靠，其中以德国的产品性能最好，但这些产品价格偏高，操 作复杂。国内设计的同类产品往往性能不稳定，经常发生故障i lj 。所以研究自动 门非常有现实意义。自动门用电机是自动门系统的重要组成部分，传统的电机无 法满足自动门电动推进系统的技术要求和环境条件。如直流电机换向恶劣、工作 时间短、可靠性差；交流电机效率低、体积大、控制器复杂等。无刷直流电机的 机械特性和调节特性与他励直流电机相应特性类似，所以它的启动转矩大，启动 电流小，调节范围宽【2 1 ，同时没有因电刷换向器引起的缺点，电子换向取代了机 械换向、结构简单、可靠性高，稳定性好，适应性强，维修与保养简单1 3 j 。适合 长期低速运转、频繁启动的场合。所以，由无刷直流电机作为推进电机是电动门 推进系统的理想选择【训。 永磁无刷直流电机是近年随着稀土永磁材料和电力电子技术的迅速发展而 发展起来的一种新型电机，由于其具有调速范围宽、体积小、起动迅速、运行可 靠、效率高、寿命长等优点，已广泛地应用于军品和民品中。目前无刷直流电机 的发展已经与大功率器件、专用集成电路、稀土永磁材料、微机、新型控制理论 及电机理论的发展紧密结合，体现着当今应用科学的许多最新成果，因而显示出 江苏大学硕士学位论文 广泛的应用的景和强大的生命力。随着现代设备体积重黾越来越小，而所需的驱 动功率越来越大，无刷直流电机的研制成为了必然趋势1 5 j 。 随着半导体器件的迅猛发展、功率开关器件控制驱动技术的不断进步、以及 高磁能积的稀土永磁材料的应用，使得无刷直流电机在减小电机和驱动器体积重 量，提高功率密度，改善性能方面有了明显的进展。但由于稀土永磁无刷直流电 机在我国电动推进系统的应用才刚刚丌始，目前还存在很多问题，如电机的漏磁、 齿槽效应、涡流效应、饱和效应，以及逆变器的输出谐波分量等，必须进行相关 技术的攻关，完成原理验汪。 充分发挥我国稀土资源丰富的优势1 6 l ，大力发展稀士永磁无刷直流电机，为 发展各种先进军用设备和工业系统奠定了基础，对我国社会丰义现代化建设具有 重要的理论意义和实用价值。 1 2 研究意义和目的 随着电力电子技术、高强度低损耗电磁材料以及控制技术的发展，稀土永磁 无刷直流电机在工业、国防等方面的应用越米越广泛。与普通电机不同，稀土永 磁无刷直流电机内部电磁场能量密度高，电机漏磁、齿槽效应、涡流效应及饱和 效应等尤其突出【j 7 1 ，而且逆变器输出谐波分量的存在使无刷直流电机内部电磁场 分布更加复杂，严重影响电机的动态性能。如何设计轻便、小巧、高速度的无刷 直流电机，成为本文的研究的关键。 电机内部电磁场能量密度高，内部电磁场分布复杂。传统的磁路计算有许多 经验公式和修正系数，如漏磁系数、铁损系数等，如果参数选取不当将对结果产 生很大影响，加上电枢反应和磁场饱和度的影响，因此仅仅采用传统的磁路计算 对无刷直流电机进行设计肯定会使设计结果与实验值存在误差限9 】。而且以往的 电机磁路设计采用手算的方法，这让受过专业训练的设计者把主要精力和大部分 时间消耗在低层次的计算和作图上，而对方案规划投入的力量却很少，至于更高 层次的设计活动就更没有考虑的余地了。这种不合理的情况主要源于设计工具和 方法的落后，为了缩短研究实践，减少研究成本，设计者需要力便有效的软件来 进行辅助设计，改善设计方法。 有限元法电磁场数值计算i m l 作为电机c a d 的一个高级分析手段，具有建模 方便、仿真结果精确以及后处理功能强大等优点，利用有限元软件进行辅助设计， 2 江苏大学硕士学位论文 可以弥补路算不准确的缺点。目前，有限元法f n l 已经应用在无刷直流电机的磁场 计算中，永磁无刷直流电机由于其内部电磁场分复杂，模型的建立相对困难，必 须正确建立前处理的几何模型并进行精密剖分，才能正确建立有限元模型。而要 想正确建立前处理的几何模型，需要参考磁路计算的结果，因此，为了能够精确 的进行该类电机内部电磁场的设计和分析，本文采用场路结合法i 眩】来分析无刷直 流电机的特性。 本论文对于研究清楚永磁无刷直流电机的电磁场分布和运行特性有着重要 的意义，可以提高永磁无刷直流电机的设计水平和精度，减少研究周期和成本。 因此，对永磁无刷直流电机在军品和民品中的广泛应用将起到促进作用，具有潜 在的社会效益和经济效益。 1 3 国内外研究现状 随着经济的发展和人民生活水平的提高，自动门的应用也越来越广泛，它已 经成为宾馆、超市等现代建筑所必备，不仅可以美化出入环境，而且具有节能、 防尘、隔音等功能，同时也是建筑物智能化的重要指标。 目前国内产品多为从国外进口。国外生产自动门的公司很多，常见的公司有 德国的b l a s l ，瑞士的t o r m a x ，意大利的p a ，r 本的n a t i o n a l 等等。这些 产品功能繁多，性能可靠，但价格普遍偏高，操作复杂。而国内设计的同类产品 性能不稳定，故障率较高，需要频繁维护，增加了运营成本。电机作为自动门系 统的推进系统，在自动门系统中，起着很重要的作用。 无刷直流电机研究包括：电机本体的设计研究、位置检测方法研究、换向逻 辑研究、控制及驱动电路研究等。近年来，国内外学者对无刷直流电机的研究主 要集中在无传感器无刷直流电机转子位置检测、高精度控制、无传感器无刷直流 电机的起动、转矩的脉动等问题。目前，我国在中小功率无刷直流电机方面己从 研究阶段步入生产阶段，如西安微电机研究所研制的4 5 z w l 、5 5 z w 一1 、 7 0 z w 1 系列产品，上海微电机研究所研究的无刷直流力矩电动机等。但我国对 无刷直流电机的研究起步较晚，制造工艺和加工设备方面相对较落后，元器件水 平及相关理论与实践相结合的程度还比较低，尤其是制造工艺和加工设备较国际 水平差距较大，所以我国无刷直流电机的整体水平低于幽际水平，尤其在数字化 江苏大学硕士学位论文 控制方面，远不如国际水平【1 3 】。因此，对无刷直流电机设计技术进行研究，对提 高我国机电一体化技术水平，赶超国际先进技术具有非常重要的意义。 永磁无刷直流电机作为一种进行机电能量转换的装霄，由于其卓越的性能， 世界上学者及科研机构、公司都在这一技术领域投入了大量的人力、物力和财力， 如在办公自动化( 如软驱、硬楹、光驱等) 、计算机外部设备( 如打e | j 机、复印 机、扫描仪、绘图仪等) 、音像处理设备( 如v c d 、摄像机、录像机等) 、家用 电器( 如洗农机、空调、风扇等) 方面以及在工业自动化、电动车辆和医疗器械 等方面l j 4 j ，随着稀土永磁材料和电力电予器件性价比的不断提高，将会使永磁无 刷：直流电机的技术优势逐渐得到充分显示和更加广泛的应用。 另外，在微小功率范畴无刷直流电机足目日仃发展较怏的新型电机。由于各个 应用领域需要各自独特的无刷直流电动机，所以无刷卣流电动机的类型较多。大 体上有计算机外存储器以及v c d 、d v d 、c d 主轴驱动用扁平式无铁心电机结 构，小型通风机用外转子电机结构，家电用多极磁场结构及内装式结构，电动自 行车用多极、外转子结构等等。上述无刷直流电动机的电机本身和电路均成一体， 使用十分方便，它的产量也非常大。为了满足大批量、低成本的市场需要，无刷 直流电动机的生产必须要形成规模经济。因此，无刷直流电动机足一种高投入、 高产出的行业。同时，我们应该考虑到市场也在不断地发展，如家用空调用电机 正由3 a 转向3 d ，需要大量的中小功率的无刷直流直流电机，研究和开发中小 功率的无刷直流电动机也成当务之急【1 5 】。 目前在电机设计中应用较多、较为成熟的算法有：遗传算法【l6 。、模拟退火算 法【17 1 、免疫算法【1 8 】、禁忌算法和神经网络算法1 2 0 】。比较算法的空问复杂度： 免疫算法、遗传算法、禁忌算法、神经网络、模拟退火算法的复杂度递减。从算 法的空间复杂度看，优先选取模拟退火算法。从运算过程中时间的占用来看： 模拟退火算法无论从平均值还是多次搜索的最优值看，都具有较高的搜索效率， 但结果有一定的波动；禁忌算法在问题阶数不大时，结果收敛于模拟退火法的 均值，高阶问题搜索效率下降，不及模拟退火法；遗传算法具有多点搜索特性、 搜索范围有所扩大、搜索效率较低、解的波动性很人，在一定次数内的多次平均 值虽与禁忌算法相当。但多次搜索的最优值，要好于禁忌算法。文献 2 1 】通过对 比得出：对s i n c e 函数或类似的局部最优的多模函数，免疫算法是最优选择。在 4 江苏大学硕士学位论文 电机模型中，电机的效率是类似s i n c e 形式的函数，因此在电机效率的优化中免 疫算法比起进化策略和遗传算法更优。但免疫算法在电机中的应用并不广泛，应 用主要针对电机的局部寻优。综合空间复杂度及运算时问，在电机设计中最为常 用的是遗传算法。 无刷直流电机传统的电磁设计方法采用磁路计算法，将空间实际存在的不均 匀分布的磁场转化成等效的多段磁路，并近似认为在每段磁路中磁通沿截面和长 度均匀分布，将磁场的计算转化为磁路的计算，然后利用各种系数米进行修正， 使各段磁路的磁位筹等于磁场中对应点之间的磁位差。这样可以大大减少计算所 用的时间，在积累了一定的经验，取得各种实际的修正系数后，其计算精度可以 满足工程实际的需要【2 2 2 3 1 。 随着无刷直流电机的功率密度越来越高，电机内部的磁场分布越来越复杂， 磁路结构越来越丰富，采用传统的磁路计算法进行电磁设计不再适用。随着计算 机技术的迅速发展和各种数值方法的兴起，例如2 0 世纪6 0 年4 - ) f 始应用的有限 差分法、7 0 年代_ 丌始采用的有限元法【2 4 1 、8 0 年代出现的边界元法以及近年研究 的热点无网格法。电机电磁场的分析逐渐从采用连续场模型的解析方法过渡到采 用离散模型的数值方法【2 4 、2 5 1 。数值计算在电机设计中的应用使得电机的性能预 测精度提高到了一个新的水平。目前正逐步形成以电磁场数值计算为基础的电机 设计方法。 1 4 本文的主要研究内容以及论文结构 本文针永磁无刷直流电机的电磁设计，以磁路c a d 程序设计的结果为参考， 利用有限元软件建立模型并进行磁场分析，对磁路计算选取的参数如极弧系数、 磁钢厚度等进行校正，完善设计方案；分析采用场路结合法设计的无刷直流电机 的性能，如：机械特性、效率等，研究适合于自动门无刷直流电机的设计方法。 本文分六章来完成无刷直流电机设计方法研究，其结构如下： 第一章首先概述了无刷直流电机的研究背景，紧接着对本文研究的意义和 目的作了深刻的分析，并介绍了无刷直流电机及其电磁设计方法的困内外研究现 状，最后介绍了本文研究的主要内容以及论文结构。 第二章首先介绍了无刷直流电机的结构特点，并从换相过程的分析入手对 无刷直流电机的工作原理做了具体的概括。然后介绍了无刷直流电机的两类电磁 江苏大学硕士学位论文 设计方法：传统的磁路汁算法和电磁场有限元法，并埘这两种不同的电机磁场分 析方法进行了对比分析，得出针对本课题的研究特点所采用的研究手段：场路结 合法。并结合实际问题，参考永磁直流电动机电磁设计，对本设计中的自动i j 用 永磁无刷直流电机的参数进行了手工计算；分析了永磁直流电动机的设计共性， 并针对自动门用无刷直流电机的特性进行了大胆的设计尝试。 第三章介绍了作者参与研制的无刷直流电机磁路设计c a d 程序，阐述了 c a d 软件的特点、简析了电磁设计的流程。利用这套程序对尤刷直流电机进行 了磁路没计。并分别分析了不同极弧系数、磁铡厚度对电机性能的影响。 第p q 章在磁路计算的基础e ，利用有限元磁场分析软件m a x w e l l 1 2 对无刷 直流电机磁路方案进行了校萨，完善了设计方案。最后基于a n s o f t 有限元电磁 分析软件的，用场路耦合法求解电机的空载、满载、稳定运行的过程。 第五章对样机进行了样机测试，并对比分析了样机的实验数据和场路结合 法的设计结果。分析了仿真结果与实验结果。 第六章对本文的研究内容、研究工作及取得的研究成果做了总结，并对未 来的工作做了展望。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章无刷直流电机电磁方案的设计 无刷直流电机是近年来随着稀土永磁材料和电力电子技术的发展而迅速发 展新型电机，由于其具有调速范围宽、体积小、起动迅速、运行可靠、效率高、 寿命长等优点，迅速成为各国研究的热点。 本章对无刷直流电机的基本结构及工作原理进行了总结和概括；并对无刷直 流电机的设计方法进行了讨论；在此基础上，结合实际问题，参考永磁直流电动 机电磁设计，对自动门用永磁无刷直流电机的参数进行了手工计算。 2 1 无刷直流电机的基本结构及工作原理 无刷直流电机的基本构成包括电动机本体、控制器和转子位置传感器三部 分，如图2 1 1 所示【4 1 。 图2 1 1 稀土永磁方波电动机构成框图 ( 1 ) 电动机本体 无刷直流电机本体结构与永磁同步电动机相似，它的电枢绕组放在定子上， 转子励磁采用稀土永磁材料，产生气隙磁通。常用的转子结构形式有三种结构形 式，如图2 1 2 ( a ) 、( b ) 和( c ) 所示。 b ) ( a ) 瓦形永磁体径向磁化( b ) 矩形永磁体切向磁( c ) 环形永磁体径向磁化 图2 1 2 稀土永磁转子结构形式 1 一紧圈；2 一稀土永磁体；3 铁心；4 _ 一等轴 其中图( a ) 结构是转子铁心外缘粘贴瓦片形稀土永磁体；图( b ) 结构是在转子 7 江苏大学硕士学位论文 铁心中嵌入矩形板状稀士永磁体；图( c ) 结构是住转子铁心外套七一个整体粘结稀 土磁环，适用于体积和功率较小的稀土永磁无刷直流电机。 ( 2 ) 转予位置传感器 转子位置传感器是检测转子磁极相对于定子电枢绕纽轴线的位置，并向控制 器提供位置信号的一种装置。转子位置传感器也由定予和转子两部分组成，其转 子与电机本体同轴，以f 艮踪电机本体转予磁极的位置；其定子固定在电机本体定 子或端盖t ，以枪测和输出转子位置信号。转子位置传感器的种类包括磁敏式、 电磁式、光电式、接近开关式、i f 余弦旋转变压器式以及编码器等。 ( 3 ) 控制器 控制器是用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺序和时间，主要由逆变器 和位置传感器信号处理单元两个部分组成。 逆变器足控制电路的核心，其功能足将电源的功率以一定的逻辑关系分配给 无刷直流电动机定子上各相绕组，以便使电动机产生持续不断的转矩。而各相绕 组导通的顺序和时间主要取决于来至位置传感器的信号。 位置传感器信号处理单元的主要功能足对转子位置传感器输出的信号、 p w m 调制信号、正反转和停车信号进行逻辑综合，为驱动电路提供各开关管的 斩波信号和选通信号，实现电机的正反转及停车控制。 无刷直流电机工作原理以图2 1 3 和图2 1 4 所示为例来说明。 j 1 d i ud 30 v 5 1 7 5 飞】l险一k陛一【 l 赋 c 1 、，、，、 爿 i l r l v i j 、n 遥 矧 d 2 i 一沙 v 4- 沙v 6一璐沙v 2 【 i 弋7 jl l 】k i 一 lj 7 1 v i v 6 念 个n m _ j 口 驱动也路 控制i 【 路 图2 - 1 3 无刷直流电机系统图 图2 1 3 中v f 为逆变器，r e p m m 为稀土永磁电动机本体，p s 为与电动机 8 江苏大学硕士学位论文 本体同轴联结的转子位置传感器，控制电路对转子位置传感器检测的信号进行逻 辑变换后产生脉宽调制p w m 信号，经过驱动电路放人送至逆变器各功率开关 管，从而控制电动机各相绕组按一定顺序工作，在电机气隙中产生跳跃式旋转磁 场。下面以二相导通星形三相六状态尢刷直流电机为例米晚明其工作原理。 当转子稀土永磁体位于图2 1 4 ( a ) 所示位置时，转子位置传感器输出磁极 位置信号，经过控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使功率丌关管v 1 、v 2 导通， 即绕组a 、b 通电，a 进b 出，电枢绕组在空问的合成磁势e ，如图2 1 3 ( a ) 所示。此时定转子磁场相互作用拖动转子顺时针方向转动。电流流通路径为：电 源正极_ v l 管_ a 相绕组_ b 相绕组一v 6 管_ 电源负极。当转子转过6 0 度电 角度，到达图2 1 4 ( b ) 中位置时，位置传感器输出信号，经逻辑变换后使开关 管v 6 截止，v 2 导通，此时v l 仍导通。则绕组a 、c 通电，a 进c 出，电枢绕 组在空间合成磁场如图2 1 4 ( b ) 中c 。此时定转予磁场相互作用使转子继续 沿顺时针方向转动。电流流通路径为：电源正极一v 1 管一a 相绕组一c 相绕组 _ v 2 管_ 电源负极，依次类推。当转子继续沿顺时针每转过6 0 度电角度时，功 率开关管的导通逻辑为v 3 v 2 一v 3 v 4 - v 5 v 4 _ v 5 v 6 一v 1 v 6 ，则转子磁场 始终受到定子合成磁场的作用并沿顺时针方向连续转动。 a o x c a ) 图2 - 1 - 4 稀土用磁无刷直流电机工作原理示意图 在图2 1 4 ( a ) 到( b ) 的6 0 度电角范围内，转子磁场顺时针连续转动，而 定子合成磁场在空间保持图2 1 3 ( a ) 中f ，的位置不动，只有当转子磁场转够 6 0 度电角度到达图2 1 4 ( b ) 中e 的位置时，定子合成磁场才从图2 1 4 ( a ) 中e 位置顺时针跃变至( b ) 中e 的位置。可见定子磁场在空i 日j 不是连续旋转的 磁场，而是一种跳跃式旋转磁场，每个步进角是6 0 度电角度。 当转子每转过6 0 度电角度时，逆变器j f ：关管之间就进行一次换流，定孑磁 9 江苏大学硕士学位论文 状态就改变一次。可见，电机有6 个磁状态，每状态都是两相导通，每相绕组 中流过电流的时间相当于转子旋转1 2 0 度电角，每个开关管的导通角为1 2 0 度， 故该逆变器为12 0 度导通型。两相导通星形三相六状态无刷直流电机的三相绕组 与各个开关管导通顺序的关系示于表2 1 。 表2 1 两相导通星形三相六状态时绕组和开关导通顺序表 f n 角度0 。 6 0 。1 2 0 。1 8 0 。2 4 0 。3 0 0 。 3 ( 扦关符 a bc 导通膨i ， bcab t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 1 - 8 l 2 2 无刷直流电机的电磁设计方法 磁路法和电磁场有限元法是稀上永磁无刷直流电机电磁设计中常用的两种 方法。磁路法的算法比较简单，其计算机实现相对容易，运算速度快，但是在计 算巾需要用到许多系数，而这些系数在磁路法中无法直接推导，而只能根据经验 取值，这必然导致计算的准确程度下降。因此对电机性能有较大影响的参数需要 用电磁场有限元法进行计算和分析。由此产生了磁路分析和场路分析相结合的方 法( 整体流程如图2 2 1 ) ，在保证准确度的前提下缩短设计时问。而磁场分析法 又可以作为磁路法计算的检验与修正。下面就对这两种不同的电机磁场分析方法 进行具体的对比介绍，并得出针对本课题的研究特点所采用的研究手段。 l o 江苏大学硕士学位论文 2 2 1 等效磁路法 图2 - 2 1 场路结合法整体流程图 为了简化分析计算，目前在许多工程i 、u j 题巾仍常采用“场化路”的方法，将空 间实际存在的不均匀分布的磁场转化成等效的多段磁路，并近似认为在每段磁路 中磁通沿截面和长度均匀分布，将磁场的计算转化为磁路的讨算，然后利用各种 系数来进行修正，使各段磁路的磁位差等于磁场中对应点之间的磁位差。这样可 以大大减少计算所用的时间，在方案估算、初始方案设计和类似结构的方案比较 时更为实用。在积累了一定的经验，取得各种实际的修正系数后，其计算精度可 以满足工程实际的需要1 2 引。 在电机中，尽管不同的电机有其不同的磁路形式，不同的永磁体放置方法， 从形式上看有着不同的磁路结构。但就其实质而言，各类电机中的磁路构成都是 一致的。永磁电机磁路的构成，一般都包含永磁体、软磁材料、工作气隙三个部 分。其中永磁体是磁路中的磁势源，而当磁通流经软磁材料时，造成磁势降落并 产生损耗( 电机中的铁损耗) 。气隙是构成磁路的一个重要环节，在磁辨源的作 用下，气隙中的磁通量办( 或气隙磁感应强度) b j 是决定电机尺寸、影响电机 江苏大学硕士学位论文 性能的重要参数之一，电机的合理设计应该使磁势的主要部分降落在气隙中。 ( 1 ) 永磁体的等效磁路7 _ 9 1 磁体的退磁曲线在第二象限，由磁钢剩磁对应的磁通办、磁钢矫顽力对应的 磁势e 两个参数确定，代表了永磁体的向外磁路提供磁场能量的能力。其退磁 曲线如图2 2 1 所示。 ff ?能 图2 - 2 1 稀土永磁体的退磁曲线 对于退磁曲线上的任意一点： 九= 力一九= 办一人。 ( 2 2 - 1 ) 其中a 。= 办c ，为永磁体的内磁导，对于给定的磁钢尺寸和性能，它是一 个常数。 经过上述处理后，永磁体t i 丁以等效为一个恒磁通源以与一个恒定的内磁导 人。相并联的磁通源，如图2 2 2 所示。 正如电路中的电压源和电流源可以等效互换一样，磁路中的磁通源也可等效 变换成磁动势源。由式( 2 2 一1 ) 可得 c = c 一九a 。 ( 2 2 2 ) 因此，永磁体也可以等效成一个恒磁动势源l 与一个恒定的内磁导人。相串 联的磁动势源，如图2 2 3 所示。它与图2 2 2 所示的磁通源是等效的。 1 2 江苏大学硕士学位论文 图2 2 2 永磁体等效成磁通源图2 - 2 3 永磁体等效成磁动势源 ( 2 ) 外磁路的等效磁路 永磁体向外磁路提供的总磁通九可分为两部分，一部分与电枢绕组匝链， 称为主磁通( 即每极气隙磁通) 办；另一部分不与电枢绕组匝链，称为漏磁通丸。 相应的将永磁体以外的磁路( 外磁路) 分为主磁路和漏磁路，相对应的磁导分别 为主磁导人j 和漏磁导a ，。无刷自流电机的实际外磁路非常复杂，分析时可根据 其磁通分布情况分成许多段，再经串、并联进行组合。主磁导与漏磁导是各段磁 路磁导的合成。空载情况下外磁路的等效磁路如图2 2 4 所示。 图2 2 - 4 笙载时外磁路的等效磁路 在负载运行时，根据电机原理可知，主磁路中增加了电枢磁动势，设每对极 磁路中的电枢磁动势为c ，其相应的等效磁路如图2 - 2 5 a 。根据对励磁磁场作用 的不同，c 起增磁或去磁作用。 为便于分析计算，可以用电路理论中的戴维南定理，将图2 2 5 a 的等效磁路 变换为图2 2 5 b ，其中 心”小忙半人子幺a ( 2 - 2 - 3 ) j s卜八 江苏大学硕士学位论文 1 f 或贵。尼去2 乏( 2 - 2 - 4 ) 人。a j 式中，人。为外磁路的合成磁导。 一 - 一 f a 图2 - 2 5 负载时外磁路的等效磁路 ( 3 ) 电机的等效磁路 将图2 2 5 与图2 2 4 或图2 2 3 合并，得到负载时永磁电机总的等效磁路， 如图2 - 2 6 所示。令e = 0 ，即得到空载时的等效磁路。 a ) 磁通源等效磁路b ) 磁动势源等效磁路 图2 - 2 6 负载时永磁电机的等效磁路 2 2 2 电磁场有限元法 电机内物理场的数值计算方法的种类很多，主要包括微分方程法( 有限元法 和有限差分法) 和积分方程法( 体积分方程法和边界积分方程法) ，以及近年来 1 4 江苏大学硕士学位论文 出现的有限元法和边界元方程法相结合的所谓混合法【2 7 2 8 1 。其中，有限元法占 有绝对主要的地位，应用范围最为广泛。 基于伽辽金加权余量法或变分原理的有限元( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) ， 最早产生于力学计算中，由于其依据的理论具有普遍性，已被推广并成功应用于 其他工程领域。自从在加速器磁极和直流电机磁场计算等电磁计算中被采用以 来，有限元法已广泛应用于电气工程的各个领域，是求解电磁场边值问题最实用 的方法。 有限元法在理论上以变分原理或伽辽金加权余量法为基础，在具体方法上则 借鉴了有限差分法离散处理的网格思想。有限元法的基本步骤包括：确定描述边 值问题的偏微分方程；利用变分原理，将描述边值问题的偏微分方程转换为相应 的泛函表达式( 或利用加权余量法，将偏微分方程与权函数相乘，并在场域内进 行积分) ；将山偏微分方程表征的连续函数所在的封闭场域划分成为有限数目的 子区域单元，单元完全覆盖所研究的区域且单元之问互不重叠，并且单个单 元不能跨越材料边界；利用近似函数来描述单元中的未知量。由于公式中常涉及 对这些函数进行微分和积分，一般选择多项式作为近似函数。多项式的阶数决定 了单元的阶数；对泛函求极值( 对于复泛函，则为使泛函驻定) ，并求解所得的 代数方程以获得所需的场问题的近似解。 有限元法对场域的划分比较灵活，对不规则的边界形状的处理也很方便。相 对于有限差分法，有限元法的主要优点包括：对复杂边界的适应性，高阶近似的 扩散性、自然边界条件和交界条件可自动满足。此外，有限元法可有效处理非线 性媒质特性( 如铁磁饱和特性) 和涡流，它所形成的代数方程一般具有系数矩阵 对称、正定和稀疏等特点，解的稳定性和精度都比较高。有限元法在工程应用中 的通用性非常好。基于有限元法开发的软件，对于范围广泛的问题，可以有效地 建模、求解以及后处理、这使得有限元法成为许多c a d 软件的基础。有限元法 的主要缺点是，对于复杂的三维结构，尤其是对包含开域自由空问的问题进行建 模和求解时，会遇到些困难。 2 2 3 场路结合法 等效磁路的计算方法中许多系数需利用电磁场计算和实验得出。由于无刷直 流电机的磁路结构多种多样，而且继续有所创新，当进行新结构电机设计计算时， 江苏大学硕士学位论文 为了提高计算的准确程度，需要直接进行电磁场计算和分析。而且，无刷直流电 机中一些特殊的电磁过程和一些专门问题如磁极结构形式和尺寸的优化、永磁体 的局部失磁问题等，也需要运用电磁场计算才能进行定量的分析。 有限元法电磁场数值计算作为电机c a d 的一个高级分析手段，具有建模方 便、仿真结果精确以及后处理功能强大等优点，利用有限元软件进行辅助设计， 可以弥补路算不准确的缺点。目前，有限元法已经应用在无刷直流电机的磁场计 算中，无刷直流电机由于其内部电磁场分布复杂，模型的建立相对困难，必须正 确建立前处理的几何模型并进行精密剖分，才能j f 确建立有限元模型，冈此，有 限元法一般多用于最终设计方案的校核和优化。 场路结合法的基本原理是先参考磁路计算的结果，建立有限元法前处理的几 何模型，然后通过电磁场分析，用电磁场有限元软件准确的计算出等效磁路法中 所需要的修萨系数，如漏磁系数、计算极弧系数和气隙系数等，再将这些参数引 入到等效磁路法中去，完善设计方案。而一些特殊的电磁过程和一些专门i u j 题如 磁极结构形式和尺寸的优化、永磁体的局部失磁问题等采用等效磁路法不能解决 的问题，采用电磁场有限元法进行分析，从而达到准确计算的目的。 本文将采用此方法利用有限元软件a n s o f t ，分析自动门用永磁无刷直流 电机的性能，研究适合于自动门用无刷直流电机的设计方法。 2 3 自动门用无刷直流电机的电磁计算 2 3 1 额定数据和技术要求 永磁无刷直流电机电磁设计主要包括主要尺寸的设计，永磁体用量的设计， 定转子设计，绕组计算，磁路计算，定转子参数计算和工作特性计算。通过改变 电机的各个参数来提高无刷直流电机的效率，7 ，功率因数c o s ( , o ，起动转矩瓦和 最大转矩乙。 a ) 额定功率：气= 5 0 w b ) 相数： m = 3 c ) 额定线电压：u ，= 2 4 v d ) 额定频率：f = 5 0 h z e 1 极对数：p = 4 1 6 江苏大学硕士学位论丈 t ) r 各贝疋艘翠：巩2 0 7 3 g ) 额定功率冈数：c o s 6 p u = 0 7 2 9 h ) 额定线电流： 厶= 蔫= 2 8 5 a i ) 额定转速： = 6 0 _ _ p f f = 3 6 。r m i n j ) 额定转矩：t n ：9 4 5 9 p n * 1 0 s ：1 3 1 3 7 5n m 2 3 2 主要尺寸及永磁体尺寸 a ) 气隙长度：6 = 0 5 m m b ) 定子外径：口= 5 6 m m c ) 定子内径：d 。= 2 7 m m d ) 转子内径：皿：= 1 2 m m e ) 定子铁心长：l a = 6 0 m m f ) 电枢计算长度： k = 厶+ 2 8 = 6 1 m m 2 3 3 电枢绕组形式与定子的槽配合 ( 1 ) 绕组排布 本次设计的无刷直流电机的绕组是双层叠绕组，定子y 接。采用了双层短 距分布绕组可以避免电动机绕组中产生环流并可以削弱电动势谐波。定子绕组采 用y 接则可以大大减小电动机的杂散损耗，使定子电流中不含3 次和3 次倍数 的谐波，定子电流中亦不含偶次谐波。 ( 2 ) 定子槽数的选择 当电机尺寸固定时，槽数的多寡决定绕线匝数的数量，加工制造上的难度， 铁心饱和的程度以及对转矩的影响，槽数越多，可以降低气隙磁阻的不均匀程度， 减小由此产生的转矩脉动。由于电机槽引起的磁路不均匀而产生的转矩称为齿槽 转矩，工程上一般采用定子斜槽一个齿距的方法来消除陬3 0 1 。 根据本电机的需要，定子槽数为q l = 1 2 ，划分了6 0 度相带后定予每极每相 槽数为： 1 7 江苏大学硕士学位论文 2 3 4 永磁体的设计 g = 一o 5 ( 1 ) 磁体材料选择 永磁材料的种类是多种多样的，一般常用的是铝镍钻永磁材料，铁氧体永磁 材料，稀十类永磁材料。选取永磁材料应能保证电动机的气隙中有足够大的气隙 磁场和规定的性能指标，在规定的环境条件，工作温度和使用条件下能保证磁 性能的稳定性，而月还要有良好的节能性，方便加工和装配，最好还足经济性要 好。本设计选用较为常见的牌照号为n d f e b 8 的永磁体。 ( 2 ) 磁体尺寸的设计f 2 8 1 永磁体的主要尺寸有三个：永磁体的轴向长度k ，磁化方向长度h m 和宽度 。永磁体的尺寸除了影响电动机的性能外，还影响着电动机中的空载漏磁系 数，也决定这永磁体的利用率。实验证明，永磁体尺寸越大，空载漏磁系数 越小。一般来说，永磁体的轴向长度就取电动机铁心的轴向长度，因此只需要设 计其他两个永磁体的尺寸h m 和b m 。 调整b m 可以调整电动机的工作性能，因为它直接决定了永磁体能够提供磁 通的面积。电动机的极距为 r ：盟：1 0 6 m m l n l t lr = _ = 2 p 其中皿为定子内径，p 为极对数。 通常来讲，b m 的长度设计不能超过f 的长度；设计h m 应使永磁体工作在最 佳工作点，因为永磁体的最佳工作点更大程度上取决于永磁体的磁化方向长度 h m 。另外，h m 不能设计的太薄，这样会易于退磁，永磁体生产的废品率上升， 生产成本提高，而且也不利于运输和装配。 对本设计所采用的无刷直流电机永磁体尺、j 的估算公式为： l m = 6 0 m m h m = 拦等- 4 m m 式中k 。一电动机的饱和系数，其值为1 0 5 1 3 ； 1 8 江苏大学硕士学位论文 k 。一与转子结构有关的系数，取值为0 ，7 1 2 ； 6 卅。一永磁体空载工作点； 万一气隙长度( m m ) ； 盯。一空载漏磁系数； 眈。一气隙磁密基波幅值( t ) ； q 一极距( m m ) ； 三一铁心长度( m m ) ； 艿，一计算剩磁密度( t ) ； k m 一气隙磁通波形系数； m 一轴向长度( m m ) 。 2 3 5 定子槽型 无刷直流电机的定子槽型于普通感应电机基本相同，本设计属于中小型电动 机，故定子槽型选为梨形槽。 丌槽的原则依据电机设计中开槽的基本原理，例如本设计开槽尺寸可以为： 定予槽形尺寸： b s 0 = 2 m m b s l = 4 5 m m b s 2 = 7 3m m h s 0 = 0 9 m m h s l = 0 6 m m h s 2 = 5 m m 厦 i h f 图2 3 1 无刷直流电机的定子槽形设计 1 9 江苏大学硕士学位论文 2 3 6 磁路计算 进行永磁同步电动机磁