基于Ansoft的永磁无刷直流电动机的设计与仿真

彭峰，谷爱昱，梁德志，罗志伟，温晓阳

(广东工业大学，广东广州510006)



基于Ansoft的永磁无刷直流电动机的设计与仿真

彭峰，谷爱昱，梁德志，罗志伟，温晓阳

(广东工业大学，广东广州510006)

摘要介绍了永磁无刷直流电动机基本原理，然后根据要求设计了一台9槽10极永磁无刷直流电动机，并利用Ansoft /Maxwell 2D对其进行了有限元仿真，对电动机进行了空载、负载瞬态特性分析，验证了设计的合理性。最后试制样机，样机测试值与Maxwell仿真值对比，验证Maxwell仿真的正确性。

关键词永磁无刷直流电动机；电磁设计；有限元仿真

0引言

永磁无刷直流电机以其体积小、重量轻、惯量小、控制简单和动态性能好等优良特性，被广泛应用于工业、交通、消费电子、航空航天、军事等领域。因此，对永磁无刷直流电动机的研究具有十分重要的意义。

永磁无刷直流电机除了保持有刷直流电动机优越的起动和调速性能外，其最大的特点是没有换向器和电刷组成的机械接触结构，具有寿命长、噪声低和电磁干扰小等优点。因此，永磁无刷直流电动机的转速不受机械换向的限制，可以根据具体的需要让其高速或者低速运行，有较好的转矩特性。并且永磁无刷直流电机由于结构上的特点，使其热阻较小，散热容易。永磁无刷直流电机同样还具备交流电动机的结构简单、运行可靠、适应性好、维护方便等优点[4]。

本文根据电机的性能要求设计了一款9槽10极的无刷直流电机，利用Maxwell软件对其进行有限元分析，并和实验样机测试结果进行对比。

1永磁无刷直流电机的原理

无刷直流电机为了实现无机械接触换相，利用电子开关电路代替有刷直流电动机的机械换相，取消了传统电刷。因此，为了实现对电机转速和转动方向的控制,无刷直流电机必须具有由转子位置传感器、控制电路及功率器件共同构成的换相装置。所以，无刷直流电机是一款典型的机电一体化产品[1]。

无刷直流电动机由电动机和电子驱动器两部分组成，其结构框图如图1所示。永磁无刷直流电机的位置传感器与电动机转子同轴，控制电路对位置信号进行逻辑变换后产生驱动信号，驱动信号经功率开关器件，使电动机的各相绕组按一定的顺序工作[2]。

图1　永磁无刷直流电机基本结构框图

2永磁无刷直流电机的设计

2.1　主要性能指标

永磁无刷直流电动机设计指标：额定功率150W，标称电压115V，相数为3，额定转速6000r/min，120°两相导通三相六状态方波设计，电机使用环境温度≤80℃。

2.2　主要尺寸的确定

电机的主要尺寸根据经验公式[3]来计算

(1)

式中，Di1—电枢内径；Lef—电动机长度；P—计算电磁功率；α—极弧系数；A—电负荷；Bδ—磁负荷；nN—额定转速。

永磁无刷直流电动机的设计主要包括尺寸的确定、长径比的确定、齿宽和轭高的计算、永磁体尺寸确定、绕组参数确定等。通过对电动机参数的计算、校验，最终确定电动机各个部分的参数[5]。

定子设计：槽数为9，定子内径30mm，槽口宽2.5mm，槽口深0.5mm，槽深10.5mm，定子齿宽5mm；

转子设计：外径29mm，永磁体厚度3mm，转子内孔直径10mm，转子磁环5对极：粘接钕铁硼，15℃下剩磁密度0.654T，矫顽力为421kA/m；绕组：每槽匝数为41匝，线径为0.62mm。

3电机的有限元仿真

3.1　电机有限元模型的建立

根据上面初步设计的数据，电机的主要参数如表1所示。

表1　电机的主要参数

利用软件Ansoft/Maxwell 2D模块进行无刷直流电机模型的建立

(1)打开软件，确定求解环境；

(2)利用AutoCAD等作图软件，画出电机的模型，并将画好的模型导入到Maxwell 2D中，如图2所示；

(3)给电机各部分添加材料；

(4)建立各相绕组，并对电机各部分进行剖分，使之达到合理的剖分效果，其剖分如图3所示；

(5)确定电机求解过程中的边界条件、激励、损耗等；

(6)确定求解时间、负载转矩等[5]。

图2　电机模型(最外围为外层面域)

图3　网格剖分图

在Ansoft中包含有相应的电路设计Maxwell Circuit Editor，可以利用其对永磁无刷直流电动机的外电路进行编辑。电动机控制外电路图如图4所示。

图4　电机控制外电路

3.2　有限元仿真结果分析

在空载模型的基础上来进行电动机负载瞬态分析，在施加外电路后的负载瞬态分析相比较空载分析仅对激励源与机械运动部分进行重新设置，其他设置保持不变[6]。有限元仿真部分结果如图5所示。

图5　电机磁力线分布图

从图5中可以看出，电机的磁链分布比较均匀，漏磁较少，说明电机的尺寸设计较为合理。

图6为电机齿槽转矩曲线，从图中可以看出齿槽转矩的幅值为0.769m N·m，且正负对称。齿槽转矩的幅值较小，说明该电机的输出转矩波动不大，运行性能较为稳定，可靠性较高。

图6　齿槽转矩曲线

转速曲线如图7所示，从转速曲线图中，可以看出电机稳定之后，平均转速为5912r/min。与理论额定转速6000r/min相差在误差范围之内，是符合设计要求的。

图7　转速曲线

通过添加输出变量的方式，Pout=Moving1.Torque×5912/9.55,可以从输出功率Pout曲线中看出，电机稳定之后输出功率的平均值为152.97W。输出功率曲线如图8所示。

图8　输出功率曲线

输入曲线如图9所示。输入功率Pin=输出Pout+机械损耗Pm+铁耗PFe+铜耗PCu+附加损耗Pad+开关管损耗PΔ，可以从输入曲线图中得出，稳定之后的输入功率平均值为181.70W。

图9　输入功率曲线

从而计算出该电机的平均效率η= 输出Pout/ 输入Pin为84.19%，是符合基本设计要求的。

4样机实验数据与仿真数据对比

根据上述的设计，试制了

一款样机，如图10所示。

图10　样机图

给电机加115V的直流电压，调速到6000rpm，用测功机进行测试。样机实验数据与仿真数据的对比如表2所示。

表2　仿真值与测试值

通过表2的对比可知，Maxwell软件的仿真值与样机的实测数据比较接近，在误差的允许范围之内，电机性能满足设计的要求。

5结语

本文通过Maxwell 2D对所设计的9槽10极永磁无刷直流电动机进行仿真，获得其性能参数曲线与数据，并将仿真数据与样机测试数据进行对比，验证了电机电磁设计的正确性。上述设计只是满足基本要求设计的其中一种，对于一种电机的设计有很多种参数可能。在永磁无刷直流电动机的设计过程中，为了使设计出的电机不仅能够满足实际要求，而且效率尽可能大，就有必要对电机的性能参数进行优化，而性能参数的寻优是通过电机的结构参数的寻优来实现的[7]。

参考文献

[1]谭建成.永磁无刷直流电机技术[M].北京：机械工业出版社，2011.3.

[2]田燕飞.小型三相永磁无刷直流电动机分析与设计[J].广东工业大学硕士学位论文，2014.5.

[3]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，2009.3.

[4]胡岩,武建文,李德成，等.小型电动机现代实用设计技术[M].北京：机械工业出版社，2008.3.

[5]赵博,张洪亮.Ansoft12在工程电磁场中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2010.1.

[6]陈文敏,黄开胜,何良远，等.基于Maxwell的单相无刷直流电动机分析和设计[J].微电机，2013.3(46).

[7]翟力,黄文美,宋桂英，等.基于最大效率的永磁无刷直流电动机优化设计[J].微特电机，2011.12.

Design and Simulation of Permanent Magnet Brushless

DC Motor Based on Ansoft

PengFeng,GuAiyu,LiangDezhi,LuoZhiwei,andWenXiaoyang

(Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

AbstractThis paper introduces basic principle of PM brushless DC motor. A 9-slot 10-pole PM brushless DC motor is designed according to requirements. Finite-element simulation of the motor is carried out by Ansoft/Maxwell 2D, transient characteristics of the motor in load and noload are analyzed, and rationality of the motor in design is verified. Finally, trial-manufacture of the prototype is carried out, and the correctness of Maxwell simulation is verified by comparison between test value and simulation value of prototype.

Key wordsPM brushless DC motor；electromagnetic design；finite-element simulation

收稿日期：2015-07-28

作者简介：彭峰男1989年生；硕士研究生，研究方向为电机与电器.

中图分类号：TM301.2

文献标识码：A

文章编号：1008-7281(2015)06-0004-004

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2015.06.02