一、寫在文前

在工業生產和家用電器中，微特電機被廣泛用作控制或驅動元件，而為了應對用戶對永磁無刷電機性能多變且研發周期短的要求，需要對無刷電機做系列化、模塊化和型譜化以滿足市場性能多變的電機需求，即不改變電機的定轉子沖片主要結構，快速調整電路參數或鐵芯疊長，從而得到滿足用戶制定的電機性能指標，這樣設計出來的電機不僅可靠性比較高，而且研發周期較短，更能迅速對市場做出反應。

目標推算法作為一種重要的思維方法和推算方法，在已有認知的基礎上，進一步認識事物的試探性的判斷方法，在科學研究中應用比較廣泛，推算是以兩個或兩類對象有部分屬性相同的判斷為前提，從而推斷它們在其他屬性方面也具有類似的屬性。這種比較實用的方法應用在電機設計中時，就可以從市面或者公司已有產品的電機型號中選一款作為為參考電機，將參考電機和目標電機有目的地聯系起來，解決新要求、新指標的電機設計，按照電機目標設計值進行一系列推算過程。

本文將目標推算法應用到永磁無刷電機設計中進行新電機設計，目標電機的推算不是簡單按照比例調整電機的某個參數，而是根據參考電機進行綜合分析后，設計出和參考電機在性能、外形尺寸上完全不同的電機，而且設計過程簡單實用，計算準確度比較高，大大縮短了研發周期，在一定程度上實現了某類無刷電機的系列化。

二、理論計算推導

對新指標的永磁無刷電機進行目標推算，必須先有一個參考電機以及該電機的相關數據，數據越多對目標電機的推算越有利，然而在推算過程中不一定會用到參考電機的所有數據，在推算時取用的電機參數越少越好，然后把要推算的目標電機參數羅列出來，推算出目標電機的目標值。

參考電機和目標電機的外部機械特性是完全不同的，故兩個電機的轉矩常數KT和反電勢常數KE也發生了變化，相對應兩個電機的NΦ也不同，然而兩種電機的內部特性基本相同，如磁鋼形狀和材料性能均相同，需要改變的是磁鋼長度和鐵芯長度。若需要設計出目標電機的性能，首先掌握參考電機的定子沖片基本尺寸和磁鋼尺寸，包括沖片的最大內徑和外徑、齒寬、齒高等參數，磁鋼尺寸、牌號等參數。

本文以一款42*42的異性定子沖片結構為例，圖1(b)為異性沖片結構，目標電機沿用該沖片結構，如表xx為參考電機的技術參數。

圖1(b) 電機異性沖片結構

表1 參考永磁無刷電機技術參數

磁鋼GPM-8(環形黏結釹鐵硼磁鋼)：Br=0.6587T，Hc=416000A/m，電機環形磁鋼尺寸數據見表2。

表2 環形磁鋼尺寸數據

參考電機空載點和額定點的機械特性曲線如表3所示。

表3參考電機空載點和額定點的機械特性曲線數據

目標電機技術參數如表4所示。

表4 目標電機技術參數

推算如下：

（a）計算目標電機相關性能：

（b）計算目標電機的有效匝數

參考電機和目標電機的轉矩常數比值：

目標電機的匝數（取68匝）

（c）計算目標電流電流密度

（d）目標電機推算結果，如表5所示。

表5 目標電機推算結果

三、仿真驗證對比

3.1參考電機有限元仿真

本節利用Rmxprt路算和Maxwell 2D場算得到參考電機的空載和負載仿真結果，驗證實物測試曲線和仿真結果相近，驗證前面對目標電機的推算過程不會出現偏差。

首先在Rmxprt中建立電機模型，根據表xx中數據，輸入定轉子尺寸參數以及磁鋼參數，如圖2所示。因在Rmxprt中不可建立定子異性沖片結構，需要在maxwell場算中對定子沖片進行建模。

圖2 ?參考電機幾何模型

然后設置電機求解器，對電機進行求解，參考電機機械特性曲線如圖3所示。

圖3 參考電機的機械特性曲線

最后對參考電機進行分析，由圖3和表1分析可知，定轉速監測轉矩，參考電機額定負載下轉速為4000rpm，參考電機的實測負載轉矩值為0.2479Nm，參考電機的仿真負載轉矩為0.2269Nm，實測輸出功率為104.7W，仿真輸出功率為95W，參考電機的額定電流5.88A，仿真額定電流為4.89A，實測效率為63.4%，仿真效率為80.9%，綜上所述，參考電機路算仿真結果和電機測試結果基本相近。

對參考電機進行maxwell 2d有限元仿真，對電機幾何模型前處理，更換定子沖片，如圖4所示。

圖4 參考電機幾何模型

首先對參考電機進行額定負載點仿真，檢測參考電機的轉矩和轉速，如圖xx所示。

圖5 參考電機的額定點轉矩和轉速

檢測電流變化以及電機內部磁密云圖，如圖6和圖7所示。

圖6 三相電流

圖7 額定點磁密云圖

由圖5和圖6可知，參考電機在額定負載0.25Nm下的輸出轉速為3916rpm，額定電流5.42A，場算結果和路算結果基本相似。

其次對參考電機的空載點進行仿真，空載轉速和轉矩如圖8所示，磁密云圖如圖9所示。

圖8 空載轉速和轉矩

圖9 空載點磁密云圖

最后對參考電機的反電勢常數進行仿真，如圖10所示，空載轉速為5200rpm，線反電勢為25V，則通過計算得反電勢常數為0.0048V/rpm，轉矩常數為0.04584N·m/A。

圖10 線反電勢

綜上所示，參考電機的空載點和負載點與電機實測值基本吻合。

3.2目標電機有限元仿真

小節2根據參考電機推算了目標電機的參數，包括轉矩、功率、匝數和電流等參數，目標電機的沖片尺寸和參考電機的沖片尺寸完全相同。

首先在Rmxprt中輸入定轉子參數，定轉子疊長由80mm變成15mm，磁鋼牌號不變，目標電機的繞組參數發生了較大變化，如圖11為目標電機的幾何模型。

圖11 參考電機幾何模型

然后設置電機求解器，對電機進行求解，參考電機機械特性曲線如圖12所示。

圖12 目標電機機械特性曲線

最后對目標電機進行分析，由表4分析可知，定轉速監測轉矩，目標電機額定負載下轉速為4000rpm，目標電機的仿真負載轉矩為0.634Nm，目標電機的仿真輸出功率為26.5W，仿真額定電流為1.58A，仿真效率為68%，綜上所述，目標電機路算仿真結果和期望值結果基本相近。

對目標電機進行maxwell 2d有限元仿真，對電機幾何模型前處理，更換定子沖片，如圖13所示。

圖13 參考電機幾何模型

首先對目標電機進行額定負載點仿真，檢測參考電機的轉矩，如圖14所示。

圖14 目標電機的額定點轉矩

檢測電流變化以及電機內部磁密云圖，如圖15和圖16所示。

圖15 三相電流

圖16 額定點磁密云圖

由圖14可知，目標電機在額定負載0.062Nm下的輸出轉速為4014rpm，額定電流1.51A，場算結果和路算結果基本相似。

其次對目標電機的空載點進行仿真，空載轉速和轉矩如圖17所示，磁密云圖如圖18所示。

圖17 空載轉速和轉矩

圖18 空載點磁密云圖

最后對目標電機的反電勢常數進行仿真，如圖19所示，空載轉速為5782rpm，線反電勢為23.6V，則通過計算得反電勢常數為0.00408V/rpm，轉矩常數為0.038964N·m/A。

圖19 線反電勢

綜上所示，目標電機的空載點和負載點與電機期望值基本吻合。

四、目標電機部分測試點

根據路算和場算仿真參數制造了樣機

推算法求得的目標電機實測機械特性曲線（部分點），如表6所示。

表6 目標電機實測值

參考電機和目標電機的性能誤差分析如表7所示

表7 性能誤差分析表

綜上所述：使用目標推算法設計永磁無刷電機準確度相對較高，為永磁無刷電機設計提供了參考。

五、結論

本文將現有的無刷直流電機作為參考電機，對目標電機進行了推算和仿真，得到了目標電機的空載和負載性能，再對目標電機進行了樣機制造，通過對樣機實測得到其空載和負載性能，驗證了在永磁無刷電機實現系列化和型譜化過程目標推算法的重要性和準確性，從而大大縮短了研發周期，對其他永磁無刷電機的目標推算提供了一定的參考。

審核編輯：劉清