基于 Motorsolve 的水泵用无刷直流电机的分析

     作者：黄越            单位：东元西屋（杭州）研发中心

    1. 引言

    我国目前电动机装机总容量已达 4 亿多千瓦，年耗电量达 12000 亿千瓦时，约占全国用电量的 60%，工业用电量的 80%，其中风机泵类和压缩机年耗电量约占全国用电量的 40%，其中风机用电量的占全国的用电量 10.4%，泵类占20.9%，压缩机占 9.4%。因此电机的能效问题日益成为人们关注的焦点。

    泵类负载在满荷状态运行下时间很少，大部分运行在总负荷的 60%-80%之间。在过去调节流量时，电动机保持全速运行，造成很大的能源浪费。而现在采用改变电动机转速的方法来实现流量调节节电效果十分明显。而永磁无刷直流电机除了具有起动转矩大、过载能力强的特性外，应用在泵类负载上较交流机和常规永磁同步电动机有明显的优势。相比于异步电动机，拥有类似于直流电动机的转矩转速特性，有较好的可控性，并采用永磁体励磁，转子几乎无损耗发热，拥有较高的功率因数和效率。而相比于常规的永磁同步电动机，它控制简单，控制成本低，而且具有良好的调速特性。

    2. 泵类无刷直流电机设计关键点

    从电机角度考量，一台合格无刷直流电机设计需要注意三点：较小的齿槽转矩、良好的调速特性和满足绝缘要求的温升。本文主要以 Motorslove 软件对无刷直流电机分析为例，说明无刷直流电机的设计过程。首先当电机气隙中存在磁场时，由于电机铁心开槽，当转子转动时，磁路中的磁阻将发生变化，导致磁场能量发生变化，因而产生齿槽转矩。降低齿槽的转矩的方法有很多，比如可以在软件里选择斜槽（在 Stator general option 中选择斜槽和斜槽的角度）和斜极（在 Rotor general option 中选择斜极和斜极的角度）。它们可以使产生的齿槽转矩波动相互抵消，一般采用定子斜槽一个齿距或永磁磁极斜过与一个定子齿距相同的角，但斜槽或斜极对电机基波同样也有削弱，尤其是电机每极每相槽数较少时，对反电动势系数的影响较大，具体可以通过带有限元功能 result 计算齿槽转矩和反电势，求解精度选择 5 以下即可。还有的方法是辅助槽法（在 stator teeth option 中选择 Bifurcation radius，确定辅助槽的半径）。它是在定子齿部有效表面设置辅助槽，从而提高齿槽转矩波动的基波次数的方法。比如转子极数为 4，定子槽数为 12，齿槽转矩的基波次数为 48。在定子齿部上开设一个辅助槽后，使新的定子槽数为 8，此时齿槽转矩的基波次数为 96，提高了 2 倍，其齿槽转矩幅值必然下降，高次谐波的幅值就下降得更多。

    另一种方式是采用无槽设计，在general option中选择无槽槽型 。由于定子没有铁心存在，磁路中磁阻不发生变化，可从根本上消除齿槽转矩。但无槽电机等效气隙较大，其功率受到较大限制，且工艺上还有特殊的要求。 

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