无槽电机的设计与仿真

姚光久，谷爱昱，江伟

(广东工业大学，广东广州 510000)



无槽电机的设计与仿真

姚光久，谷爱昱，江伟

(广东工业大学，广东广州 510000)

通过RMxprt有限元仿真软件，设计一款4极9槽、20000r/min、30W的无槽无刷直流电机，获得性能参数曲线与数据，将仿真数据与理论计算数据进行对比，验证电机设计的合理性。通过仿真数据可知在Maxwell 2D和RMxprt里选择RMxprt更适合与无槽无刷电机的仿真和计算。

无槽无刷电机；设计；有限元；仿真

0 引言

电机主要用于石化、交通工具、能源、电力等与生活相关的驱动和生产装置。无槽无刷电机与传统电机相反，是以自控式方式运行的，消除像变频调速下重载起动的同步电机那样在转子上另加启动绕组，在转换端不会出现火花和磨损，也不会在负载突变时产生振荡和失步。无槽扩大了绕组的布置空间、降低铁耗、减少涡流损耗。

对于高速运行的电机来说，直流电机最为合适。对于调速的场合，宜采用无刷直流电动机变频器调速，本文结合无刷电机的优点，设计了一款4级9槽的30W电机。

1 无槽无刷直流电机的设计

1.1 主要技术指标

本方案的电机驱动电压Un=12V，额定功率Pn=30W，额定转速nN=20000r/min，额定电流In=2.85A，效率η=85%。控制系统采用120°两相无刷导通三相六状态方波设计，电机允许运行温度≤80℃。在Maxwell Circuit Elements/Dedicates Elements中设计控制电路。

1.2 电机主要尺寸的确定

电机长径比λ=Lef/Da的选择对电机的性能、重量、成本有很大的影响。永磁直流电机设计中一般取λ=0.6～1.5.电枢直径计算如下

式中，P—电机的额定功率；αi—极弧系数；A—电负荷；Bδ—磁负荷；λ—电机长径比；n—电机转速；Kp—短路系数。

电负荷A取30A/cm，平均气隙磁密Bδ取0.75T，考虑电机尺寸，定子外径Da=15.6mm，铁心长度6mm[3]。

气隙在0.3～0.8mm之间，气隙过小会造成磁饱和，损耗永磁体的磁性，气隙过小影响电机的电磁转换，一般去0.5mm为宜。

1.3 永磁体材料及厚度的确定

无槽电机的齿部采用不导磁塑料材质，方便绕线圈和对线圈进行塑形。定子轭部分和定子部分不是一个材料，可以自由拆卸和组合。

无槽电机要考虑电机的性能，本文永磁材料是铁钕硼，铁钕硼材料的剩余磁感应强度和最大磁能积比较大，满足无槽时气隙空间变大磁密和磁感应强度保持不变的要求。为了避免电机在负载时电枢反电动势过大，对永磁材料发生不可逆的去磁作用，适当设计铁钕錋的厚度，厚度设为hM=3mm[4]。

2 电机的有限元设计

2.1 电机的有限元模型的设立

电机主要参数如表1所示。电机的网格剖分见图1，磁密云图见图2，磁力线见图3。

表1 电机的主要参数

利用电机分析软件ANSYS/RMxprt建立无槽无刷电机二维有限元模型，建模过程如下。

(1)打开Maxwell/RMxprt进入二维界面，确定其求解环境。

(2)从RMxprt电机模块中的15种常用电机选择Brushless Permanent-Magnet DC Motor。

(3)选择以后给电机零件定型，添加RMxprt材料库。没有的添加材料磁化曲线B-H和铁耗曲线B-P，确定材料属性，如永磁体材料NdFeB40-SH，剩磁Br=1.26T,矫顽力Hc=1600kA/m。

(4)确定电枢绕组的节距和极距，确定线圈的匝数和线径，建立A、B、C三相绕组。对电机的各部位进行网格剖分。网格剖分的要求一般是定转子铁心>永磁体>定子绕组>band，见图1。

(5)将在RMxprt中设计好的模型导入Maxwell 2D中，进行一系列求解的设置。

(6)确定电机求解中的各种损耗、起始角、运动周期、激励源、边界条件等。

(7)根据电机额定要求，确定转动惯量、阻尼、运动速度、求解时间、负载转矩等[5]。

图1 电机的网格剖分

图2 电机的磁密云图

图3 电机的磁力线分布图

2.2 电机相电压、相电流和阻抗的确定

定子绕组一相的感应电动势Ea的方程式为

式中，La—定子铁心长度；V—转子磁钢表面旋转线速度；αδ—极弧系数；m—定子绕组相数；Na—每一相总导体数。

由额定电压、电流和功率可以得到额定的电流。电阻与电感之的关系如下[6]

式中，D—转子外径；d—线圈直径。

通过电阻就可以求出相应的电感。电机的损耗主要包括铜损耗、铁心损耗、机械损耗。这些损耗对电机的效率有影响[7、8]。理论设计完成后进行模拟仿真，仿真结果的操作步骤如下。

热负荷=电流密度×线负荷，电流密度值≤15

热负荷：Maxwell2D/Magnetic/EddyCurrent/Fields/other/thermalload

电枢电流：Maxwell/Result/CreateTransientReport/RectangularPlot/Winding/Current

电枢电压：Maxwell/Result/CreateTransientReport/RectangularPlot/Winding/Voltage

转速：Maxwell/Result/CreateTransientReport/RectangularPlot/Speed

转矩：Maxwell/Result/CreateTransientReport/RectangularPlot/Torque

电机效率=输出功率Pout/输入功率Pin

输出功率Pout=Torque×speed/9.55

输入功率Pin=输出功率Pout+机械损耗Pm+铁耗PFe+铜耗PCu+附加损耗Pad+开关管损耗P△

输入输出功率取图形稳定以后的值，理论结果和仿真结果对比见表2。

表2 理论与仿真参数对比

电机的首要设计目标是电机效率，效率越高越好；其次是电流密度不能过大，以免导线过热烧毁电机，这两大因素是电机效率与安全性的平衡。由仿真结果和理论参数的对比可知：仿真电机效率与理论设计效率差4.7%，效率达标的同时，同样的绕组仿真电流小于理论计算电流，电流密度与电流成正比，电流密度越小电机安全系数越高，热负荷、电压、转速、转矩的仿真参数和理论计算误差均在5%以内，本电机在效率略低的情况下安全系数有较大提高，达到设计要求。Ansoft的仿真图如图4、图5、图6所示。

图4 仿真启动过程中的电流

图5 仿真启动过程中的反电动势

图6 仿真启动过程中的转速

如图4和图5所示，电机起动时电流波形达到稳定值前有一个类似阻尼振荡过程,因此对启动的电流和电压不能简单用最大值作为其值，电机起动过程中空载电动势下降最大、转矩上升最快。在起动过程中，反电动势、电流呈下降趋势。当转矩和阻尼、力矩维持在平衡状态时，电压和电流不再变化，电机稳定运行。图6是电机的加速阶段，随着转矩的增加，转速增加，转矩稳定，转速稳定。图4～图6的图形均经过快速响应时间的加速或减速阶段，响应时间与电机的转速和控制方式有关，理论上步进电机从静止加速到工作转速(一般为每分钟几百转)需要200～400ms。而无刷直流电机的静止加速到工作转速仅需20～80ms，无刷直流系统的加速性能较好，可用于要求快速启停的控制场合。上述图形印证了无刷直流电机的加速性能，达到稳定运行状态时，电机运行平稳、无振动。

3 结语

单独使用RMxprt更接近实际样机理论参数，再结合Maxwell2D可以更清晰的看到仿真图像。两个软件结合利用有利于仿真参数的分析。理论仿真参数与设计参数的对比，表明用Maxwell设计电机的正确性并验证样机的良好性能。

在符合电机要求设计的前提下，依据电机原有的设计方案优化电机的尺寸。气隙的大小、定转子的长度和厚度导致电机电流、电压和效率的变化，基于Maxwell RMxprt建立电机的模型，在确定合理的电机尺寸的条件下，调整电机本体的参数来提高效率，为设计高性能无槽无刷电机提供一种可靠的方法。最后试制样机，与仿真模拟结果进行对比，验证模型的正确性和调整结构的合理性。

[1] 张深.无刷直流电动机原理及应用[M].北京：机械出版社，2004.

[2] 李烨，严欣平. 永磁无刷电动机技术发展水平及应用前景[J].微电机，2001.

[3] 唐任远.现代永磁电机理论与设计[M]. 北京：机械工业出版社，1997.

[4] 林岩. 钕铁硼永磁电机防高温失磁技术的研究[D].沈阳：沈阳工业大学，2006.11.

[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.

[6] 洪安生.线圈的电感与电阻[J].物理通报，2002.

[7] 王秀和.永磁电机[M].北京：中国电力出版社，2007.

[8] 孔晓光，王凤翔，刑军强.高速永磁电机的损耗计算与温度场分析[J].电工技术学报，2012.

Design and Simulation of Slotless Motors

YaoGuangjiu,GuAiyu,andJiangWei

(Guangdong University of Technology, Guangzhou 510000, China)

A 4-pole, 9-slot, 20000r/min and 30W slotless brushless DC motor is designed by RMxprt finite-element simulation software, and curves and data of performance parameters are obtained. In comparison of simulation data with theoretical data, reasonability of motor design is proved. It can be known based on simulation data that the RMxprt chosen in Maxwell 2D and RMxprt is more suitable for simulation and calculation of slotless brushless motors.

Slotless brushless motor；design；finite element；simulation

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.05.03

TM33：TM32

A

1008-7281(2016)05-0012-004

姚光久 男 1990年生；广东工业大学在读研究生，研究方向为电机与电器.

2016-06-15