永磁无刷直流电机的设计

永磁无刷直流电机的设计
摘要：永磁无刷直流电机是一种新型电机，其特点是不需要传统的机械电刷，因此在家用电器等领域得到广泛运用。

其简单结构、高可靠性和高效率使其备受青睐。

关键词：永磁无刷直流电机；设计
虽然其工作原理与传统的电磁式直流电机相似，但借助高性能的永磁材料和电子控制技术，这种电机在单位体积内能提供较高的转矩，同时转矩惯性比较小，启动时的转矩也很大，此外，其调速特性也相当优越。

因此，在家用电器领域，永磁无刷直流电机得以广泛应用。

1.永磁无刷直流电机的主要特点和应用
1.1永磁无刷直流电机的主要特点
(1) 由于无电火花和磨损问题，永磁无刷直流电机拥有卓越的工作寿命和高度可靠性。

(2) 其低转动惯量和高转矩惯量比使其具有出色的响应速度。

(3) 通过永磁体产生的气隙磁场，使得电机的效率和功率因数保持在高水平，且发热主要分布在定子上，便于热量散发。

(4) 虽然与有刷直流电机相比略微成本较高，但与异步电机相比，其控制性能卓越。

1.2永磁无刷直流电机的主要应用
目前，不断扩大的市场需求迅速推动了永磁无刷直流电机的蓬勃发展。

自上世纪90年代起，随着科技的不断进步，永磁材料的性能得到了显著提升。

尤其以钕铁硼等第三代永磁材料为代表，不仅在耐腐蚀性方面有了巨大突破，其在高温环境下的稳定性也得到了
显著提升，同时生产成本也在逐步降低。

许多高校和制造单位都在永磁无刷直流电机的研发中投入了大量资源，为其发展注入了新的活力。

永磁无刷直流电机的功率范围广泛，从毫瓦级到数十千瓦级不等，为用户提供了多样的选择。

2.无刷直流电机的结构及工作原理
2.1无刷直流电机的基本结构
无刷直流电机的基本组成结构包括电机本体、转子位置传感器和电子换相电路，具体如图2.1所示。

图2.1永磁无刷直流电机系统的组成结构示意图
无刷直流电机的结构类似于永磁同步电机，其核心部分是电机本体，是实现机电能量转换的核心。

因此，其设计在确保整个系统可靠运行方面具有关键性作用。

为了代替传统的机械换相，位置传感器用来监测转子磁极的位置。

传感器输出的位置信号会经过逻辑单元处理，产生相应的开关信号。

这些开关信号触发驱动控制电路中的功率开关元件，将直流电能转化为机械能，从而产生输出转矩，实现电机的可靠运行。

2.2无刷直流电机的工作原理
在永磁无刷直流电动机的控制拓扑中，最常见且广泛应用的是星形三相半桥式和星形三相桥式。

三相全桥驱动方式以其高效率和卓越性能而著称，每相的通电时间占据2/3个周期。

相比之下，三相半控电路采用三相半桥，虽然结构简单，但电流仅能单向流动，每个绕组只在1/3周期内通电，导致电能利用率较低、电流断续时间长、电流波动明显，从而造成转矩波动较大。

相对于三相半桥，三相全控电路具有双向电流流动的特点，每相的通电时间占据2/3周期，电流断续时间短，从而转矩脉动较小，实现高效率运行。

因此，常常选择三相全控电路来驱动永磁无刷直流电机。

然而，三相全控方式又分为二二导通和三三导通两种，两者都在每个周期内换相6次。

在二二导通情况下，每一瞬间有两个开关管导通，每个管导通120°电角度。

而在三三导通情况下，每一瞬间都有三个开关管导通，每个管导通180°电角度。

图2.2 三相半桥结构
图2.3三相全桥结构
在二二导通模式下，每个周期内单相绕组导通120度。

在永磁无刷直流电机中，始终有一个相绕组处于未导通状态，而其他两个相绕组则在经过PWM斩波控制后以高频率进行切换操作。

通过按照特定的导通顺序（如T1T6、T1T2、T3T2、T3T4、T5T4、T5T6等）来操作，可以产生旋转磁场，从而使转子连续顺时针旋转。

如果导通顺序颠倒，转子则会逆时针旋转。

这种导通顺序通常按照以下六个步骤进行：首先是A相和B相，接着是A相和C相，然后是B相和C相。

这个导通顺序会循环重复，因此也被称为六步导通法，如图2.3所示。

在六步法状态运行下，永磁无刷直流电机理想的反电势波形及开关管的开通状态如图2.4所示。

图2.4反电势波形图
3.永磁无刷直流电机的设计
3.1电机的基本参数
运用绿色额定电压310Ｖ，额定转矩0.3Ｎ·ｍ，额定转速1000ｒ/min，工作温度范围－55℃－70℃，采用闭环转速控制。

3.2永磁磁极材料的选取
永磁无刷直流电机的关键材料包括铁氧体注塑磁石、铁氧体烧结磁石和钕铁硼磁石，这是三种常用的材料。

在这些材料中，钕铁硼磁石拥有最强的磁性，其剩余磁感应强度可达1.4T。

当需要高功率密度时，通常选择钕铁硼磁石，但需要注意的是，钕铁硼的最高工作温度为110℃，因此在高温环境下应谨慎使用。

从机械性能角度来看，钕铁硼材料更容易进行切割、钻孔以及复杂形状的加工。

然而，由于其中含有钕和铁元素，它们容易受到粉化和腐蚀，导致化学稳定性较差。

为了减缓氧化速度，常常在钕铁硼磁石的表面涂覆约
10～40μm的环氧树脂层，以隔离外界空气的影响。

另一种方法是采用电泳或电镀处理，不同的镀层会带来不同的抗腐蚀性能。

3.3定子铁芯材料的选取
在永磁无刷直流电机中，定子铁芯充当导磁体，因此选择软磁材料作为其材料。

软磁材料具有磁导率高、矫顽力小、容易被磁化等特点，通常其矫顽磁力小于几百安匝每米。

为了减少能量损失，对软磁材料有一些要求，例如磁阻小、饱和磁通密度高、剩磁小、电阻率大、磁性能稳定、高居里温度以及良好的机加工性能。

因此，定子铁芯的选择需要考虑这些特性，以保障永磁无刷直流电机的高效运行和低能量损耗。

4.永磁无刷直流电机仿真模型的建立
4.1建立电机几何模型
创新的过程包括对设计计算和实际应用情况的综合思考，以制定电机的电磁设计方案。

基于电机的参数设定（电压310V、额定转矩0.3N·m、额定转速1000r/min）以及几何尺寸（内径16mm、外径92mm、长度41mm），在选择永磁材料时，可以考虑铁氧体或钕铁硼等选项。

同时，定子铁芯可以由厚度为0.35mm的硅钢片叠压而成，以平衡工艺性能和叠压效果。

此外，电机的设计还需考虑具体的槽数（12槽）以及极对数（4对极）。

这些因素综合考虑，将有助于形成一个优化的电机设计方案。

4.2网格划分
网格剖分的原则是，在气隙和齿部需要更密集的剖分，而在轭部以及定子和转子铁芯部分则需要较疏的剖分。

本文中采用了最大的剖分单元长度为1mm。

4.3设定求解选项及运动区域
在进行二维瞬态分析时，需要在模型窗口中设定适当的运动选项。

在此过程中，应选择模型中包含转子的Band面，以便进行运动类型、数据信息和机械信息等参数的设置。

设定的参数包括终止时间（0.1秒）、求解步长（0.0002秒）以及场信息保存时间（0.1秒）。

一旦完成这些设置，应进行自检以确保设置无误，随后可进行求解和后处理步骤。

5.结语
在本文中，首先对永磁无刷直流电机的显著特点和广泛应用进行了深入分析。

接着，探讨了无刷直流电机的结构及其工作原理，为后续内容奠定了基础。

随后，对永磁无刷直流电机的设计进行了详细探讨，着重考虑了各个方面的因素。