电子锁驱动用0.2Nm低速无刷直流电动机电磁设计

李籽剑 ，易　栋

(1.广西大学 电气工程学院，广西　南宁　530004；2.恒隆企业集团研究院，湖北　荆州　434000)



电子锁驱动用0.2Nm低速无刷直流电动机电磁设计

李籽剑1，易栋2

(1.广西大学 电气工程学院，广西南宁530004；2.恒隆企业集团研究院，湖北荆州434000)

摘要：随着日常生活中被盗事件的频繁发生，电子锁的使用越来越广泛。无刷直流电动机作为电子锁系统的关键部分，必须具备响应速度快、价格低、功率密度高等优点。本文对电子锁中驱动用无刷直流电动机的电磁设计进行了研究，并利用有限元磁场分析软件Maxwell.16.0对磁路的设计方案进行矫正。由于场路结合法的优越性，可以很精确地计算出电机瞬态性能的参数，得到一个相对来说较为满意的电磁设计方案。

关键词：无刷直流电动机；电子锁；有限元；电磁设计

如何实现家庭防盗一直是人们关注的热点。传统的机械锁由于其机构简单，被撬的事件时常发生。而电子锁的保密性高、使用灵活性好、安全系数高，受到了广大用户的喜爱，并且其中的驱动电机装置也成为了热门的研究方向。

由于电子锁体积小，极数太多的电动机在制造与加工上有很大的难度，所以市场上用于电子锁驱动的直流电机一般最多只有12极。同时，在设计时，还要求电机有足够的扭矩和功率。传统电子锁是用有刷直流电机进行驱动的，但是无刷直流电机去掉了碳刷，用电子元器件代替，使得换向时无机械接触，相比于有刷直流电机，它有运行声音较小、无火花、寿命长、转速快的优点。无刷直流电机的改善前景明显高于有刷直流电机。目前的科研方向也是往无刷方面发展，故无刷直流电机有代替有刷直流电机成为电子锁中主要驱动电机的趋势。

本文研究的是电子锁中驱动用低速无刷直流电机的电磁设计，所以此类电机必须具有小巧、质量轻的特点，而且转矩要达到0.2Nm的要求。还有我们要设计出适当的电磁参数，以满足上述要求的运行特性，例如起动转矩倍数、时间常数、转矩波动、转速稳定度以及效率等。电子锁中的驱动电机是通过电池供电，故我们需要设计出高效节能的电机来达到省电的目的。同时我们还必须考虑所设计电机的尺寸，使其能在电子锁中运行。

一、电子锁驱动用无刷直流电机电磁设计

1. 额定数据与尺寸设计

永磁无刷直流电机主要尺寸的设计、定子转子设计、永磁体的设计都是电磁设计的一部分，可以通过改变电机的各个参数来提高无刷直流电机的效率 、功率因数、起动转矩和最大转矩 。表1是电机的额定数据，表2是电机定子转子的尺寸。

表1　额定数据

表2　定子与转子尺寸

继表2　定子与转子尺寸

2．电枢绕组与定子槽的设计

绕组排布的设计主要是遵循削弱谐波和减小损耗的原则。本次设计的无刷直流电动机采用的双层叠绕组和定子Y接的形式，可以有效地避免绕组中产生环流，减小损耗。

由于本次设计的无刷直流电动机要用于电子锁中，所以电机定子槽数不宜太多，否则生产难度会比较大。但是槽数越多，越可有效地改善气隙磁阻不均匀的问题，减小转矩脉动。

根据本电机的需要，定子槽数为Q1=9，划分了60°相带后定子每极每相槽数q为:

3．永磁体的设计

(1)本电机磁体材料的选择

选取永磁材料的原则应是该材料能保证电动机的气隙中有足够大的气隙磁场和在规定的工作条件下能够产生稳定的磁场，并且还要有良好的节能性和经济实用性。本设计选用较为常见的牌照号为NdFe35的永磁体。

(2)磁体尺寸的设计

永磁体的轴向长度LM、磁化方向长度hM和宽度bM是其三个主要尺寸。永磁体的尺寸不仅会影响电动机的一些性能，也决定了永磁体的利用率。一般来说，永磁体的轴向长度与电动机铁心的轴向长度相等，因此只需要设计其他两个永磁体的尺寸hM和bM。电动机的极距τ为：

本文设计的无刷直流电机永磁体尺寸估算为：LM=60mm;hM=4mm

二、基于ANSOFT的无刷直流电机有限元分析

无刷直流电机内部的磁场分布非常复杂。所以如何才能求得无刷直流电机中电磁场的分布一直是设计和分析无刷直流电机的一个重点和难点问题。本设计利用有限元电磁场仿真软件Ansoft Maxwell对电子锁驱动用无刷直流电机进行二维电磁场计算，并研究了电机的电枢反应。

1.无刷直流电机的建模

设计好电机的额定数据与尺寸之后，就要进行建模了，而建模的准确合理对电机的性能有着很大的影响。下面以本文设计的40W电子锁驱动用电动机的路算数据为参考，对该设计方案进行瞬态电磁场求解来研究电机的瞬态起动过程，以验证电机设计参数的合理性。样机的基本数据如表3所示:

表3　样机主要尺寸和材料

2.基于Maxwell的电机静磁场分析

电机的静磁场的分布可以看出电机的空载工作点和漏磁系数，故首先分析电机的静磁场分布。电机计算分析的静磁场分部如图1、图2所示。

图1　电机的磁场分布

图2　电机的磁通密度分布

由电机的磁密分布图可以确定永磁体的空载工作点，本电机为0.798 1。而电机的漏磁系数也可以由磁场分布计算出来，本电机为1.08。通过电机磁密分布云图可以校核电机局部是否存在过饱和点，以利于修改参数使得电机性能更好。

3.电机电枢反应的对比影响分析

永磁无刷直流电机的电枢反应会对气隙磁场产生影响，进而改变电势波形和电磁转矩，电机的性能也会受到影响。

(1)空载时电枢反应分析

永磁无刷直流电机处于空载状态时，电机电枢绕组中无电流流过，电机内磁场只由永磁体产生。空载磁场分布主要由电机的结构决定。本文分别截取了起动时0. 005s和稳定后0.01s的磁场分布图。见图3、图4。

图3　电机空载起动0.005s时的磁场分布

图4　电机空载起动0.01s时的磁场分布

(2)负载时电枢反应分析

电机负载时，截取起动后0.005s和0.01s的电机的磁场，磁密分布图，如图5～9示：

图5　电机负载起动0. 005s时的磁场分布

图6　电机负载起动0.01s时的磁场分布

图7　电机负载起动0. 005s时的磁密分布

图8　电机负载起动0.01s时的磁密分布

图9　电机满载运行时的解

从磁场和磁密分布图可以看出，电机在起动0.005s时，由于起动电流较大，集肤效应作用显著，槽部漏磁通比较大，气隙中平均磁密很低。在负载起动时，由于电枢反应的作用，磁场分布出现不对称现象。该无刷直流电机达到额定转速的时间较快，仅需0.01s，此时气隙磁密明显加大，电机进入稳定运行状态。

三、结语

本文结合无刷直流电动机的一般设计方法和设计要求，对电子锁驱动用0.2Nm无刷直流电动机进行了电磁设计。通过对电机的磁场磁密分布和起动过程的Maxwell仿真分析得出本文所设计的电机动态响应性能较好，能迅速达到额定转速，并且基本满足转矩达到0.2Nm的工程需求。

参考文献：

[1]李烨，严欣平. 永磁无刷直流电机技术发展水平与应用前景[J].微电机，2001，34(1).

[2] 唐任远. 现代永磁电机理论与设计[M].北京：机械工业出版社，2005.

[3] 叶金虎. 现代无刷直流永磁电动机的原理和设计[M].北京：科学出版社，2007.

[4] 张琛. 直流无刷电动机原理及应用[M] .北京：机械工业出版社，2004.

[5] 周文娟.自动门用永磁无刷直流电机设计的研究[D]. 南京：江苏大学，2009.

中图分类号：TM36

文献标识码：A

*收稿日期：2015-12-10

文章编号：2095-4654(2016)02-0001-03 2095-4654(2016)02-0004-03