永磁无刷直流电机的设计与试验探讨

（江西闽标车辆制造有限公司，九江 332000）

0 引言

随着节能减排与环保意识的不断提升，电机的节能节电问题逐渐受到了业内人士的广泛关注。电机是众多电器、机械设备的动力源，其应用领域相对较广。但是，由于设计与试验环节存在着诸多弊端，导致了电机的应用质量达不到预想效果。因而，做好电机设计要点与试验研究有着重要的意义。

1 永磁无刷直流电机的概述

相比于其他类型的电机，永磁无刷直流电机有着众多的优点：一方面，其结构相对简单，有着较高的输出转矩。另一方面，电机的调速范围较宽，运行期间效率高，有着良好的可靠性和较长的使用寿命。此外，电机运行期间噪音较少、不存在滑动接触与换相火花。随着我国机电一体化技术的不断发展，永磁无刷直流电机综合了控制软件、硬件和微处理器，现已发展成为科技含量较高的创新型产品。尤其在电动车驱动领域的应用，为电动车的制造与行业发展提供了强大的支撑。在进行电机驱动器的设计工作时，要重点进行电机额定工作点以及附近效率的设计与优化，这一环节中要加强对电动车自身特点的分析与研究，进而确保电机有着较大的调速范围和较高的工作效率。在进行永磁无刷直流电机的设计工作时，还要做好磁性材料的选择[1]。目前，应用较为广泛的磁性材料主要包含两种，铁氧体材料以及钕铁硼永磁材料。为了有效改善气隙磁通状况，可以适当的提高磁铁厚度，改善导磁面积。同时，对于转子磁极而言，所选用的磁性材料要具备较弱的磁性，并且材料的磁负荷要低。这样一来，才能确保电动机的齿槽转矩较低，同时保证输出转矩波动较小。此外，该措施还能降低电动机产生的噪音，提高电动机运行环节的平稳性。就磁性材料的价格而言，钕铁硼材料的价格要高出铁氧体材料10倍左右。因而，在电动机尺寸不受限制的条件下，要尽可能选用铁氧体材料，进而降低制造成本。

2 永磁无刷直流电机设计要点分析

2.1 定子结构设计与材料选择

在进行电机设计环节中，对于定子铁耗的计算可以采取下列表达式进行计算。

其中，CFe表征的是修整系数，在磁通密度是B0、磁场频率是f0的状况下，定子铁耗值为K0，其单位为W/Kg。此外，定子铁心的质量用GFe进行表征，n代表的是电机转速，p代表的是极对数。为了降低定子铁耗，减小磁场频率，一般情况下要将转子的极对数设定成1。从上式能够看出，适当减少K0值也能达到降低定子铁耗的目的，该参数与定子材料有着直接的关系。大多情况下，定子叠片使用的是硅钢片，其尺寸为0.5 mm或0.35 mm。随着硅钢片厚度的不断降低，K0值也随之降低，因而定子铁耗将更小。文章所介绍的样机，定子铁心所使用的是0.2 mm的硅钢片，其价格相对较高。由于受到价格方面的影响，使用更薄的硅钢片将违背经济性原则，并且具体加工时也相对麻烦。在进行导线的选择时，由于受到高速电机电磁频率的影响，需要将多股细导线进行并联，并且要对细导线的直径进行控制。本中所介绍的电机，所采用的导线直径r要控制在0.94 mm以内，并且绕组环节中使用21股、直径为0.60 mm的高温铜漆包线进行并联。这一状态下，电机运行时的额定电流为43 A，电流密度在7.25 A/mm2左右。在进行定子结构的设计时，定子槽数可以选用3种不同的结构：3、6、12等。通过对3种不同的定子结构进行分析，可以得出当采用2极6槽集中绕组结构时，其端部较短，进而可以降低空间谐波所导致的转子涡流损耗的问题，定子结构如图1所示。

图1 定子结构

2.2 转子设计

转子设计工作中需要重视转子动力学和转子涡流损耗[2]。电机运行过程中，电磁轴承的控制系统极为复杂。同时，相比于电机而言，轴承所占的体积较大，并且在长期的运行中要具有较高的可靠性。但是，在一些振动严重的场合，其可靠性很难得到保证。对于空气轴承而言，其结构相对简单，但是运行时需要压缩空气，因而整个系统的体积相对较大，耗能方面难以得到控制。文中所使用的轴承为精密滚珠轴承，其转子结构如图2所示。在图2（a）中，轴承结构主要集中于转轴的一侧，这样能够方便轴承润滑系统的设计，这一结构通常被称作单端式轴承支撑结构。在图2（b）中将轴承放置于转轴的两侧，该结构通常被称作两端式轴承支撑结构。通过应用有限元软件对两种不同的转子结构做出动力学分析与研究，可以得到以下结论：一方面，将单端式结构改为两端式结构，可以有效改善转子临界频率。另一方面，为了提高转子机械强度，减少转子的涡流损耗，可以通过在永磁体表面包裹相应的玻璃丝来完成，所用的玻璃丝要具有一定的机械强度，并且电导率要尽可能低。

图2 转子结构

3 永磁无刷直流电机空载试验

为了提高电机运行过程的稳定性与可靠度，在进行空载试验时，主要选用了霍尔位置传感器，并且应用了专用控制芯片MC33035，控制系统如图3所示。

图3 控制系统

在进行转子位置信号的获取时，主要应用到霍尔位置传感器编码技术，3个传感器互差120°电角度。同时，试验过程中将霍尔电路板设计为电机的端压板，以此降低布线长度。此外，在进行中间位置处霍尔电路板的安装工作时，将其反向180°，相比于定子铁心两端长度，转子永磁体的长度要大2 mm左右，进而可以为霍尔位置传感器提供所需的磁场环境。由于应用了高精度滚珠轴承，在润滑条件下电机的空载转速可以稳定在10万r/min上下。试验时，随着电机转速的不断增加，空载损耗也在不断的增大。另外，因为在永磁体的表面包裹上一层玻璃丝作为保护环，因而转子的表面更加光滑，其气隙显著增大，运行环节中转子的风摩损耗能够得到有效控制[3]。对于转子轴承损耗而言，其数据基本与空载损耗减去定子铁耗、绕组铜耗的数值相一致。电机高速运行过程中，定子铁耗与轴承损耗相对严重，当转速达到了10万r/min时，定子铁耗值为353 W、轴承损耗值是169 W。

4 结束语

随着制造工艺与设计理论的不断发展与完善，高速永磁无刷直流电机得到了广泛的应用，其不仅具有功率密度高、体积小的优点，并且电机的技术含量高，有着较高的自动化效果。因而，现阶段要加强对永磁无刷直流电机的研究，做好设计要点以及空载试验的把控，提高电机的应用水平。