節(jié)能減排、高效環(huán)保已成為當(dāng)前國內(nèi)外共同的主題。電機(jī)作為用電器或者各種機(jī)械的動(dòng)力源，其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)無處不在，故電機(jī)的節(jié)能節(jié)電具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬、效率高、噪音低、可靠性高、使用壽命長、無滑動(dòng)接觸和換相火花等優(yōu)點(diǎn)，已日益發(fā)展為集特種電機(jī)、微處理器、控制軟件體的機(jī)電一體化高科技產(chǎn)品。三相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)控制電路和生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，可靠性好以及噪音低，在航空、航天、家用電器、醫(yī)療等行業(yè)的風(fēng)機(jī)中獲得廣泛應(yīng)用

  近年來，隨著三相永磁無刷直流電機(jī)應(yīng)用的電壓計(jì)功率范圍的擴(kuò)大，在交流供電的風(fēng)機(jī)中應(yīng)用已經(jīng)越來越受到人民的關(guān)注，為了滿足風(fēng)機(jī)的新需求，對(duì)三相永磁無刷直流電機(jī)的尺寸、齒糟轉(zhuǎn)矩、電磁噪音、運(yùn)行性等提出了新的要求。因此，合理的點(diǎn)擊設(shè)計(jì)對(duì)較高的電壓或者較大功率的三相永磁無刷直流電機(jī)有著重要的意義,在航空、航天、家用電器、醫(yī)療等行業(yè)的風(fēng)機(jī)中獲得廣泛應(yīng)用

本文以設(shè)計(jì)的一款10000r/min、300W、4極的三相永磁無刷直流電機(jī)為實(shí)例，利用Maxwell 2D 建立了這款電機(jī)的二維有限公司元仿真模型，給出電機(jī)的反電勢(shì)、氣隙磁密喝電磁場(chǎng)的分布情況，分析齒槽轉(zhuǎn)矩、輸出轉(zhuǎn)矩，計(jì)算空載永磁體磁場(chǎng)諧波等，并在詞寄出上試制了樣機(jī)，完成了有關(guān)性能的測(cè)試，驗(yàn)證了電磁設(shè)計(jì)和仿真分析的正確性，為采用三相永磁無刷直流電機(jī)進(jìn)行了節(jié)能節(jié)電的分析與設(shè)計(jì)提供一些有意義的參考

1. 三相永磁無刷直流電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)

1.1主要技術(shù)參數(shù)

1.2電機(jī)的主要尺寸確定

電動(dòng)機(jī)的主要尺寸和計(jì)算功率、轉(zhuǎn)速、電磁負(fù)荷有光

其中，Di為定子內(nèi)徑，L為鐵芯長度nN為額定轉(zhuǎn)速，ai為極弧系數(shù)，取0.7~0.8；P為計(jì)算功率，取P=(1.1~1.2)ＸPn;K 為氣隙磁場(chǎng)的波形系數(shù)，為正弦分布時(shí)Kφ=1.11;KW為基波繞組 系數(shù)，本電磁方案用集中繞組

1.3電機(jī)永磁材料的選取

永磁體材質(zhì)的性能在一定的程度上決定著電機(jī)的尺寸和性能，目前，永磁無刷電機(jī)的應(yīng)用上的磁性材質(zhì)主要是鐵氧體和釹鐵硼

（1）    鐵氧體的矯頑力溫度系數(shù)為0.27%/K,在允許范圍溫度越高，矯頑里越高；釹鐵硼矯頑力溫度系數(shù)-（0.4~0.7）%/K，通常最高工作溫度為150℃，溫度 穩(wěn)定性能比鐵氧體差

（2）    釹鐵硼是目前磁性能最強(qiáng)的用詞材料，其最大的磁能積為鐵氧體永磁材質(zhì)的5~12倍。因此，在相同的尺寸下能提供更大的氣隙磁通和輸出轉(zhuǎn)矩。但是目前釹鐵硼價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鐵氧鐵，同等重量下的釹鐵硼價(jià)格是鐵氧體價(jià)格的6~7陪

（3）    對(duì)三相永磁無刷直流電機(jī)，通過增加磁鐵的厚度和供磁面積，可以有效增加氣隙磁通。鐵氧鐵磁負(fù)荷教低，以至電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩和輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)也較小，能減少噪音。

綜合技術(shù)要求和材質(zhì)，本設(shè)計(jì)選擇釹鐵硼作為磁性材料

1.4永磁體厚度的選取

式中：Ks為外磁路的飽和系數(shù)；Kδ為氣隙系數(shù)；Bδ為氣隙磁密； δ為平均氣隙長度；μo為真空磁導(dǎo)率；Hc為內(nèi)稟矯玩力。

永磁體厚度需綜合電力性能與成本，按需要的氣隙磁通密度通過磁路計(jì)算來選擇。磁鋼外徑≈0.024~0.072時(shí)，內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁體內(nèi)徑/外徑=0.85~0.9之間最佳

1.5電樞沖片的設(shè)計(jì)

1.5.1電樞槽書的確定

在永磁無刷直流電機(jī)中，采用較多的槽數(shù)可減少線圈匝數(shù)，也有利于換向，但槽絕緣增加，槽利用率降低，可能造成根部過窄。槽數(shù)Q通常按以下經(jīng)驗(yàn)公司確定，其中Dα為電樞直徑：

1.5.2電樞的結(jié)構(gòu)

電機(jī)的長徑比的選擇對(duì)電機(jī)的性能和經(jīng)濟(jì)性有很大的影響。主要因素包括參數(shù)、溫升、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、耗銅量和轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度等

短軸長徑的電樞結(jié)構(gòu)，比細(xì)長性的結(jié)構(gòu)電動(dòng)機(jī)更容易下線，有利于提供生產(chǎn)效率。同時(shí) ，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，能避免因電機(jī)的轉(zhuǎn)矩強(qiáng)迫振蕩頻率與電機(jī)的固有頻率接近而產(chǎn)生共振，還可以限制負(fù)載時(shí)功率震動(dòng)的幅值。因此，本文設(shè)計(jì)的三相永磁無刷直流電機(jī)采用短軸長徑的電樞結(jié)構(gòu)。

2. 設(shè)計(jì)流程

電機(jī)設(shè)計(jì)流程包括主要尺寸的確定、長徑比的確定、永磁體的形狀選擇、軛高和齒寬的計(jì)算等。通過對(duì)電機(jī)的參數(shù)計(jì)算、校驗(yàn)，最終確定電機(jī)各個(gè)部分的尺寸

5由以上分析，本文設(shè)計(jì)的三相永磁直流帶你及主要參數(shù)如下表

利用電磁場(chǎng)有限元分析軟件Ansys中的Maxwell 2D建立三相永磁無刷直流的二維有限元模型

4.基于有限元法的分析與計(jì)算

4.1樣機(jī)的反電勢(shì)

仿真得到的樣機(jī)的反電勢(shì)波形，反電勢(shì)波形為非平頂波。無刷直流電機(jī)的繞組存在一定的電感，導(dǎo)致電流不能快速變化，一般情況下的電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)只是接近梯形

4.2氣隙磁密

利用Maxwell 2D靜磁場(chǎng)求解，得到樣機(jī)的氣隙磁密波形圖

4.3磁場(chǎng)分布

 基于有限元的基本原理，計(jì)算了電機(jī)的空載磁場(chǎng)，并得到負(fù)載磁場(chǎng)分布圖 不能快速變化，一般情況下的電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)只是接近梯形