1 引言

永磁無刷直驅電機能夠直接連接負載，并可以輸出較大的轉矩，具有穩定的低速運行特性、線性度好、反應速度快、具有寬調速范圍和軟機械特性等優點[1]，也可以長時間工作在堵轉條件下[2]，使其被廣泛應用于橡膠、紡織、造紙、機械制造、塑料、金屬線材和電線電纜等工業中[3]。由于實現了高精準的控制，在光電跟蹤系統、等火炮隨動系統武器裝備系統中也常有應用。直驅電機同樣也應用在現代高檔數控機床的數控轉臺上，數控轉臺是將直驅電機技術與轉臺技術高度集成，采用永磁無刷直驅電機直接驅動來完成旋轉運動[4]。這種結構的數控轉臺，其制造工藝簡單，具有損耗低、電氣時間常數小、加速度高，“零傳動”，精度保持性好等特點。本文針對某型永磁無刷直驅電機展開研究，主要對堵轉性能、空載轉速等參數進行詳細研究。

2 電機設計流程和參數指標

2.1 主要參數指標和外形結構

本文根據實際應用場景需要，對電機進行了初步設計，參數指標如表1所示。

表1某型永磁無刷直驅電機的主要參數指標

2.2 主要材料選擇

永磁無刷直驅電機主要部件是定子鐵芯、轉子軛和磁鋼，定子鐵芯和轉子軛是磁通路徑。轉子軛不做沖片，使用導磁性能良好的不銹鋼，選為不銹鋼1Cr13Ni9Ti；該永磁無刷直驅電機體積較小且堵轉力矩較大，使用普通硅鋼片時電機各部分磁密過高，故定子沖片材料選用1J79軟磁合金，當磁場強度H為50A/m時磁通密度B為2.5T，其BH曲線如圖1所示。

圖11J79軟磁合金磁化曲線

磁鋼是電機內部主磁通的建立者，它的主要性能參數包括剩磁Br、矯頑力Hc、最大磁能積BHmax，釹鐵硼具有較高的Br和Hc，故在永磁電機中被廣泛應用[6]，但釹鐵硼的化學穩定性較差，必須在制造加工環節中添加鍍膜工藝[7]，考慮到直驅電機主要輸出力矩為主，磁鋼采用燒結釹鐵硼N42SH，該材料的特性參數如表2所示。

表2釹鐵硼N40SH材料特性

3 電磁仿真

3.1 靜磁場仿真

該型永磁無刷直驅電機是永磁電機，其主磁通是磁鋼建立的，當電機處于靜止狀態時，電機內部各部分磁密如圖2所示。

圖2磁密云圖

(a)氣隙磁密

(b) 定子齒磁密

(c)定子軛磁密

(d)轉子軛磁密 圖3電機內部各部分磁密

由圖3可知，永磁無刷直驅電機磁密云圖均未出現紅色，表示電機內部各部分均未飽和，由圖5(a)~(d)可知，氣隙磁密Bδ是1.0T，定子齒磁密Bst是1.5T，定子軛磁密Bsy是1.1T，轉子軛磁密Bry是0.9T，該設計方案合理可行。

3.2 電機峰值和連續堵轉仿真分析

電機堵轉是指電機轉速為零且有力矩不為零，在堵轉工況下，電機仍可以正常工作且不發生故障，由表1可知，該型直驅電機需要在峰值堵轉和連續堵轉狀態下，峰值堵轉電流不超過2.2A，連續堵轉電流不超過1.2A，無刷直流電機是兩相導通三相六狀態控制方式，當電機處于堵轉狀態時，只有某一個狀態在通電。

根據表1性能指標，該電機峰值堵轉力矩≥0.20Nm，峰值堵轉電流≤2.2A，連續堵轉力矩≥0.10Nm，連續堵轉電流≤1.2A。假如電機啟動時就處于堵轉狀態，在Maxwell中設置轉子轉動慣量為無窮大，電機轉速如圖4所示。

圖4電機轉速

由圖4可知，當設置轉子轉動慣量為無窮大時，電機轉速為零，模擬電機堵轉狀態。

當電機啟動處于堵轉時，此時通電兩相是C+B-，該狀態下峰值堵轉轉矩和連續堵轉轉矩如圖5所示。

（a）峰值堵轉

（b）連續堵轉

圖5堵轉力矩

堵轉狀態下峰值堵轉電流和連續堵轉電流如圖6所示。

（a）峰值堵轉

（b）連續堵轉

圖6堵轉電流

該永磁無刷直驅電機堵轉時，輸入力矩較大使得電樞電流也較大，會導致電機內部各部分磁密增加，如圖7為電機堵轉下的磁密云圖。

（a）峰值堵轉

（b）連續堵轉

圖7堵轉狀態下磁密云圖

（a）峰值堵轉定子齒磁密

（b）連續堵轉定子齒磁密

圖8堵轉磁密曲線

由圖7磁密云圖可知，當該永磁無刷直驅電機處于堵轉狀態時，定子齒部磁密比較飽和，由圖8曲線可知，電機峰值堵轉和連續堵轉下，定子齒部磁密分別2.3T和1.9T，電機峰值堵轉下，定子齒磁密接近飽和，電機連續堵轉下，定子齒磁密未飽和，該設計合理。

3.3 電機啟動到穩態過程

根據表1可知，電機性能需滿足空載轉速為2000rpm±200rpm，空載電流≤0.15A，仿真結果如圖11所示。

圖9空載轉速

圖10三相空載電流

如圖9和圖10可知，電機空載轉速n0為1850rpm，空載電流I0＜0.23A，滿足電機指標，該方案設計合理。

3.4 線電感

該永磁無刷直驅電機工作在峰值堵轉狀態，相電感為如圖11(a)所示,此時為CB相導通，相電感之和為線電感，如圖11(b)所示。

(a)相電感

(b)線電感

圖11三相電感

3.5 齒槽轉矩和反電動勢

圖12齒槽轉矩

圖13相反電勢和線反電勢

由圖12和圖13分析可知，仿真結果齒槽轉矩8mNm，指標為10mNm。當電機轉速為1rpm時，感應電壓為線反電勢，線反電勢為0.014V/rpm，指標為0.013V/rpm，仿真結果符合電機指標要求，設計合理。

由3.2節仿真結果分析可知，該永磁無刷直驅電機堵轉性能和空載性能仿真結果完全滿足指標要求，設計合理。

4 結構仿真設計

4.1 強度分析

4.1.1 定子機殼強度分析

定子機殼材料為1Cr13Ni9Ti，當對定子機殼左側和右側施加100N壓力時，形變和應力如圖14所示。

（a）形變

（b）應力

圖14 強度分析

定子機殼最大形變為0.006mm，最大應力26.4MPa，遠小于屈服強度，滿足結構強度設計要求。

4.1.2 轉子機殼強度分析

定子機殼材料為1Cr13Ni9Ti，當對轉子機殼左側固定，對右側施加100N壓力時，如圖25所示。

（a）形變

（b）應力

圖15 強度分析

轉子機殼最大形變為0.00036mm，最大應力5.01MPa，遠小于屈服強度，滿足結構強度設計要求。

4.2 溫度場分析

4.2.1 熱源的確定

正文電機主要熱源有繞組銅損耗和定子鐵耗，電機啟動時處于堵轉狀態，從啟動到輸出堵轉轉矩時，輸入電流有一個從小到大的變化過程，故導致鐵耗也處于從小到大的變化過程，然而鐵耗和頻率成正相關，當電流頻率不發生變化時，鐵耗也為零，當電機處于堵轉時，而繞組只有一個狀態處于通電狀態，而此時勵磁電流最大，銅耗也最大，如圖16~圖17所示。

（a）峰值堵轉鐵耗

（b）連續堵轉鐵耗 圖16鐵耗曲線

（a）峰值堵轉銅耗

（b）連續堵轉銅耗

圖17銅耗曲線

如圖16~圖17所示，電機堵轉下轉速和輸出功率為零，輸入功率幾乎都轉化為銅耗，銅耗為53.5W，連續堵轉下，銅耗為13.4W，而鐵耗基本為零。

4.2.2 峰值堵轉瞬態熱分析

電機處于峰值堵轉狀態下的工作時長持續3s，當電機工作時長持續3s以上，則電機溫升過高，極有可能導致電機損壞，如圖18所示為電機各部位溫度分布云圖。

（a）定子機殼

（b）繞組

（c）磁鋼

（d）定子鐵芯

圖18 電機內部溫度云圖

4.2.3 連續堵轉瞬態熱分析

電機處于連續堵轉狀態下的可以長時間工作，且電機溫能不會導致電機損壞，如圖19所示為電機各部位溫度分布云圖。

（a）定子機殼

（b）繞組

（c）磁鋼

（d）定子鐵芯

圖19 電機內部溫度云圖

5 實測數據分析

利用測試平臺對3臺樣機的主要性能指標進行了測試，數據如表3所示。

表3主要性能指標測試表

通過表3可以看出1#、2#、3#樣機實測的堵轉力矩，堵轉電流，最大空載轉速、常溫空載電流、電樞線電阻與電機電磁設計仿真的仿真值基本一致。

6 結論

本文分析了永磁無刷直驅電機的性能指標、對電機的主要尺寸、材料、繞組進行了設計和選擇，利用Maxwell電磁仿真軟件對電機氣隙磁密、定子齒、定子軛、轉子軛磁密進行了分析，對電機不同堵轉工況進行了有限元仿真分析，利用Workbench軟件對電機進行結構強度和溫度場仿真，設計仿真數據與 3只電機的測試數據基本一致，從而進一步驗證了該型直驅電機設計方案的合理性和準確性，對永磁無刷直驅電機的設計具有一定的參考意義。

審核編輯：劉清