目标推算法在永磁无刷电机异形冲片设计中有何应用？

一、写在文前

在工业生产和家用电器中，微特电机被广泛用作控制或驱动元件，而为了应对用户对永磁无刷电机性能多变且研发周期短的要求，需要对无刷电机做系列化、模块化和型谱化以满足市场性能多变的电机需求，即不改变电机的定转子冲片主要结构，快速调整电路参数或铁芯叠长，从而得到满足用户制定的电机性能指标，这样设计出来的电机不仅可靠性比较高，而且研发周期较短，更能迅速对市场做出反应。

目标推算法作为一种重要的思维方法和推算方法，在已有认知的基础上，进一步认识事物的试探性的判断方法，在科学研究中应用比较广泛，推算是以两个或两类对象有部分属性相同的判断为前提，从而推断它们在其他属性方面也具有类似的属性。这种比较实用的方法应用在电机设计中时，就可以从市面或者公司已有产品的电机型号中选一款作为为参考电机，将参考电机和目标电机有目的地联系起来，解决新要求、新指标的电机设计，按照电机目标设计值进行一系列推算过程。

本文将目标推算法应用到永磁无刷电机设计中进行新电机设计，目标电机的推算不是简单按照比例调整电机的某个参数，而是根据参考电机进行综合分析后，设计出和参考电机在性能、外形尺寸上完全不同的电机，而且设计过程简单实用，计算准确度比较高，大大缩短了研发周期，在一定程度上实现了某类无刷电机的系列化。

二、理论计算推导

对新指标的永磁无刷电机进行目标推算，必须先有一个参考电机以及该电机的相关数据，数据越多对目标电机的推算越有利，然而在推算过程中不一定会用到参考电机的所有数据，在推算时取用的电机参数越少越好，然后把要推算的目标电机参数罗列出来，推算出目标电机的目标值。

参考电机和目标电机的外部机械特性是完全不同的，故两个电机的转矩常数KT和反电势常数KE也发生了变化，相对应两个电机的NΦ也不同，然而两种电机的内部特性基本相同，如磁钢形状和材料性能均相同，需要改变的是磁钢长度和铁芯长度。若需要设计出目标电机的性能，首先掌握参考电机的定子冲片基本尺寸和磁钢尺寸，包括冲片的最大内径和外径、齿宽、齿高等参数，磁钢尺寸、牌号等参数。

本文以一款42*42的异性定子冲片结构为例，图1(b)为异性冲片结构，目标电机沿用该冲片结构，如表xx为参考电机的技术参数。

图1(b) 电机异性冲片结构

表1 参考永磁无刷电机技术参数

磁钢GPM-8(环形黏结钕铁硼磁钢)：Br=0.6587T，Hc=416000A/m，电机环形磁钢尺寸数据见表2。

表2 环形磁钢尺寸数据

参考电机空载点和额定点的机械特性曲线如表3所示。

表3参考电机空载点和额定点的机械特性曲线数据

目标电机技术参数如表4所示。

表4 目标电机技术参数

推算如下：

（a）计算目标电机相关性能：

（b）计算目标电机的有效匝数

参考电机和目标电机的转矩常数比值：

目标电机的匝数（取68匝）

（c）计算目标电流电流密度

（d）目标电机推算结果，如表5所示。

表5 目标电机推算结果

三、仿真验证对比

3.1参考电机有限元仿真

本节利用Rmxprt路算和Maxwell 2D场算得到参考电机的空载和负载仿真结果，验证实物测试曲线和仿真结果相近，验证前面对目标电机的推算过程不会出现偏差。

首先在Rmxprt中建立电机模型，根据表xx中数据，输入定转子尺寸参数以及磁钢参数，如图2所示。因在Rmxprt中不可建立定子异性冲片结构，需要在maxwell场算中对定子冲片进行建模。

图2  参考电机几何模型

然后设置电机求解器，对电机进行求解，参考电机机械特性曲线如图3所示。

图3 参考电机的机械特性曲线

最后对参考电机进行分析，由图3和表1分析可知，定转速监测转矩，参考电机额定负载下转速为4000rpm，参考电机的实测负载转矩值为0.2479Nm，参考电机的仿真负载转矩为0.2269Nm，实测输出功率为104.7W，仿真输出功率为95W，参考电机的额定电流5.88A，仿真额定电流为4.89A，实测效率为63.4%，仿真效率为80.9%，综上所述，参考电机路算仿真结果和电机测试结果基本相近。

对参考电机进行maxwell 2d有限元仿真，对电机几何模型前处理，更换定子冲片，如图4所示。

图4 参考电机几何模型

首先对参考电机进行额定负载点仿真，检测参考电机的转矩和转速，如图xx所示。

图5 参考电机的额定点转矩和转速

检测电流变化以及电机内部磁密云图，如图6和图7所示。

图6 三相电流

图7 额定点磁密云图

由图5和图6可知，参考电机在额定负载0.25Nm下的输出转速为3916rpm，额定电流5.42A，场算结果和路算结果基本相似。

其次对参考电机的空载点进行仿真，空载转速和转矩如图8所示，磁密云图如图9所示。

图8 空载转速和转矩

图9 空载点磁密云图

最后对参考电机的反电势常数进行仿真，如图10所示，空载转速为5200rpm，线反电势为25V，则通过计算得反电势常数为0.0048V/rpm，转矩常数为0.04584N·m/A。

图10 线反电势

综上所示，参考电机的空载点和负载点与电机实测值基本吻合。

3.2目标电机有限元仿真

小节2根据参考电机推算了目标电机的参数，包括转矩、功率、匝数和电流等参数，目标电机的冲片尺寸和参考电机的冲片尺寸完全相同。

首先在Rmxprt中输入定转子参数，定转子叠长由80mm变成15mm，磁钢牌号不变，目标电机的绕组参数发生了较大变化，如图11为目标电机的几何模型。

图11 参考电机几何模型

然后设置电机求解器，对电机进行求解，参考电机机械特性曲线如图12所示。

图12 目标电机机械特性曲线

最后对目标电机进行分析，由表4分析可知，定转速监测转矩，目标电机额定负载下转速为4000rpm，目标电机的仿真负载转矩为0.634Nm，目标电机的仿真输出功率为26.5W，仿真额定电流为1.58A，仿真效率为68%，综上所述，目标电机路算仿真结果和期望值结果基本相近。

对目标电机进行maxwell 2d有限元仿真，对电机几何模型前处理，更换定子冲片，如图13所示。

图13 参考电机几何模型

首先对目标电机进行额定负载点仿真，检测参考电机的转矩，如图14所示。

图14 目标电机的额定点转矩

检测电流变化以及电机内部磁密云图，如图15和图16所示。

图15 三相电流

图16 额定点磁密云图

由图14可知，目标电机在额定负载0.062Nm下的输出转速为4014rpm，额定电流1.51A，场算结果和路算结果基本相似。

其次对目标电机的空载点进行仿真，空载转速和转矩如图17所示，磁密云图如图18所示。

图17 空载转速和转矩

图18 空载点磁密云图

最后对目标电机的反电势常数进行仿真，如图19所示，空载转速为5782rpm，线反电势为23.6V，则通过计算得反电势常数为0.00408V/rpm，转矩常数为0.038964N·m/A。

图19 线反电势

综上所示，目标电机的空载点和负载点与电机期望值基本吻合。

四、目标电机部分测试点

根据路算和场算仿真参数制造了样机

推算法求得的目标电机实测机械特性曲线（部分点），如表6所示。

表6 目标电机实测值

参考电机和目标电机的性能误差分析如表7所示

表7 性能误差分析表

综上所述：使用目标推算法设计永磁无刷电机准确度相对较高，为永磁无刷电机设计提供了参考。

五、结论

本文将现有的无刷直流电机作为参考电机，对目标电机进行了推算和仿真，得到了目标电机的空载和负载性能，再对目标电机进行了样机制造，通过对样机实测得到其空载和负载性能，验证了在永磁无刷电机实现系列化和型谱化过程目标推算法的重要性和准确性，从而大大缩短了研发周期，对其他永磁无刷电机的目标推算提供了一定的参考。

审核编辑：刘清