高速无刷直流电机设计的关键技术

　　无刷直流电机从定子的结构来看分为有铁心有齿槽、有铁心无齿槽、无铁心无齿槽和无齿槽空心杯定子。尽管传统的有铁心的永磁 无刷直流电机经过优化设计并选用良好的导磁材料也可以具有较高的运行效率，但高速运行时其空载铁耗很大，这一损耗对有铁心电 机来说不可避免，是其损耗的主要分量；同时，由于电机铁心的存在，使得电机无论在空载还是负载，都具有不平衡磁拉力，这对磁 悬浮轴承施加了一个额外的支撑力和刚度要求。而无铁心无齿槽空心杯结构的无刷直流电机彻底消除了定子铁耗，消除了齿槽转矩脉 动，降低了单边磁拉力，具有更加优良的性能，适合用于高速场合。此外，传统的机械轴承支承的高速无刷直流电机轴承的损耗、振动和噪声较大，直接影响了飞轮的寿命，而采用电磁轴承支承成为未来空间应用的重要方向之一。对于高速空心杯型定子永磁无刷直流电机而言，其电磁设计具有一定的特殊性，若采用常规磁体结构电机的气隙磁通密度很低，降低了功率和转矩密度，并且与高速飞轮电机体积小、重量轻的性能要求相矛盾，通过电磁设计优化可解决这一问题。同时，为满足效能、强度、刚度、尺寸规格的要求，还需对电机的整体结构进行设计优化。

　　（1）高速空心杯定子无刷直流电机的电磁设计 常规磁体结构的空心杯型定子高速永磁无刷直流电机的气隙磁通密度较低，采用新型HALBACH磁体结构能够大幅度提高气隙磁通密度。该磁体结构具有磁屏蔽、正弦性气隙磁通密度分布的特点，特别适合于空心杯型定子高速永磁无刷直流电机。图17和图2给出了常规磁体结构和HALBACH磁体结构。

　　在设计高速高效永磁无刷直流电机时，其电磁设计可遵循下面的原则：

　　1）径向充磁的常规磁体结构电机与平行充磁的常规磁体结构电机相比，前者具有小的气隙磁通、大的转子轭部磁通，因此，对6极及以上极数的常规磁体结构电机来说，应采用平行充磁。

　　2）HALBACH磁体结构电机气隙磁通密度的正弦性远比常规磁体结构电机好，每极磁体块数越多，气隙磁通密度的正弦分布性越好。

　　3）HALBACH磁体结构电机的转子轭部磁通密度很小，远低于常规磁体结构电机，因此HALBACH磁体结构电机可省却导磁转子铁心；但常规磁体结构电机，如果转子轭部不导磁，则电机气隙磁通密度将显著降低。因此，若转子无导磁铁心，则电机应采用HALBACH磁体结构，以保证电机的气隙磁通密度，从而保证电机的功率密度和转矩密度。

　　4）对无定子导磁铁心电机，无论采用HALBACH磁体结构还是常规磁体结构，电机的永磁磁场都有一定的辐射范围，因此为防止电磁干扰，应保证电机总有效气隙大于6倍的永磁体厚度。此范围以外的磁通密度将会很小，不会产生电磁干扰和铁耗。

　　5）在永磁体厚度较小时，HALBACH磁体结构提供的气隙磁通密度低于常规磁体结构；而当永磁体厚度增加到一定值时，HALBACH磁体结构所提供的气隙磁通密度要高于常规磁体结构电机。因此，对无定子铁心电机来说应采用HALBACH磁体结构，并尽可能增加磁体厚度，以提高气隙磁通密度，从而保证电机具有相当的功率密度和转矩密度。

　　（2）高速无刷直流电机的结构优化设计 磁悬浮飞轮用高速、高效永磁无刷直流电机与常规的永磁无刷直流电机相比，在结构设计优化方法上具有一定的特殊性，对基于上述磁路结构的高速电机，可按照以下约束条件进行整体结构的设计优化。

　　1）效能约束：飞轮转子在额定转速时需要提供一定的角动量。

　　2）强度约束：为提高系统的可靠性，要求转子在转速下的安全系数在2以上。

　　3）刚度约束：要求飞轮转子在工作转速范围内为刚性转子，在设计时需要

　　其弹性一阶共振频率大于转子工作转速的1.4倍。

　　4）其他约束：飞轮转子与径向磁轴承、轴向磁轴承和电机的安装配合尺寸。

　　根据以上设计目标及约束条件，结合多学科设计优化软件和有限元分析软件，可采用优化算法来完成优化设计，使高速无刷直流电机的综合性能达到。图3给出了经过整体结构设计优化后的新型磁体结构和定子无铁空心杯高速无刷直流电机的剖面图。

　　图3 新型高速无刷直流电机的剖面图