李籽劍 ，易　棟

(1.廣西大學(xué) 電氣工程學(xué)院，廣西　南寧　530004；2.恒隆企業(yè)集團(tuán)研究院，湖北　荊州　434000)

?

電子鎖驅(qū)動(dòng)用0.2Nm低速無刷直流電動(dòng)機(jī)電磁設(shè)計(jì)

李籽劍1，易棟2

(1.廣西大學(xué) 電氣工程學(xué)院，廣西南寧530004；2.恒隆企業(yè)集團(tuán)研究院，湖北荊州434000)

摘要：隨著日常生活中被盜事件的頻繁發(fā)生，電子鎖的使用越來越廣泛。無刷直流電動(dòng)機(jī)作為電子鎖系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，必須具備響應(yīng)速度快、價(jià)格低、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)。本文對電子鎖中驅(qū)動(dòng)用無刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，并利用有限元磁場分析軟件Maxwell.16.0對磁路的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行矯正。由于場路結(jié)合法的優(yōu)越性，可以很精確地計(jì)算出電機(jī)瞬態(tài)性能的參數(shù)，得到一個(gè)相對來說較為滿意的電磁設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：無刷直流電動(dòng)機(jī)；電子鎖；有限元；電磁設(shè)計(jì)

如何實(shí)現(xiàn)家庭防盜一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的機(jī)械鎖由于其機(jī)構(gòu)簡單，被撬的事件時(shí)常發(fā)生。而電子鎖的保密性高、使用靈活性好、安全系數(shù)高，受到了廣大用戶的喜愛，并且其中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)裝置也成為了熱門的研究方向。

由于電子鎖體積小，極數(shù)太多的電動(dòng)機(jī)在制造與加工上有很大的難度，所以市場上用于電子鎖驅(qū)動(dòng)的直流電機(jī)一般最多只有12極。同時(shí)，在設(shè)計(jì)時(shí)，還要求電機(jī)有足夠的扭矩和功率。傳統(tǒng)電子鎖是用有刷直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的，但是無刷直流電機(jī)去掉了碳刷，用電子元器件代替，使得換向時(shí)無機(jī)械接觸，相比于有刷直流電機(jī)，它有運(yùn)行聲音較小、無火花、壽命長、轉(zhuǎn)速快的優(yōu)點(diǎn)。無刷直流電機(jī)的改善前景明顯高于有刷直流電機(jī)。目前的科研方向也是往無刷方面發(fā)展，故無刷直流電機(jī)有代替有刷直流電機(jī)成為電子鎖中主要驅(qū)動(dòng)電機(jī)的趨勢。

本文研究的是電子鎖中驅(qū)動(dòng)用低速無刷直流電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)，所以此類電機(jī)必須具有小巧、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，而且轉(zhuǎn)矩要達(dá)到0.2Nm的要求。還有我們要設(shè)計(jì)出適當(dāng)?shù)碾姶艆?shù)，以滿足上述要求的運(yùn)行特性，例如起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)、時(shí)間常數(shù)、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度以及效率等。電子鎖中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)是通過電池供電，故我們需要設(shè)計(jì)出高效節(jié)能的電機(jī)來達(dá)到省電的目的。同時(shí)我們還必須考慮所設(shè)計(jì)電機(jī)的尺寸，使其能在電子鎖中運(yùn)行。

一、電子鎖驅(qū)動(dòng)用無刷直流電機(jī)電磁設(shè)計(jì)

1. 額定數(shù)據(jù)與尺寸設(shè)計(jì)

永磁無刷直流電機(jī)主要尺寸的設(shè)計(jì)、定子轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)、永磁體的設(shè)計(jì)都是電磁設(shè)計(jì)的一部分，可以通過改變電機(jī)的各個(gè)參數(shù)來提高無刷直流電機(jī)的效率 、功率因數(shù)、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩 。表1是電機(jī)的額定數(shù)據(jù)，表2是電機(jī)定子轉(zhuǎn)子的尺寸。

表1　額定數(shù)據(jù)

表2　定子與轉(zhuǎn)子尺寸

繼表2　定子與轉(zhuǎn)子尺寸

2．電樞繞組與定子槽的設(shè)計(jì)

繞組排布的設(shè)計(jì)主要是遵循削弱諧波和減小損耗的原則。本次設(shè)計(jì)的無刷直流電動(dòng)機(jī)采用的雙層疊繞組和定子Y接的形式，可以有效地避免繞組中產(chǎn)生環(huán)流，減小損耗。

由于本次設(shè)計(jì)的無刷直流電動(dòng)機(jī)要用于電子鎖中，所以電機(jī)定子槽數(shù)不宜太多，否則生產(chǎn)難度會比較大。但是槽數(shù)越多，越可有效地改善氣隙磁阻不均勻的問題，減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

根據(jù)本電機(jī)的需要，定子槽數(shù)為Q1=9，劃分了60°相帶后定子每極每相槽數(shù)q為:

3．永磁體的設(shè)計(jì)

(1)本電機(jī)磁體材料的選擇

選取永磁材料的原則應(yīng)是該材料能保證電動(dòng)機(jī)的氣隙中有足夠大的氣隙磁場和在規(guī)定的工作條件下能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場，并且還要有良好的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)實(shí)用性。本設(shè)計(jì)選用較為常見的牌照號為NdFe35的永磁體。

(2)磁體尺寸的設(shè)計(jì)

永磁體的軸向長度LM、磁化方向長度hM和寬度bM是其三個(gè)主要尺寸。永磁體的尺寸不僅會影響電動(dòng)機(jī)的一些性能，也決定了永磁體的利用率。一般來說，永磁體的軸向長度與電動(dòng)機(jī)鐵心的軸向長度相等，因此只需要設(shè)計(jì)其他兩個(gè)永磁體的尺寸hM和bM。電動(dòng)機(jī)的極距τ為：

本文設(shè)計(jì)的無刷直流電機(jī)永磁體尺寸估算為：LM=60mm;hM=4mm

二、基于ANSOFT的無刷直流電機(jī)有限元分析

無刷直流電機(jī)內(nèi)部的磁場分布非常復(fù)雜。所以如何才能求得無刷直流電機(jī)中電磁場的分布一直是設(shè)計(jì)和分析無刷直流電機(jī)的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。本設(shè)計(jì)利用有限元電磁場仿真軟件Ansoft Maxwell對電子鎖驅(qū)動(dòng)用無刷直流電機(jī)進(jìn)行二維電磁場計(jì)算，并研究了電機(jī)的電樞反應(yīng)。

1.無刷直流電機(jī)的建模

設(shè)計(jì)好電機(jī)的額定數(shù)據(jù)與尺寸之后，就要進(jìn)行建模了，而建模的準(zhǔn)確合理對電機(jī)的性能有著很大的影響。下面以本文設(shè)計(jì)的40W電子鎖驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)的路算數(shù)據(jù)為參考，對該設(shè)計(jì)方案進(jìn)行瞬態(tài)電磁場求解來研究電機(jī)的瞬態(tài)起動(dòng)過程，以驗(yàn)證電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性。樣機(jī)的基本數(shù)據(jù)如表3所示:

表3　樣機(jī)主要尺寸和材料

2.基于Maxwell的電機(jī)靜磁場分析

電機(jī)的靜磁場的分布可以看出電機(jī)的空載工作點(diǎn)和漏磁系數(shù)，故首先分析電機(jī)的靜磁場分布。電機(jī)計(jì)算分析的靜磁場分部如圖1、圖2所示。

圖1　電機(jī)的磁場分布

圖2　電機(jī)的磁通密度分布

由電機(jī)的磁密分布圖可以確定永磁體的空載工作點(diǎn)，本電機(jī)為0.798 1。而電機(jī)的漏磁系數(shù)也可以由磁場分布計(jì)算出來，本電機(jī)為1.08。通過電機(jī)磁密分布云圖可以校核電機(jī)局部是否存在過飽和點(diǎn)，以利于修改參數(shù)使得電機(jī)性能更好。

3.電機(jī)電樞反應(yīng)的對比影響分析

永磁無刷直流電機(jī)的電樞反應(yīng)會對氣隙磁場產(chǎn)生影響，進(jìn)而改變電勢波形和電磁轉(zhuǎn)矩，電機(jī)的性能也會受到影響。

(1)空載時(shí)電樞反應(yīng)分析

永磁無刷直流電機(jī)處于空載狀態(tài)時(shí)，電機(jī)電樞繞組中無電流流過，電機(jī)內(nèi)磁場只由永磁體產(chǎn)生?？蛰d磁場分布主要由電機(jī)的結(jié)構(gòu)決定。本文分別截取了起動(dòng)時(shí)0. 005s和穩(wěn)定后0.01s的磁場分布圖。見圖3、圖4。

圖3　電機(jī)空載起動(dòng)0.005s時(shí)的磁場分布

圖4　電機(jī)空載起動(dòng)0.01s時(shí)的磁場分布

(2)負(fù)載時(shí)電樞反應(yīng)分析

電機(jī)負(fù)載時(shí)，截取起動(dòng)后0.005s和0.01s的電機(jī)的磁場，磁密分布圖，如圖5～9示：

圖5　電機(jī)負(fù)載起動(dòng)0. 005s時(shí)的磁場分布

圖6　電機(jī)負(fù)載起動(dòng)0.01s時(shí)的磁場分布

圖7　電機(jī)負(fù)載起動(dòng)0. 005s時(shí)的磁密分布

圖8　電機(jī)負(fù)載起動(dòng)0.01s時(shí)的磁密分布

圖9　電機(jī)滿載運(yùn)行時(shí)的解

從磁場和磁密分布圖可以看出，電機(jī)在起動(dòng)0.005s時(shí)，由于起動(dòng)電流較大，集膚效應(yīng)作用顯著，槽部漏磁通比較大，氣隙中平均磁密很低。在負(fù)載起動(dòng)時(shí)，由于電樞反應(yīng)的作用，磁場分布出現(xiàn)不對稱現(xiàn)象。該無刷直流電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的時(shí)間較快，僅需0.01s，此時(shí)氣隙磁密明顯加大，電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

三、結(jié)語

本文結(jié)合無刷直流電動(dòng)機(jī)的一般設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)要求，對電子鎖驅(qū)動(dòng)用0.2Nm無刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了電磁設(shè)計(jì)。通過對電機(jī)的磁場磁密分布和起動(dòng)過程的Maxwell仿真分析得出本文所設(shè)計(jì)的電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能較好，能迅速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，并且基本滿足轉(zhuǎn)矩達(dá)到0.2Nm的工程需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]李燁，嚴(yán)欣平. 永磁無刷直流電機(jī)技術(shù)發(fā)展水平與應(yīng)用前景[J].微電機(jī)，2001，34(1).

[2] 唐任遠(yuǎn). 現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[3] 葉金虎. 現(xiàn)代無刷直流永磁電動(dòng)機(jī)的原理和設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[4] 張琛. 直流無刷電動(dòng)機(jī)原理及應(yīng)用[M] .北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[5] 周文娟.自動(dòng)門用永磁無刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)的研究[D]. 南京：江蘇大學(xué)，2009.

中圖分類號：TM36

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

*收稿日期：2015-12-10

文章編號：2095-4654(2016)02-0001-03 2095-4654(2016)02-0004-03