永磁无刷直流电动机计算机辅助设计

1、3-4ey 理论与设计 永磁无刷直流电动机计算机辅助设计 郭展鹏 刘征艮 梁维 赵娟 1广东工业大学(510006) 2广东省东莞电机有限公司(523072) Computer Aided Design System for Calculation of Permanent Magnetie Brushless DC Motors Guo Zhanpeng Liu Zhengen Liang Wei Zhao Juan Guangdong University of Technology Dongguan Motor Limited Company 摘 要：考虑到永磁无刷直流电动机的气隙波形和 驱动方式，采用面向对象的编程软件c+Builder60，设 计和开发出可视化永磁无刷直流电动机计算机辅助设计 软件。介绍了该软件关键程序窗口设置和功能实现，将 软件设计值与实例值进行了比较，验证了该软件的可靠 性。 关键词：计算机辅助设计永磁无刷直流电动机 Abstraet：Considering the air gap magnetic flux density waveforms and t

2、he driving modes of PMBDCM， the C+Builder 60 was employed to design and develop a visual software for the computer aided design(CAD)of permanent magnetic brushless direct-current motorsThe key program flow charts for the software，configuration and functions of the windows were introduced，through comparing the output of the software with the data of examples to prove the reliability ofthe CAD system Keywords：Computer aided design(CAD)Permanent magnetic brushless direct-current motors(PMBDCM) 永磁无刷

3、直流电动机，具有一般直流电动 机的优良特性，而没有换向器和电刷组成的机 械接触机构。其换向功能由电子换向器完成，无 换向火花，不会对无线电产生干扰，而且结构简 单、运行可靠、维护简便且寿命长，与异步电机 相比较，具有调速方便，高效节能的特点。近年 来稀土永稀材料的发展使稀土永磁直流电机性 能有较大改进，在家电、汽车等场合有代替其它 类型电动机的趋势，因而对稀土永磁无刷直流 的电机的研究备受关注，但目前设计无刷直流电 动机的商用软件并不多。考虑到永磁无刷直流电 动机的结构特点和驱动类型，本文应用面向对象 C+Builder60，开发可视化永磁无刷直流电机电 磁设计软件，软件操作方便、界面友好，结果准 确可靠。 1 计算公式 不同气隙磁场波形，不同电枢绕组和电子换 向线路组合下，PMBDCM的几个基本物理量计 算公式是不同的，软件提供了不同驱动方式、气 隙磁场波形和绕组连接方式下的计算公式。 11气隙磁密为方波二相导通星形三相六状态 I A7 空载转速： 。爿5ai 相电动势幅值：Em N 6 平均电枢电流： =Ua-2 AU-2一Em 2n 平均电磁转矩： =二N 电机技术2010年第4

4、期7 理论与设计 锄 12气隙磁密为方波、一相导通星形三相三状态 2 程序流程图 空载转速： 。=3。 i U d-AU 相电动势幅值： = )_N s” 平均电姚 = 平均电磁转矩：Tar N D 13气隙磁密为正弦波、二相导通星形三相六状态 空载转速：no=l157ai U d-AU 平均电枢电流：厶 =Ud -2-AU。827 Em 平均电磁转矩： =03035 v N, 6(U-2AU-1655Em) 14气隙磁密为正弦波、一相导通星形三相三状态 空载转速： 。=231ai ua -Au 平均电枢电流：，av= Ud-AU_0827象 平均电磁转矩： 一P NTav=0152 6 一aiRa 6,f3(U-2AU)-148Em 式中： 0一空载转速； ai一计算极弧系数； 一电源电压； ( 一晶体管饱和管压降； p一极对数； Nm1一每相导体数； Kdp一绕组系数。 60一空载时每极气隙磁通量； 转速； 6一每极气隙磁通量； R 电阻； 21空载磁路工作点计算流程图 利用解析磁路法计算空载工作点，将永磁体 等效为一个恒磁通源 与一个恒定内磁导 。相 并联的磁通源。外磁路提供的总

5、磁通 分为与电 枢绕组匝链的主磁通 80和不与电枢绕组匝链的 漏磁通 0，其对应的磁导为主磁号 80和漏磁导 0 并联并与磁通源相接。通常情况F，电机的磁路 是饱和的，外磁路总磁导 不是常数，考虑到 随 磁路饱和程度不同而变化，而 和导 又相互制 约，因此利用迭代法进行求解，具体步骤如图1。 图中：bm0一空载工作点； 0一空载漏磁系数； 一剩磁密度； s 一永磁体每提供磁通的面积， S 图1空载工作点求解流程图 22额定工作特性计算流程图 考虑到电枢电流 。 电枢反应直轴去磁分 量、额定工作点气隙磁通 、反电动势 和额定 转速FN之问存在着内在联系，对于不同负载，在 磁铁工作图和机械特性上有一个平衡的稳定点 与之对应，可通过循环迭代求解，所以在程序中 加入了对额定转速 N的循环迭代求解。程序框图 如图2。 3 界面设计 3-ea,-y 理论与设计 图2额定工作特性计算流程图 31输入界面 电机设计时，电机的参数分成多页进行显 示，用户可以通过现有的数据库数据导入数据。 对数据的修改，也可以在电机型号中建立新的电 机型号，然后再按“数据输 。 32输出界面 在数据录入完成后，按“电磁设

6、计”进行计 算，计算结束后，软件可以对设计数据进行显示， 包括设计数据与中间变量的显示、设计数据的报 表形式显示等。 4 实例 利用该软件对一台电机(2极、30W，二相 导通星形三相六状态，瓦片形转子，额定转速 lO000rmin)进行性能计算，表1为实际值与设计 值的对照表。 表1实际值与设计值对照表(例1) 额定功率 额定电流 额定效率 空载转速 输出转矩 W A tmin Nm 实际值 30 097 675 11742 0 O3 设计值 2971 092 669 11260 0028 误差 097 515 089 41 67 对另外一台电机(10极、50W，二相导通Y接 三相六状态，瓦片形转子)进行性能计算，表2为 实际值与设计值的对照表。 表2实际值与设计值对照表(例2) 额定功率 额定电流 额定效率 空载转速 输出转矩 W A rnlin Nnl 实际值 499 2 48 83 84 3307 0154 设计值 512 26 83l3 3276 0163 误差 24 484 0 64 094 58 对第三台电机(6极、360V、4kW，二相导通 星形三相六状态，内置切向式磁极

7、结构，额定转 速530rmin) 表3实际值与设计值对照表(例3) 额定功率 额定电流 额定效率 空载转速 输出转矩 kW A rmin Nm 实际值 399 7171 8942 583 72581 设计值 405 6 944 902 577 73392 误差 15 3165 087 102 112 通过这3个实际算例可看出软件具有一定的 可靠性。 5 结论 实践表明，本文所开发的永磁无刷直流电机 辅助设计系统符合用户的实际需要和思维习惯， 能够充分发挥人的设计意识，设计结果准确可 靠，用户界面友好，操作方便，通用性强，在工程 设计中具有定的实用价值。 参 考 文 献 1胡岩，武建文等小型电动机现代实用设计技术MI北京：国 防工业出版社，2007 2叶金虎现代无刷直流永磁电动机的原理与设计【M】北京：科 学出版社，2007 3李钟明，刘卫国稀土永磁电机MI北京：国防工业出版社， 1999 4唐任远现代电机理论与设计【M】北京：机械工业出版社，1997 5王秀和永磁电机【M1北京：中国电力出版社，200Z 6刘敏，黄开胜，苏展基于Windows的永磁直流电动机CAD 系统【J】微特电机，2008，37：25 7邱小华，黄开胜，宋湛华等异步起动永磁同步电动机计算机辅 助设计【J】_微特电机，2009，37(1)：25-27 (收稿日期：20100201) 00000o0 电机技术一欢迎各界刊登广告技术咨询 电机技术2010年第4期9

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