摘要：利用有限元与磁路法结合的方法能够很好地解决反作用飞轮驱动电机的电磁设计。文章结合用永磁无刷直流电机电磁设计中出现的问题，结合飞轮电机的电磁气隙宽、径长比等结构特点和利用电枢尺寸、有效电磁气隙及电机机械特性之间关系推导出来的计算公式。在利用磁场逆问题建模的基础上求解出电机相应的磁钢强度。最后再将设计好的数值与转速6000r/min、角速度为5Nms的反作用飞轮电机进行比照。由比照结果可知，该电磁电机设计方法适合有效电磁气隙宽大、径长比结构大的飞轮电机电磁设计，且实验方法设计误差小、精度高、目标明确、速度快。关键词：飞轮驱动电机；电磁设计；有限元法；磁路法；实验比照
中图分类号：V448文献标识码：A
1 概述
反作用飞轮利用其零动量姿态控制方式让设计系统整体质量小，控制精度高。永磁无刷直流电机转矩密度大、运行效率高，是反作用飞轮中核心装置驱动电机的首选。因为电枢尺寸是电机的主要结构，因此驱动电机的最终选择还需结合电机的电枢尺寸计算。一直以来，永磁无刷直流电机的电枢尺寸设计都是使用前苏联叶儿穆林《小功率电机》中的公式和方法。但是这种计算方法在实际工程中使用不确定因素多，计算过于繁琐，且电枢尺寸公式也不能全面反映电机机械特性。为了解决这一问题，邱国平等人提出结合具体电机技术进行电机结构参数和尺寸数据计算的方法，但是误差相对较大，且计算时不能应用经验公式和传统电机的磁场分析法进行分析。因此本文结合邱国平的设计思路以及飞轮电机本身的结构特点提出基于磁场和磁路相结合的设计方法。下面论文将针对这一构思进行详细介绍分析。
2 永磁无刷直流电机的具体结构
永磁无刷直流电机通过控制飞轮速度来实现设计体的动量交换，从而达到最终的控制目的。其主要结构包括高精度霍尔传感器、内定子和外转子三部分。霍尔传感器是电机中的位置传感器；内定子由三相星形连接的电枢绕组、支撑轴和电枢铁心等部分组成。外转子实现电机和飞轮轮体的连接。永磁无刷直流电机使用的是无齿槽电枢，这种电枢有效电磁气隙大，可以减少转矩脉动的产生，而较大的径长比可以满足飞轮对转动惯量的要求。另外，“面贴式”转子磁钢设计可以很好地满足电压对电压和速度等方面的要求。
3 基于目标设计的电磁设计方法
3.1 电枢尺寸公式分析
不同于传统电枢尺寸计算，利用有限元法与磁路法结合的反作用飞轮驱动电机电磁设计完整地反映了电机机械特性同时建立了电枢尺寸、转矩系数和电枢电阻三者的关系。利用这种方式进行电机电磁设计是以机械特性为初始设计目标来进行后续的设计和数据分析，且在计算中减少了公式应用和数学计算，从而大大方便了设计过程。
5 结语
永磁无刷直流电机的特点在于有效电磁气隙大、径长比大，因此对飞轮直流电机进行设计需和传统电机区别开来。本文结合飞轮使用的永磁无刷直流电机的结构特点提出了电磁设计方法。结合电机的结构特点和具体系数建立了电枢尺寸和径长比、电机机械特性、磁极数、绕组系数、有效电磁气隙等系数之间的表达式关系，并提出了利用磁场逆问题求解策略进行建模求解的方案来计算电机的磁钢尺寸。在完成最终设计之后将其飞轮结果和飞轮样机进行比照。该方法的最大设计误差仅有2.88%，误差较小，设计精度较高，值得采纳。且利用该方法进行设计和数据计算可以不受传统方法的思想限制，在设计过程中也减少了使用多个繁琐公式和多次查找数据的麻烦，让设计变得更简洁、快速，另外这种设计方法一般只适合大径长比结构、大有效电磁气隙的飞轮电机的设计。本文中飞轮电机的设计主要是基于电机机械特性进行具体设计和计算，但是电机设计过程中的结构参数的具体设计思路和方法也同样适用于类似结构的永磁电机设计。
参考文献
[1] 吴一辉，高庆嘉，白越，吴晓溪，武俊峰，黎海文.反作用飞轮驱动电机的电磁设计 [J].光学精密工程， 2010，（6）.
[2] 王辉，武俊峰，吴一辉.轮缘驱动式姿控飞轮电机设计 [J].工程设计学报， 2012，（3）.
作者简介：裴硕（ 1984-），女，河北电机股份有限公司助理工程师，硕士。
（责任编辑：黄银芳）