Ansoft Rmxprt无刷直流电动机设计

顾欣

（浙江国际海运职业技术学院，浙江 舟山 316021）

1 BLDCM结构及原理

1.1 BLDCM结构

永磁无刷直流电机构成如图1所示。

图1 永磁无刷直流电机构成

代表的意义为每一极每一相的槽数：

式中，m表示的是本文所述电机的绕组相数；Z表示的是定子槽数；p表示的是极对数。根据电机槽数q值得不同，BLDCM可分为分数槽结构和无槽结构两种。

1.2 BLDCM绕组连接与导通

永磁无刷直流电机换相电路典型拓扑结构有半波单极和全波双极性两种电路。

三相绕组通常运用的换相电路有两种形式，即全桥式和非桥式，其中优选方式为全桥式120°。

1.3 永磁无刷直流电机数学模型

在搭建数学模型之前，进行一定的假设：（1）三相绕组完全对称；（2）假设铁损和杂散的能量损耗能够忽略不计；（3）假设磁饱和对电机的影响能够忽略不计。

通过上述假设能够获得的三相绕组电路的耦合方程如式（2）。

式中，ua、ub、uc为定子绕组端电压（V）；ia、ib、ic代表的是定子绕组的相电流（A）；ea、eb、ec代表的是定子绕组的反电动势（V）；R指的是每一相的绕组的电阻（Ω）；Laa、Lbb、Lcc为各相的自感（H）；Lab、Lba、Lac、Lca、Lbc、Lcb指的是互感参数（H）；p代表微分算数符号（d/dt）。

如果转子的磁阻与角度的转变没有关系，三相对称情况下，Laa、Lbb、Lcc相等，Lab、Lba、Lac、Lca、Lbc、Lcb相等，获得下式：

定子三相绕组为星形连接，则有：

将以上两式代入式（2）可得：

则电机的输出功率为：

由电机的基本原理可得，永磁无刷直流电机的转矩方程为：

其中：Ω为电机转子的角速度（rad/s）；

电机的运动方程为：

式中，Te为电机的电磁转矩（N·m）；TL为电机的负载转矩（N·m）；J为电机的转动惯量（kg·m2）。

2 基于反电动势检测的无位置传感器控制

2.1 基于端电压反电势软件算法的实现

依照二二导通原理，电机中BLDCM如果是结构为星型结构六状态相位变化角度为60°。三相电机的back-EMF总共有六个零点。

2.2 相移补偿方法分析

如果说BLDCM运行速度为其额定转速n=3000r/min，极对数P=2，那么电机中的电压和电流信号频率可以表达为：

由Kirchhoff电流定律得：

整理后得到系统的传递函数：

故其延时角度为：

BLDCM换相点总是出现在back-EMF过零点延时：

3 永磁无刷直流电机设计分析

3.1 电机主要尺寸

根据已确定的外形尺寸φ35.8×42mm，进而能够预设电机机壳尺寸和铁芯的长度大小。

在综合考虑到机体装配要求和机体本身的机械强度的前提下，将电机的尺寸设计为：机壳外径φ35.8，机壳厚度1.3mm，机壳内径φ33.2mm；考定子外径φ33.2mm，定子铁心长度27mm。

3.2 电机气隙长度

电机本身的杂散损耗与电机内部部件之间的气隙大小有关，气隙大小与损耗大小成反比关系，而气隙越大的电机本身的损耗越大性能越差，所以基于以上考虑，气隙长度选择为0.6mm。

3.3 电机永磁体及转子结构

实际生产大多应用铁氧体永磁材料，设计中考虑到了绕组和铁芯的利用效率，选用永磁体轴向长度为33mm，比铁芯长度长6mm，其中hM为3.4mm，bM为9mm。通过高温胶水固定永磁体进而能够防止永磁体在电机运行时的振动条件下发生脱落，永磁体贴于转子铁芯外表面，并且在转子永磁体外表面上加装铝套进行机械固定，增强电机运行的稳定性。

3.4 电机定子结构

由于永磁体类型气隙磁密约为0.36T,铁芯磁密最大值为1.5T，所以Bg/Bmax=0.24，参考设计手册中的数值可以确定，定子裂比的最优值在0.56，则定子内径为33mm×0.56=18.5mm，本文所设计的BLDCM选用的转定子材料考虑电机的设计制造成本与最优性能，因而选用了通用硅钢片50A800。

3.5 Rmxprt建模与计算分析

在电机的基本设计参数完成设定情况下，进一步调整其他结构参数，同时输入Rmxprt建模分析。

通过上述数据参数能够获得，BLDCM的设计参数都低于正常设计值，能够减小铁耗，抑制温升，其中定子齿部磁密1.28T，定子及转子轭部磁密0.65T，0.61T，铜线满槽率为74%。

4 结语

本文主要采用Ansoft Rmxprt无刷直流电动机设计，具体获得成果如下：（1）说明了BLDCM的结构和永磁无刷直流电机绕组的连接与导通方式。（2）利用Rmxprt建立了电机的模型并进行计算分析，并对永磁体尺寸进行了优化。