钱志存

（ TTI创科集团 广东 东莞 523960 ）

低噪声无刷电动机的研制

钱志存

（ TTI创科集团 广东 东莞 523960 ）

摘要通过对目标电机的参数分析，以及静态有限元、瞬态有限元及带控制器驱动的分析，运用优化仿真设计技术，进行电机本体的设计工作。在加工、结构、装配期间充分考虑技术指标是否满足要求，并将噪声控制在预设范围内，为同类型低噪声马达的设计提供参考。

关键词BLDC 噪声驱动组件 仿真齿槽转矩有限元分析

0　引言

现代工业设备、汽车、医疗器械等制造领域对设备噪声的要求越来越高，尤其是提供动力的驱动原件。驱动用直流无刷电动机作为这些设备有效载荷的执行元件，降低噪声对其提高设备工作稳定性以及使用寿命具有重要的意义。本文对一种低噪声直流无刷电动机的设计方面进行了尝试和探索。

1　主要技术指标

BL90直流无刷电动机为某型号驱动电机，其噪声要求非常苛刻，详细技术指标见表1，环境条件见表2。

表1　技术指标

表2　环境条件

2　原理及结构

如图1所示，该直流无刷电机是一款风机的驱动电机。控制器与电机正确接线后，对控制器施加直流电压，控制器通过对霍尔元件输入的信号进行逻辑运算。然后，通过功率级器件将三相六状态时序的电压施加到电机的绕组上，使电机按照一定方向运转，进而驱动负载旋转。

实际电机本体结构如图2所示。电机由定子、转子、后端盖、前后轴承盖及轴承等零部件构成。其中，定子由一套三相星形绕组、电枢铁芯及带有减重槽的机壳构成；转子上嵌有四对磁钢，N、S交替放置。在磁钢的外圆处有不导磁转子护套保护，给控制器提供转子位置信号的跟踪磁钢也为四对，N、S交替放置，外圆也有不导磁护套；印制板组件安装到后端盖上，印制板上有三个相差120°电角度的霍尔元件，便于控制器控制。

相对于常规直流无刷电机，本结构主要区别在于有两个轴承盖，分别对前后两个轴承进行限位；轴承选用两个双面无轴承盖的高等级、低噪声轴承。

图1　风机工作原理框图

图2　电机结构图

3　电机电磁参数有限元设计分析

从电机的技术参数可知，在转速（4 000± 200）r/min下，其噪声指标≤35 dB。从实际经验来看，指标要求非常苛刻，需在电磁、结构、材料及装配细节等多方面考虑。电机噪声产生的一个重要原因是电磁振动噪声，其运行平稳性对电机寿命具有重要影响。因此，如何进行合理的电磁参数设计是需要着重考虑的问题。

从噪声产生的机理来说，电磁噪声主要有四种，如图3所示。

图3　电磁振动噪声产生图示

对于电动机来说，磁导齿谐波转矩及控制方式产生的噪声占有主导作用，磁场振动噪声及频率振动噪声主要是在偏心结构及异步电动机中产生，对于永磁电机来讲，可不予考虑。

3.1电磁参数的初步选定

根据技术指标及外形尺寸，对该直流无刷电动机进行解析计算。解析计算采用了Maxwell中RMxprtDesign模块进行。该项目的主要参数输入后，对影响性能的几个参数进行参数化，以效率、转矩、输出功率为目标，对参数化的结果进行比较，最终优选初步实施方案。

参数设计后优选的电磁参数如表3所示：

表3　电机电磁结构参数

3.2静态磁场的有限元分析

静态磁场的分布对于直流无刷电机来讲，具有重要的意义。解析法计算不够准确，不能做到精细化计算。对于低噪声直流无刷电动机设计来讲，需要对细节方面多做了解，以便对方案进行优化。

有限元分析的基本思想是：将偏微分方程的边值问题等价为条件变分问题；利用合适的单元类型对求解区域进行剖分，在单元上构造相应的插值函数，对各个单元进行单元分析，得到各单元内能量表达式和单元能量对三个节点磁位的导数；对所有单元的分析结果进行总体合成，将能量泛函的极值问题转化为多元能量函数的极值问题，建立以各节点磁位为变量的代数方程组，按照一定的边界条件进行修正。

该电机采用了先进的Maxwell 12.0版本进行计算分析，对该模型首先进行边界条件的设置，然后对各部分进行网格剖分，指定磁钢的充磁方向，最后设定迭代的步长和误差。设置计算的磁场磁密分布及气隙磁密波形如图5、图6所示。

图5　静态磁场分布

图6　静态气隙磁场波形

由图5可见，整个电动机2D磁路的磁场强度不高，没有在个别位置产生磁场的畸变。图6中显示气隙磁场受到齿槽效应的影响，波形不是方波，运行时会产生一定的磁场畸变。无槽电枢磁场畸变很小，但因气隙较大，磁场磁密较低，很难做到大功率、小体积，所以，该方案没有采用无槽电枢。

3.3齿谐波转矩的分析

由图3可知，电磁振动噪声的主要原因包括齿谐波转矩引起的噪声，磁钢宽度对齿谐波转矩有着较大的影响。因此，在方案上对磁钢宽度的变化及斜槽对谐波转矩的影响进行量化分析。

当永磁电动机电枢绕组未接通电源，而令转子旋转时，定子与永磁磁场相互作用在旋转方向上产生脉动转矩，称为齿谐波转矩，也叫齿槽转矩。其定义为电机不通电时的磁场能量W相对于位置角α的负导数。

首先，对磁钢的宽度进行参数化，在模型中定义的是磁钢极弧宽度，即磁钢的弧长与极距的比例，范围0.75～0.8，步长0.01，计算结果如图7所示。

图7　参数化极弧系数齿谐波转矩仿真结果

从图7在2D仿真结果中可以得出：在极弧系数从0.75～0.8变化的过程中，齿谐波转矩逐渐增大。其波动在86 mN·m～159 mN·m范围内，技术要求中额定转矩为388 mN·m（0.388 N·m），齿谐波转矩与额定转矩在一个数量级，占的比重太大，且齿谐波转矩对噪声也有较大影响，因此必须有其他措施来降低齿谐波转矩。

降低齿谐波转矩的方法主要有三大类，除改变永磁磁极参数的方法外，还有改变电枢参数及选择合适的槽数和极数配合两种方法。该项目极槽配合已经选定，因此，拟采用斜槽的方式进行削弱齿槽转矩。

电枢斜槽时，电机气隙和永磁体中磁场能量为：

式中 μ0—空气磁导率

θ—磁极初始角

L—电机内部某个位置的长度

B—磁场强度

R2—定子轭内半径

R1—电枢外半径

电机斜槽示意如图8所示：

图8　斜槽示意图

气隙磁密沿电枢内表面分布表示为：

式中 θ—永磁体中心相对大齿中心的偏移角度；

α—齿中心相对磁极中心角度；

B(θ,α)—永磁体剩磁

hm—永磁体沿充磁方向的长度

δ(θ,α)—走磁通气隙长

式中 NS—电枢所斜的槽数

La—电枢铁心轴向长度

θs1—用弧度表示电枢齿距

则齿谐波转矩为：

针对斜不同齿距对电机的齿槽转矩情况进行计算分析，得到如图9所示。

图9　不同斜槽齿矩的齿谐波转矩

从图9可以得出：斜槽为一个齿距的情况下，原理上是可以消除齿谐波转矩的。本方案选取了斜一个齿距的方案，但在工程应用中，即使精确的斜槽一个齿距，也不能完全消除齿谐波转矩，主要原因为：

1）同一台电机中的永磁材料的性能及制造工艺存在离散性。

2）斜槽并不能削弱永磁体端部和铁心端部之间产生的齿谐波转矩。

3.4开环控制的瞬态分析

该直流无刷电机控制器为分立元件搭建，是三相六状态全桥驱动方式，每一时刻电机绕组均有两相导通，没有反馈闭环调速。因瞬态分析与控制有很大关系，所以外电路部分用成熟的电路进行，驱动方式与实际控制方式一致，导出外电路如图10所示：

图10　直流无刷电动机开关控制电路图

瞬态分析结果如图11所示：

图11　瞬态分析参数

对于三相无刷电动机来说，伴随着控制系统对三相绕组电流的通/断控制，将会产生电动机的脉动转矩。脉动转矩中包含有一系列高次谐波转矩，这些谐波转矩将作为激振力作用到电机上，如果谐波转矩的振动频率与电动机的固有振动频率接近而处于共振状态，将会产生较强烈的噪声。电动机的固有频率很难进行量化的计算，器件及负载参数的不确定也使得控制器较难进行量化的计算，在工程化应用中，一般采用控制器与实际产品进行联调后再进行改进的方法实施。

4　工艺装配设计

该电机在结构上充分考虑了工艺装配的影响因素，主要有：

1）转子跟踪磁钢比印制板组件低，轴向活动距离大，便于拆卸；

2）两个轴承盖的结构形式，定子和后端盖的轴承室均为通孔，能够进行尺寸精度要求较高的磨加工，且方便与轴承进行配加工，保证良好的公差配合；

3）转子的动平衡精度要求达到G1.0级，为与实际使用相一致，做动平衡时安装了钢质半键；

4）结构上应用了有效的措施，在加工的重要环节严格控制。

电机机械振动噪声主要是轴承噪声和不平衡振动噪声。因无风扇，且转子表面是光滑的钢护套，风扇噪声可以不作考虑。转子的动平衡精度较高，所以该电机机械振动噪声源主要来自轴承，在轴承的选用上需进行细致的试验摸索。

5　研制结果

表4　研制结果

本文通过对目标电机进行参数分析，静态有限元、瞬态有限元及带控制器驱动分析，运用优化仿真设计技术，成功进行了电机本体的设计工作，在加工、结构、装配期间充分考虑，通过对样机的测试，其技术指标满足要求，噪声控制在预设范围内，为同类型低噪声马达的设计提供了参考。

参考文献

[1]程明.微特电机及系统[M].北京：中国电力出版社，2004.

[2]夏长亮.无刷直流电机控制系统[M].北京：科学出版社，2009.

[3]海老原大树.电动机技术使用手册[M].北京：科学出版社，2006.

[4]王秀和，等.永磁电机[M].北京：中国电力出版社，2007.

中图分类号TM302

文献标识码A

文章编号1674-2796（2014）01-0001-07

[收稿日期]2013-11-01

[作者简介]钱志存（1979-），男，在职研究生，工程师，主要从事无刷电机的设计及特种电机在电动工具上的应用等工作。

Development of Low-noise Brushless Motor

Qian Zhicun
(TTI group Guangdong Dongguan 523960)

Abstract:By analyzing the parameters of the target motor, the Static finite element, the transient finite element and controller drive, using the optimization simulation design technology, then design the motor. Fully considered during the process, construction and assembly, technical indicators meet the requirements, noise control within a preset range and try to provide ways for the same type of low-noise motor to design.

Keyword:BLDCNoise driving componentSimulationCogging torqueFEA(Finite Element Analysis)