对永磁无刷直流电机的研究

杨杰城

（湖北省孝感高级中学，湖北孝感　432100）



对永磁无刷直流电机的研究

杨杰城

（湖北省孝感高级中学，湖北孝感432100）

摘要：随着我国科技不断发展，永磁无刷直流电机已成为电力电子一体化高科技产品，凭借其结构简单、运行可靠、效率高，在航天、医学、家用民用产品制作中得到广泛应用。文章对永磁无刷直流电机设计、控制以及建模方法进行分析，展现其对生产起到的重要作用。

关键词：永磁无刷；直流电机；应用研究

永磁无刷直流电机在很多领域得到广泛应用，通过研究其运行原理、设计以及应用，能够使人们认识并掌握永磁无刷直流电机的运行规律与特点，为各领域建设生产提供支持。

1　无刷直流电机结构与工作特性

（1）无刷直流电机基本结构。无刷直流电机由电机本体、转子位置、传感器以及电子转换电路构成。电机本体结构与永磁同步电机有类似之处，能够实现能量转换，在整体系统设计中起关键作用。位置传感器主要功能是对转子磁极位置进行检测，还能将其作为机械转相部件使用，传感器输入的信号需经过逻辑单元的处理，此过程会产生对应的信号，接收到信号驱动控制电路功率被触发，直流转换为了机械能，输出转矩将运行可靠性增强。

（2）无刷直流电机工作原理。无刷直流电机本体结构与永磁同步电机相似，定子绕组单相结构，也有三相结构。电枢绕组使用星形与三角连接，而电子转相电路则分为桥式与非桥式两种。

（3）无刷直流电机数学模型。假设电机特性如下：电机磁路饱和，涡流效应忽略不计，出现磁带损耗与电枢反应；忽略齿槽转矩的影响；将电路功率器件作为最有效的器件。如果上述假设成立，定子每组绕组电压组成都有电阻降压与绕组的电势，电压平衡方程为：

在上述公式中，定子各相的反电动势分别为ea、eb、ec；定子各相电流分别为ia、ib、ic；定子各相电压分别为Ua、Ub、Uc；而定子各相绕组电感则分别表示为La、Lb、Lc；如果无刷直流电机转子是永磁体，假设三相绕组是对称存在的，将磁阻间的影响忽略，得出绕组互感常数，La=Lb=Lc=Ls，Ra、Rb、Rc=R，最终公式为：

2　永磁无刷直流电机的设计

（1）磁路法。磁路法基本设计原理为：永磁电机内部有很多形式的三维交变电磁场，在空间内还存在分布不均匀的磁场，这些磁场能转化为多种磁路段，每段磁路都沿着截面均匀分布，使磁路计算转化出来。磁路法计算需对系数进行修正，按照生产设计经验使设计精度达到实际生产需求。各类电机磁路都是由永磁体、软磁材料、工作气隙组成。其中，提供磁势的永磁体，经过软磁材料时，将使磁势降低并产生很多损耗；气隙也是一个重要组成，电机尺寸、性能决定了气隙磁通量，也是重要参数。永磁无刷直流电机运行过程中，磁势与磁通处于不断变化当中，但直接计算较难可以将永磁体作为一个恒磁动势Fc、恒定内磁导Λ0与磁通源相互串联。

（2）电机设计。电机设计涉及内容较多，需综合考虑机械、力学、电磁学等内容，对理想方案反复修正。永磁无刷直流电机设计需要选择正确的材料，将电机各部分尺寸确定下来，了解其工作性能，从而获取最佳经济效益。先将主要尺寸确定下来，主要指电枢铁心直径与长度。还要将电机定子内径Da以及定子铁心长度Ia确定下来。电机尺寸能够影响到外形特征与生产成本，同时也影响着运行可靠性与工作特性，由此需对电机设计充分考虑。确定电机尺寸以后就可以确定其他定子尺寸，将电机功率与转速确定下来以后能够计算电机尺寸，公式如下：

此外，还要确定定子结构，无刷直流电机定子槽型与普通的电机基本相同，有梨形槽、梯形槽、半梨形槽以及圆形槽等。

3　永磁无刷直流电机的电磁分析

（1）有限元法。有限元法的基本原理是使用加权余量法与变分原理法，将连续系统的离散数量变得有限，并且分割出相互不干扰的子域单元，各个单元之间在确保数目相同的基础上连接指定点。在每一个单元中选择出一个准确节点，将其作为函数求解值，将其引入边界条件中。每一个单元内用分片表示区域未知变量，将求解方程组建立起来，再使用数值法求得最终结果。有限元分析软件Ansoft较为常用，尤其适用在低频场合，比如，航天、汽车、机电等领域。基于Maxwell微分方程，使用限元离散法将计算准确性提高，减少了运行时间。可以建立有限元分析几何模型，对磁路进行初步设计，对电磁参数进行观察，将参数是否合理判断出来，实现电机性能改善的目的。

（2）永磁无刷直流电机建模。Ansoft还能进行电子线路仿真处理，使电磁分析更加方便。建模主要体现在以下三种形式：手动在Ansoft中的2D、3D中建立模型，使用Raster Graphics技术画线与圆弧，生成一个闭合区域，对该区域复制、旋转得到实体结构；使用Ansoft中的Rmxprt模块将电机类型确定下来，输入设计参数，自动生成一个2D/3D模型图；使用其他构图软件，比如，AutoCAD将模型建立起来，能对文件导入与导出，还有Iges、Pro/E等。选择以上适合的方法先将本体模型建立起来，将Ansoft中的2D模块导入，得到1/2模型，对参数进行定义，建立起几何模型后，则要进行材料分配与边界定义，再对得到的模型网络剖分并对参数求解，可使用2D求解器，速度更快、资源浪费少，仿真结果易于得到。材料分配可从Ansoft材料库中找到，是自带材料库的2D与3D有限元计算材料库，还可以使用Rmxprt材料库。如果是本电机定转子材料设置为DW432- 40，永磁材料设置为NdFe20，绕组材料设置为Copper、背景设置为Vacuum。通过以上限元法原理、步骤特点的介绍，在此基础上分析永磁直流电机静态特性，分析仿真效果。从创建几何模型、定义材料、分配材料、加载激励源定位边界得到处理结果，最终证明电机运行是稳定可靠的，性能良好。

4　结语

本文主要对永磁无刷直流电机工作原理、结构设计方法进行了介绍，并分析了永磁无刷直流电机的电磁，论述了直流电机建模方法，表现永磁无刷直流电机在各领域得到广泛应用，必须加强对其的研究与分析，为各项生产提供支持。

The Study of Permanent Magnet Brushless DC Motor

YANG Jie-cheng
（Hubei Xiaogan High School，Xiaogan，Hubei 432100，China）

Abstract:With the continuous development of science and technology in our country，permanent magnet brushless dc motor has become power and electricity integration high -tech products.With its simple structure，reliable operation，high efficiency，it has been widely used in the aerospace，medical，household production.In this paper，the design，control，and modeling methods of permanent magnet brushless dc motor are analyzed.

Key words:permanent magnet brushless；dc motor；application research

作者简介：杨杰城（1997-），男，湖北孝感人，主要研究方向：电工技术。

收稿日期：2016-01-10

中图分类号：TM33

文献标识码：A

文章编号：2095-980X（2016）02-0045-02