基于Ansys 的三相永磁无刷直流电机设计

陈治宇，田燕飞，陈风凯，何建源

(1 广东工业大学，广东广州510006;2 苇源电机有限公司，广东佛山528300)

0 引言

永磁无刷直流电机具有结构简单、输出转矩大、调速范围宽、效率高、噪声低、可靠性高、使用寿命长、无滑动接触和换相火花等优点。现已发展为集特种电机、微处理器，控制软件和硬件等于一体的机电一体化的高科技产品［1］。

近年来，随着三相永磁无刷直流电机应用的电压及功率范围的扩大，在交流供电的家用电器中的应用已经越来越受到人们的关注。为了满足家用电器的新需求，对三相永磁无刷直流电机的尺寸、齿槽转矩、电磁噪声、运行性能等提出了新的要求。因此，合理的电机设计对较高电压或较大功率的三相永磁无刷直流电机有重要的意义。本文以设计的一款150W 8p 600r/min 的三相永磁无刷直流电机为实例，利用Maxwell 2D 建立了这款电机的二维有限元仿真模型，给出电机反电势、气隙磁密和电磁场的分布情况，分析齿槽转矩、输出转矩，计算空载永磁体磁场谐波等。并在此基础上试制了样机，完成了有关性能的测试，验证了电磁设计和仿真分析的正确性，为三相永磁无刷直流电机的分析与设计提供了参考。

1 三相永磁无刷直流电机电磁设计

1.1 主要技术参数

本方案电机的主要技术参数如表1 所示。

表1 主要技术参数

1.2 电机主要尺寸的确定

电动机的主要尺寸和计算功率、转速、电磁负荷有关［2］

式中，Di1—定子内径;L—铁心长度;nN—额定转速，取600r/min;αi—极 弧 系 数，取0.7 ～0.8;P—计算功率，取P=(1.1 ～1.2)×PN;Kφ—气隙磁场的波形系数，为正弦分布时Kφ=1.11;KW—基波绕组系数，本电磁方案用集中绕组，KW=0.86;A—电负荷，取A=160A/cm;Bδ—气隙磁密平均值，永磁材料为铁氧体，取Bδ=0.39T。综合考虑现有的电机外壳尺寸，本设计方案取Di1=85mm，L =40mm。

1.3 电机永磁材料的选取

永磁体材料的性能在一定程度上决定着电机的尺寸和性能。目前，永磁无刷直流电机上应用的磁性材料主要是铁氧体和钕铁硼。

(1)铁氧体的矫顽力温度系数为0.27%/K，在允许范围内温度越高，矫顽力越高;钕铁硼矫顽力温度系数为-(0.4-0.7)%/K，通常最高工作温度为150℃，温度稳定性能比铁氧体差［3］。

(2)钕铁硼是目前磁性能最强的永磁材料，其最大磁能积为铁氧体永磁材料的5-12 倍［3］。因此，在相同尺寸下能提供更大的气隙磁通和输出转矩。但是，目前钕铁硼价格远远高于铁氧体，是铁氧体价格的6-7 倍。

(3)对三相永磁无刷直流电机，通过增加磁铁的厚度和供磁面积，可以有效增大气隙磁通。铁氧体磁负荷较低，以至电机的齿槽转矩和输出转矩波动也较小，能减小噪声。

综合技术要求和材料成本，在电机尺寸允许的情况下，本设计选择铁氧体作为磁性材料。

1.4 永磁体厚度的选取

永磁体的厚度hm的计算公式如下［3］

式中，Ks—外磁路的饱和系数;Kδ—气隙系数;Bδ—气隙磁密;δ—平均气隙长度;μ0—真空磁导率;Hc—内禀矫顽力。

永磁体厚度需综合电机性能与成本，按需要的气隙磁通密度通过磁路计算来选择。磁钢有个最佳厚度，当电动机极数为2 ～8，气隙长度/磁钢外径=0.024 ～0.072 时，内转子结构的永磁体磁内径/外径=0.85 ～0.9 之间时最佳［4］。

1.5 电枢冲片的设计

1.5.1 电枢槽数的确定

在永磁无刷直流电机中，采用较多槽数可减少线圈匝数，也有利于换向，但槽绝缘增加，槽利用率降低，可能造成根部过窄。槽数Q 通常按以下经验公式确定，其中Da为电枢直径

1.5.2 电枢的结构

电机的长径比λ=Lef/Da的选择对电机的性能和经济性有很大影响。主要因素包括参数、温升、转动惯量、耗铜量和转子机械强度等［5］。

短轴长径的电枢结构，比细长型结构的电动机更容易下线，有利于提高生产效率。同时，转子的转动惯量较大，能避免因电机的转矩强迫振荡频率与电机的固有频率接近而产生共振，还可以限制负载时功率振荡的幅值。因此，本文设计的三相永磁无刷直流电机采用短轴长径的电枢结构。

2 设计流程

电机设计流程包括主要尺寸和长径比的确定、永磁体形状的选择、轭高和齿宽的计算等。通过对电机参数的计算、校验，最终确定电机各个部分的尺寸［6］。设计流程如图1 所示。

图1 设计流程图

3 样机设计方案

本文设计的三相永磁无刷直流电机主要参数如表2 所示。

表2 电机主要参数表

利用电磁场有限元分析软件Ansys 中的Maxwell 2D 建立三相永磁无刷直流电机的二维有限元模型如图2 所示。

图2 电机二维模型

4 基于有限元法的分析与计算

4.1 样机反电势

仿真得到样机的反电势波形为如图3 所示的非平顶波。无刷直流电机的绕组存在一定的电感，导致电流不能快速变化，一般情况下电机的反电动势只是接近梯形［4］。

图3 反电势波形

4.2 气隙磁密

图4 气隙磁密波形图

利用Maxwell 2D 静磁场求解，得到样机的气隙磁密波形如图4 所示。从图4 可以求得静磁场气隙最大磁密Bδmax=0.363T，平均气隙磁密Bδavg=0.256T。

4.3 磁场分布

基于有限元的基本原理计算了电机的空载磁场，并得到负载磁场分布图如图5、图6 所示。

图5 电机磁力线分布图

图6 电机磁密云分布图

从图5 可以看出电机主磁通从转子磁极出发，经过气隙、定子齿部和轭部，最后回到转子磁极和定子绕组交链参与机电能量转换，而漏磁通不参与机电能量转换。

4.4 输出转矩的计算

输出转矩对传动轴载荷的确定和控制、传动系统工作零件强度的设计以及原动机容量的选择等具有重要意义。本文设计的样机用于抽水冷风机上(如图7 所示)，经计算其输出转矩的平均值为1.43N·m。

图7 电机电磁转矩

4.5 齿槽转矩的分析

在Maxwell 2D 中计算后得到齿槽转矩如图10 所示，齿槽转矩的变化范围为-23.82mN·m ～23.15mN·m。

图8 电机齿槽转矩

在永磁无刷直流电机中，永磁体与有槽电枢相互作用产生齿槽转矩，导致转矩波动引起电机振动，产生噪声。

5 样机制作与试验验证

根据上述参数制作了样机，如图9 所示。

图9 样机定转子图

给电机施加 160V 直流电压，转速调到600r/min，用测功机对样机进行测试。Maxwell 2D 有限元分析的仿真值与样机测试值进行比较，如表3 所示。

表3 仿真值和测试值

以上Maxwell 2D 有限元分析软件计算的仿真值与样机实测值比较接近，误差都在6%以内，验证了本电机设计方案的合理性和可行性。

6 结语

本文利用Ansys/Maxwell 软件设计了一款150W 8p 600r/min 的三相永磁无刷直流电机，建立了该电机的二维仿真模型，并对其相关性能进行2D 有限元分析计算以及样机的实验验证。该电机目前已成功应用于一款家用设备中，并且批量生产，节能效果明显，受到市场的认可和好评。

［1］ 李军丽.风机用单、三相永磁无刷直流电动机及其控制技术［D］.上海:上海交通大学，2010.

［2］ 陈世坤.电机设计［M］.机械工业出版社，2000.

［3］ 王秀和.永磁电机［M］.中国电力出版社，2007.

［4］ 谭建成.永磁无刷直流电机技术［M］.北京:机械工业出版社，2010.

［5］ 张洁琼.风机用单相无刷直流电动机设计［J］.微特电机，2011，39(4):4-7.

［6］ 薛劭申，沈围.定子槽数和气隙长度对高速永磁无刷电动机性能的影响［J］.微特电机，2011，39(7):21-24.