基于Ansoft Maxwell对永磁有刷直流电机的设计与分析

王洪申，徐鹏飞，汪雨蓉，豆永坤



基于Ansoft Maxwell对永磁有刷直流电机的设计与分析

王洪申，徐鹏飞，汪雨蓉，豆永坤

(兰州理工大学机电工程学院，甘肃兰州 730050)

本文结合Ansoft Maxwell软件，对永磁有刷直流电机主要参数进行计算，从而确定电机定转子结构参数和绕组参数。利用Ansoft Maxwell中的RMxprt模块对电机进行结构设计和性能分析，得到转速和输入电流、空载下气隙磁通波形等之间的关系。根据RMxprt的设计数据可以在Maxwell 2D模块中生成模型，可以对磁场进行进一步的有限元分析，得到磁通密度云图，磁密矢量图。

Ansoft maxwell；永磁有刷直流电机；性能分析；RMxprt

0 引言

永磁有刷直流电机是在直流电机的基础上用永磁铁替换原有磁体材料建立的主磁场。直流电动机采用永磁励磁后，因省去了励磁绕组，降低了励磁损耗，使其具有结构简单、体积小、效率高、结构简单、用铜量少等优点。常用的永磁电机种类可分为以下几种：永磁有刷直流电动机、永磁无刷直流电动机、永磁同步直流电动机、调速永磁同步直流电动机等四类，由于磁钢内部的磁场相当复杂，电机漏磁场的分布和计算也很复杂，再考虑到磁钢本身性能的实际数值与设计所依据的数值之间有一定的误差，因此永磁电机的设计和计算误差一般较大。在设计中常采用试探法，试探法就是利用经验数据或经验公式，初定一些尺寸和数据后，再进一步计算，然后根据计算的结果校验这些试探的尺寸和数据是否合适，如果不合适再进行修改[1]，使得设计周期较长，经常重复操作。

Ansoft Maxwell是一种用于开发各种机电产品（如电机，作动器，电感器，变压器，磁传感器、导线）的电磁场分析软件，并且可以直观地显示物体的电磁场分布。通过软件分析得到的仿真结果，可以很容易地与实验数据进行比较[2]。

Ansoft Maxwell具有直观易用的GUI界面，自动自适应网格求解器，确保稳定性，高精度的解决方案，软件的简单易用使得初学者也可以使用相同的软件达到与专家使用软件分析后的结果类似，获得准确的分析结果。在电机设计中，用该软件作为辅助，可快速修改不合适的参数，提高效率[3]。

本文借助于Ansoft软件中的RMxprt电机设计模块，对永磁有刷直流电机进行结构设计，同时对电机在空载状态下机械性能和效率进行了分析，再导入Maxwell 2D环境中，设置边界条件，加载激励源，建立一个完整的模拟仿真环境。通过对电机的瞬态模型进行有限元分析，得到了磁力线分布、磁密云图和磁密矢量图。

1 永磁电动机的设计

1.1 电机设计原理

永磁有刷直流电机的设计包括：电机的主要尺寸的确定、磁路计算、参数计算如绕组电阻的计算等、损耗和效率。

永磁铁是永磁有刷直流电机中的一种磁源，也是磁路中不可或缺的的一部分。永磁铁的磁性与永磁体的形状和大小，导磁体的容量和磁化的强度有很大的关系，并且永磁体可以提供的磁通量和磁动势，随其余的材料属性，尺寸和电机运行状态而变化。此外，漏磁通路径非常复杂，铁磁材料部分相对饱和，磁导的变化又是非线性的，这些变化的环境和参数增加了对永磁电机的电磁计算的难度和复杂性，所以计算结果的准确性常常低于电励磁电机的计算准确性[4]。

目前在很多电机工程计算问题中，仍采用“场化路”的方法简化计算。简而言之就是将磁场的计算转化为磁路的计算，然后在计算过程中添加必要的修正系数进行修正，使得磁场中对应点之间的磁位差等于各段磁路的磁位差，这样可以大大减少计算所需的时间[5]。上述方法虽然提高了效率，但采用了理想化的条件使得设计精度较低。Ansoft软件采用有限差分法、积分方程法、边界元法等提高了设计精度。

不同的环境，对电机的结构尺寸和性能的要求不一样。因而在设计电机时，对永磁材料的选择，槽数、级数、槽形等的设计都有很大的差异。

本文将根据某航空企业提供的永磁有刷直流电机的设计要求，结合Ansoft Maxwell软件对永磁有刷直流电机进行设计和分析。

电机设计参数如表1所示。

表1 设计参数

Tab.1 Design Parameters

转子冲片结构如图1所示[6]，根据冲片尺寸确定永磁直流电机的槽形是圆形槽[7]，冲片的详细尺寸如表2所示。

表2 冲片尺寸

Tab.2 Punch size

绕组数据如表3。

表3 绕组数据

Tab.3 Winding data

1.2 电枢外径计算

由转子外径可知D=1.75 cm

式中

永磁电机的电负荷A的取值范围通常为30~ 100 A/cm。对于小型电动机，一般取A=100~300 A/cm，当功率较小时，通常取最小值[8]。本文中：

A—电负荷，A=60 A/cm;

（3）

（4）

电枢计算长度：

1.3 定子尺寸

由于设计条件可知机壳外径为27 mm.

磁钢外径：

磁钢内径：

（7）

1.3 电枢绕组计算

电枢绕组总导体数

（9）

式中：

a=1；P=1

每槽导体数

每线圈匝数

取; （11）

（13）

2 电机性能分析

2.1 电机二维模型的建立

RMxprt的仿真计算是基于电机等效电路、磁路法的计算方法，可以对三相异步电动机、直流电机、同步电机永磁无刷直流电机模型进行仿真，具有建立模型简单快捷，参数调整方便等优点，同时还具有一定的精度和可靠性，可以快速生成2D和3D模型，为有限元求解奠定基础。借助于Ansoft中RMxprt模块可快速设计出永磁直流电机的二维模型，同时进行定子、转子参数设计，永磁材料的B-H曲线如图2所示等相关尺寸设计。通过Ansoft中的Create Maxwell 2D Design功能生成的2D模型如图3所示。通过Create Maxwell 3D Design 生成如图4的三维模型[9]。

图2 永磁材料B-H曲线

图3 永磁有刷直流电机二维模型

图4 永磁有刷直流电机三维模型

2.2 电机性能曲线

电机的性能曲线包含了电机运行时的典型工作曲线，为方便观察，选取了转速与输入相电流、转速与效率、转速与输出功率、齿槽转矩曲线、转速与输出转矩、额定转速下线圈感应电势波形[10]、空载下气隙磁通波形之间的关系分别对应图5-图11所示。通过曲线可以很直观的看出电机的性能。

根据图7中所示，当永磁有刷直流电机的转速达到14000 r/min时效率达到70%符合设计要求。

从图8中可以看出，当转速达到8000 rpm时输出功率最高。

图5 转速与输入相电流曲线

图6 转速与效率曲线

图7 转速与输出功率曲线

图8 转速与输出转矩曲线

图9 齿槽转矩曲线

图10 额定转速下线圈感应电势波形曲线

图11 空载下气隙磁通波形曲线

3 电机有限元分析

3.1 电机有限元分析的步骤

通过图12有限元分析流程图可直观的看出电机有限元分析的步骤和验证检查的重要性。通过验证检查可以检查出需要设置的条件是否有遗漏，对设置合适运动条件、边界和网格剖分是非常重要的一环。

图12 有限元分析流程图

3.2 网格剖分

网格划分是进行有限元分析的前提，网格的质量和网格剖分的类型决定有限元计算的精度。一般来说，高质量的离散网格，不仅要求有足够多的节点数，同时还必须保证单元网格大小的合理性[11]。

Ansoft中网格剖分采用了金字塔型剖分结构，进行网格剖分时，可以不需要用户过多的参与，直接利用内置的自适应网格剖分功能，就可以得到正确的计算结果。网格剖分设置有如下三种：

（1）On Selection剖分设置

在On Selection剖分设置中分为Length Based Refinement和Skin Depth Based Refinement设置。On Selection剖分设置，主要作用在剖分模型边界上，与Inside Selection形成鲜明的对比。

（2）Inside Selection剖分设置

Inside Selection与On Selection项相互对应，On Selection项设定的是模型的边界层附近，相反Inside Selection项设定的是模型整个内部的剖分，这对于不同的网格剖分要求，其选择的类型是不同的。

（3）Surface Approximation剖分设置

上述介绍的两种剖分形式是对模型的外边界和内部进行剖分设置。Surface Approximation，顾名思义，它所分割的物体是对边界是曲线类的模型做进一步的细致剖分。

本文中采用Inside Selection剖分方法，对模型整个内部的剖分，模型剖分如图13所示。

图13 模型剖分图

3.3 有限元分析结果及性能分析

对永磁直流电机进行分析计算时，分为空载和负载两种环境[12]。空载和负载的最主要的区别是加载的激励源是否为零，在进行空载特性分析时，只需将激励源中的电流改为零即可。电机空载时定子绕组的等势磁力线如图14所示、磁通密度云图如图15所示，磁密矢量图如图16所示。通过磁密云图可知，电机在空载运行模式下，磁密最大为1.2T，与设置的初值相符，符合要求。

4 结论

本文运用Ansoft Maxwell软件，结合RMxprt同时运用RMxprt 模块分析了对电机定子槽型、线电机快速求解模块，完成了永磁直流电机的设计，圈绕组等影响电机性能的参数。运用Maxwell 2D环境对电机在空载运行环境下进行有限元分析，得到磁力线分布图、磁密矢量图等结果。Ansoft仿真结果能够对电机参数和结构优化提供理论基础，生成的3D模型对进一步的优化分析奠定了基础，极大的缩短了电机设计和优化周期。

图15 磁通密云分布图

图16 磁密矢量图

[1] 戴文进. 电机设计[M]. 北京:清华大学出版社, 2010.

[2] 赵博. Ansoft 12在工程电磁场中的应用[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2013.

[3] ANSYS中国合作伙伴-恩硕科[EB/OL].技. http://www.aonesoft. net/ansys/maxwell.html

[4] 曾晓珊. 永磁直流电机的有限元分析[D]. 华南理工大学硕士学位论文, 2014.

[5] 周凤争, 刘宝成, 唐庆华等. 2_3 kW高速永磁无刷直流电机转子动力学分析[J]. 软件, 2009, 42(9): 9-14.

[6] 金鑫. 永磁无刷直流电机的设计与电磁分析[D]. 南京理工大学硕士学位论文, 2013.

[7] 阎治安, 崔新艺, 苏少平等. 西安: 西安交通大学出版社[M], 2008.

[8] Ming Cheng, K. T. Chau, C. C. Chan. Static characteristics of a new doubly salient permanent magnet motor[J]. IEEE Trans on Energy Conversion 2001, 16(1): 20-25.

[9] 王广生, 黄守道, 高剑. 基于Ansoft软件设计分析内置式永磁同步电机[J]. 2011, 44(2): 70-73.

[10] RMxprt. 电机设计用户手册[Z]. Ansoft公司.

[11] 王玮. 永磁电机的设计与分析[D]. 南京理工大学硕士学位论文, 2014.

[12] 崔天翔. 基于Ansoft的永磁启动电机的建模与性能优化[D]. 西南交通大学硕士学位论文, 2015.

Design and Analysis of Permanent Magnet Brush DC Motor Based on Ansoft Maxwell

WANG Hong-shen, XU Peng-fei, Wang Yu-rong, Dou Yong-kun

(Collage of Electrical and Mechanical Engineering, Lanzhou University of Technology, Gansu Lanzhou 730050, China)

Combining with Ansoft Maxwell Solftware, this paper calculates the main parameters of Permanent magnet brush DC motor, then determines the structure parameters and winding parameters of motor stator and rotor. Then structure design and performance analysis of the motor are performed by using the RMxprt module in Ansoft Maxwell, which obtains the relationship among the rotational speed, the input current and the Air-Gap Flux Density under no-lood. According to the RMxprt design data, the Maxwell 2D module can generate modules and carry out a further finite element analysis for magnetic flux density map and flux vector diagram.

Ansoft maxwell; Permanent magnet brush DC motor; Performance analysis; RMxprt

TM302

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.04.005

国家自然科学基金资助项目(61262045)

王洪申(1969-)，男，甘肃籍，博士，教授，研究方向为CAD/CAM/CAE、微电机设计与性能分析；徐鹏飞(1992-)，硕士在读，研究方向为CAD/CAM/CAE，微电机性能分析；汪雨蓉(1992-)硕士在读，研究方向为CAD/CAM/CAE，计算机图形学；豆永坤(1989-)，硕士在读，研究方向为CAD/CAM/CAE，数字图像处理。

本文著录格式：王洪申，徐鹏飞，汪雨蓉，等. 基于Ansoft Maxwell对永磁有刷直流电机的设计与分析[J]. 软件，2017，38（4）：26-31