永磁无刷直流电机电磁设计方法及软件实现

郝宏亮，李 雪

（国网徐州供电公司，江苏 徐州 221009）

0 引言

永磁无刷直流电机是由永磁体建立励磁磁场的直流电机。它除了具有普通电励磁直流电机所具备的下垂的机械特性、线性的调节特性、调速范围宽和便于控制等优点外，还具有体积小、效率高、用铜量少、结构简单和运行可靠等优点。广泛应用于家用电器、办公机械、电动工具、医疗器械、精密机床等方面［1，2］。

本文针对永磁无刷直流电机进行设计。采用磁路法，应用计算机进行电磁计算，提高了电机设计的效率性及准确性。

1 永磁电机的电磁设计方法

目前对永磁电机设计的研究工作主要集中在电机的电磁分析、性能与损耗计算以及电机控制器的设计上，并取得了相当多的进展。对于永磁电机的分析与计算，当前主要有以下4种方法：（1）磁路法。它是电机分析的传统方法，用磁路来代表场，需要大量的经验公式和参数，合理选择这法计算直接、简单，适用于电机设计的初步参考［3，4］。（2）有限元法。具有单元算法统一，剖分灵活、通用的优点，但是计算时间较长，使得计算时间问题很突出。（3）等效磁网络法。依据等效一对极范围内磁路结构，将电机中磁通几何形状较规则、分布较均匀的部分作为一个独立单元。但以路的方法来分析磁场，参数选择困难，电机设计的精度难以保证［5-8］。（4）场路结合法。通过电磁场数值计算，可以较准确地求出电机的各种计算参数，能有效的提高电机设计的准确性。但计算也比较复杂［9］。

2 磁路法设计永磁无刷直流电机

2.1 磁路法原理

本文将采用磁路法来设计永磁无刷直流电机。电机磁路主要由永磁体、转子轭部、气隙、定子齿、定子轭部等部分组成，永磁电机运行时，永磁体想外磁路提供的磁动势Fm和磁通Фm都是变化的，根据电路知识，类似的将永磁体等效为一个磁势源以简化磁路结构，磁路结构如图l 所示。

图1 永磁无刷直流电机等效磁路

Fc为永磁体磁动势源的计算磁动势；Λ0为内磁导；Фm为总磁通；Λr为转子轭磁导；Λσ为极间漏磁导；Fad为直轴去磁磁势；Фσ为漏磁通；Фμ为主磁通；Λδ为气隙磁导；Λτ定子齿磁导；Λa为定子轭磁导。得到磁通、磁势方程：

求解得漏磁系数：

空载时Fa=0，此时

如果永磁体设计采用外置径向瓦片结构，漏磁将主要存在于齿部、气隙和轭部，将气隙、轭部和齿部磁导构成磁路主磁导Λδ’，令（2/Λδ+2/Λτ+1/Λa）=1/Λδ’，则σ0=Λσ/Λδ’。电枢反应呈去磁时，Fad为正，此时Фm，Фμ减小，Фσ增大，同时磁势ΣF 减小，永磁体提供的有效磁通减小，导致永磁体工作点降低；当电枢反应呈增磁时，Fad为负，此时Фm，Фμ增大，Фσ减小，同时磁势ΣF增大，永磁体工作点升高。漏磁系数为磁路参数与电枢反应的函数。

2.2 磁路法的流程设计

由于电机设计是对不同设计方案寻优的过程，对每个设计方案都进行有限元计算是不合适的，利用磁路法对电机设计的各参数进行计算，并利用计算机快速完成具有巨大的优势。本文使用的磁路法进行永磁无刷直流电机电磁设计过程如图2所示，该过程在电磁设计中尽量避免电机剖面结构发生变化，保持剖面磁场分布不变，充分考虑了电磁场数值计算在电机设计中的作用。

在电机设计中，往往对电机形状有具体的要求，对电机最大直径固定的电机设计，这种方法是有效的，但有些设计对电机长度有具体的要求，这种方法就不是很奏效［10］。

3 永磁无刷直流电机CAD 系统

随着计算机技术的发展，CAD 技术在电机设计领域得到了广泛的应用。从最初的校核电机性能逐渐发展到电机的综合设计、优化设计、电磁场性能分析、计算机绘图等，为设计人员节省了大量时间。

本文根据场路分析法开发了一个永磁无刷直流电机CAD系统。本CAD 系统基于Windows 环境，采用Microsoft 公司的集成开发工具Visual Basic 6.0 开发。可输入标称电压，额定转速，定转子尺寸等参数，对所设计的电动机进行简单计算，永磁体尺寸，空载负载磁路，最大去磁，工作性能等计算，产生如槽满率，磁密，效率，转速，起动电流等重要输出数据，本程序输入、输出界面如图3、4 所示。

图3 CAD 系统输入界面

图4 CAD 系统输出界面

图5 三相绕组空载反电势曲线

图6 电机效率-转速曲线

本程序包括7 个模块：（1）主程序模块。该模块包含一个子程序Sub DCJS（），其功能为输入数据和调用其他模块子程序Magcurve（），DCJS（），Output（）完成全部计算。（2）电磁计算模块。此模块为本程序完成计算功能的主要模块，包含一个子程序DCJS（），在此子程序中进行进行简单计算，永磁体尺寸，空载负载磁路，最大去磁，工作性能等计算。（3）变量声明模块。程序将变量声明集中在一个模块中进行，其功能就是对变量、数组进行全部可见的Public 声明。（4）硅钢片磁化曲线模块。此模块包含子程序Magcurve（），用于保存硅钢片直流磁化曲线，损耗曲线表格，电磁计算时需要插值时为其提供数据。（5）轭部磁路校正系数模块。轭部磁路校正系数模块，用于计算轭部磁路长度校正系数。（6）线性插值子程序模块。曲线插值子程序保存在此模块中，需要对磁化曲线，损耗曲线进行插值计算时调用。（7）输出模块。包含一个子程序Output（），用于生成SCdat.dat 文件，保存输出数据。

4 有限元分析及对比

本文对一台30W 洗衣机用永磁无刷直流电机进行设计，利用电磁场分析软件Ansoft 进行仿真分析。电机采用四极六槽结构，额定电压24V，额定转速为3000rpm。通过对模型进行2D 静态场和瞬态场仿真，用以与磁路设计结果对比［11］。

4.1 2D 静态仿真

进行2D 静态仿真，利用Ansoft 计算及后处理功能，得到磁密分布图，计算得出气隙处磁密波形，将数据处理求出平均值空载气隙磁密0.245T。

4.2 瞬态场空载负载仿真

二维瞬态求解器仿真空载运行过程，设定步长为1ms，仿真0～100ms 的空载运行过程。图5 显示了电机的三相绕组空载反电势曲线，图6 为电机效率—转速曲线。由于工作环境的特点，导致永磁无刷直流电机工作转速在一定范围内不断变化，导致输出电压频率和大小也随之发生变化。为了便于分析，仿真中使电机带纯电阻负载来模拟额定工作状况。

4.3 结果对比

将CAD 系统的计算结果和有限元仿真软件Ansoft 的仿真结果对比如表1 所示。

对比结果表明，本文设计的CAD 系统采用磁路法计算得到的永磁无刷直流电机各参数与Ansoft 有限元仿真结果接近，该CAD系统具有较高的准确性和可靠性。

实际设计中由于电机的结构、材料、负载等因素需要对计算结果进行合理取舍，该CAD 系统以其计算简便，结果可靠的特点将成为永磁无刷直流电机设计中重要的设计工具。

表1 电机参数计算和仿真结果

［1］唐任远.现代永磁电机理论与设计［M］.北京：机械工业出版社，2006.

［2］李钟明，刘卫国.稀土永磁电机［M］.北京：国防工业出版社，1999.

［3］陈世坤.电机设计［M］.北京：机械下业出版社，2005.

［4］汤蕴璆.电机内的电磁场［M］.北京：科学出版社，1998.

［5］Zhuoran Zhang，Yangguang Yan，Shanshui Yang，Zhou Bo.Development of a New Permanent-Magnet BLDC Generator Using 12-Phase Half-Wave Rectifier［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2009（6）.

［6］邱国平.永磁直流电机主要尺寸的目标设计法［J］.微电机，1994（2）.

［7］Sheppard Salon，Kiruba Sivasubramaniam.The effect of asymmetry on torque in permanent magnet motors［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2001（2）.

［8］Godwin G.L.Optimum Machine Design by Digital Computer［J］.AIEE，PT.Ⅲ-A，1979.

［9］方瑞明，胡虔生.永磁直流无刷电机设计混合型专家系统的研究［J］.微电机，2001（5）.

［10］童怀.磁阻电机动态特性的非线性分析与计算机仿真［M］.南京：科学出版社，2000.

［11］张岳.ANSOFT 在直驱式永磁风力发电机设计中的应用［J］.微特电机，2008（11）.