基于ANSOFT的永磁无刷直流电动机的设计和分析

赵伟栋，谢 卫，万树春

(上海海事大学，上海 201306)

0 引言

永磁无刷直流电动机具有运行效率高、调速性能好以及可靠性高等优点。随着永磁材料、电力电子器件、微电子器件、变流技术、电机技术、计算技术及其控制理论的进步，现代永磁无刷直流电动机得到了很大的发展，使之被广泛地用于机床、汽车、视听设备、计算机外部设备、医疗和家用电器等领域。因此，无刷直流电动机的设计就显得十分重要。针对无刷直流电动机的磁路法计算准确度不高，目前采用最多的是场路结合法。

笔者将运用有限元软件ANSOFT结合磁路法设计一台永磁无刷直流电动机，将两种方法的计算结果进行比较，并且对其进行空载特性分析，另外还验证了定子斜槽对于抑制齿槽转矩的作用。

1 技术指标

永磁无刷直流电动机的技术参数为:额定功率20 kW、额定转速3 000 r/min、额定输入直流电压360 V，转矩类型为恒转矩负载。

2 基于磁路法的无刷直流电动机设计

2.1 电机主要尺寸的确定

电机的主要尺寸主要包括电枢的外径和电枢铁心的长度，可以通过式(1)确定。要确定这两个参数，首先要确定另一些参数。对于连续运行的永磁无刷直流电动机，一般取线负荷:A=30～100 A/cm(微型电动机)，A=100～300 A/cm(小型电动机)［1］，该电机取 250 A/cm。

2.2 永磁体材料和结构

目前电机工业中应用的永磁材料主要是铝镍钴、硬磁铁氧体和稀土磁体三大类。铝镍钴永磁体的主要特点是剩磁高、温度系数低、居里温度高，但是矫顽力低，抗退磁能力差。铁氧体永磁材料的特点是价格低廉、有较高的矫顽力，但磁能积低。

笔者采用烧结钕铁硼永磁体。钕铁硼永磁体磁性能十分优异，而且具有高的磁能积、高矫顽力，更为重要的是它的退磁曲线为直线，回复线与退磁曲线基本重合。这样，电机的动态工作点就在这条直线上移动，有很宽的调速范围，不容易去磁。与铁氧体磁铁相比，要获得相同气隙磁密的话，钕铁硼材料用量要更少。

永磁体在转子中的摆放结构也有很多种，主要有表贴式(见图1)、面包型表贴式、内置切向式和内置径向式，分别如图2(a)、(b)、(c)、(d)所示。有学者对相同磁体体积的这四种结构的转子进行了比较［3］，发现表贴式结构的转子气隙磁通密度最大，因此笔者采用表贴式的径向磁路结构，如图1所示。永磁体之间用隔磁块分开，并且为了在高速转动时维持永磁体不会被甩出，用紧圈进行固定。

图1 表贴式转子结构

图2 不同的永磁体摆放结构

2.3 相数、槽数和槽形的确定

无刷直流电动机的相数越多，虽然可以减少一定的转矩脉动，但是相数增多会增加控制电路的成本和复杂程度，这里用三相即可。

笔者设计的电动机的体积不小，对于高速电机和转子体积比较大的电机中，转子的平衡非常重要。如果选用偶数槽，对转子的平衡有极大的作用。笔者采用24槽，并且由于梨形槽比梯形槽槽面积利用率较高，冲模寿命较长，而且槽绝缘的弯曲程度较小，不易损伤，所以采用梨形槽［4］。

槽形确定后，要确定其尺寸，首先要确定槽口宽。槽口宽的选用原则是:槽口宽必须大于单根漆包线的线径，并应考虑到槽口的槽绝缘厚度［5］。

Bs0≥da+(0.03+0.05)cm (3)式中，Bs0为槽口宽;da为单根漆包线的线径。本设计导线直径为1.06 mm，槽口宽度为Bs0=2.4 mm。

3 有限元的计算和分析

ANSOFT能够对建立的电动机模型进行网格剖分然后进行有限元计算。将根据磁路法设计的电机模型导入到ANSOFT中建立电动机模型。

3.1 参数比较

运用ANSOFT有限元软件中的RMxprt模块对电机进行磁场解析法的计算，将得到的参数值与上述基于磁路设计的参数值进行比较。(见表1)

表1 磁路法与有限元法计算出的参数对比 T

从表1中可以看出，定子轭磁密相对偏大，设计合理性还有待提高。另外可以看出，磁路法和有限元法计算出的参数还是有差距的，有限元法精度更高，对于磁路法中必须用经验公式计算的参数来说，用有限元法计算出来的结果比较可靠。

3.2 齿槽转矩分析

永磁无刷直流电机的齿槽转矩是电枢铁心的齿槽与转子永磁体相互作用而产生的磁阻转矩，是引起无刷直流电动机转矩脉动的一个因素。设计电机的齿槽转矩如图3(a)所示，峰值最高为2.575 8 N·m。根据文献资料，定子斜槽能够有效抑制齿槽转矩，因此，对已设计出的电机进行优化，将原来的槽改为斜槽，对于整数槽电机，斜槽角为［6］:

改进后的齿槽转矩如图3(b)所示，峰值最高仅有0.467 3 N·m，明显减小了齿槽转矩，验证了理论。

图3 齿槽转矩

3.3 空载特性分析

运用MAXWELL 2D模块的Transient计算器对该电动机进行瞬态场分析，其空载电枢电流波形以及转速曲线分别如图4(a)、(b)所示。图4(a)中计算出空载电枢电流的均方根为0.082 A，空载转速为3 127.86 r/min。从结果看，空载电流偏大，可见设计还不是很合理，有待改进。

3.4 转矩脉动分析

该电机的转矩曲线如图5(a)所示，平均转矩145.939 N·m，峰值转矩164.601 N·m，转矩脉动12.8%。而经过斜槽优化后的转矩如图5(b)所示，其平均转矩为147.746 N·m，峰值转矩为164.799 N·m，转矩脉动为11.5%。

图4 空载特性

图5 转矩脉动

4 结语

笔者采用场路结合法设计了一台额定功率20kW的永磁无刷直流电动机，对其空载特性进行了分析，验证了场路结合法设计无刷直流电动机的合理性，并且用有限元软件对该无刷直流电动机的空载特性进行了分析，并且对该电动机的齿槽转矩和转矩脉动进行了优化前后的对比，验证了定子斜槽可以有效抑制齿槽转矩。

［1］戴文进，张景明.电机设计［M］.北京:清华大学出版社，2011.

［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，2000.

［3］Jabbar M A，Khambadkone A M，Liu Qinghua.DESIGN AND ANALYSIS OF EXTERIOR AND INTERIOR TYPE HIGH-SPEED PERMANENT［C］，National University of Singapore，AUPEC 07，2007.

［4］白娅梅，罗玲，黄其.场路结合的9 kW 永磁无刷直流电动机设计［M］.北京:微电机，2012(9).

［5］邱国平，邱明，永磁直流电机实用设计及应用技术［M］.北京;机械工业出版社，2009.

［6］谭建成.永磁无刷直流电机技术［M］.北京:机械工业出版社，2011.