无刷直流电机的性能分析

刘慧博+邓冬梅

摘 要：在对电机进行设计的过程中主要是运用传统的场路耦合法，但这种方法会使所设计的无刷直流电机的磁路计算不准确，使用ANSYS公司的Maxwell電机设计软件可以避免这个问题，并完成对无刷直流电机的性能分析与优化。首先用该软件中的Rmxprt模块所包含的磁路法进行电机模型的确立，并对其中永磁体充磁厚度和气隙长度等数据对电机本体所造成的性能影响进行分析；然后再利用基于有限元法的Maxwell软件的2D单元对所生成的电机本体的完成电磁场仿真，同时对电机进行更为完整的性能分析；最后整理两者所得结果实现对电机最终的优化设计。

关键词：无刷直流电机 有限元法 性能分析 优化设计

中图分类号：TM30 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）06（a）-0048-05

Abstract：In the process of design of motor is mainly used traditional field-circuit coupling method，but this method can make the design of brushless dc motor magnetic circuit calculation is not accurate，using ANSYS of Maxwell motor design software can avoid this problem and complete the performance analysis and optimization of brushless dc motor.First used in the software Rmxprt module contains the motor model of magnetic circuit method，and the permanent magnet magnetization thickness and crack length of data to analyze the performance impact caused by the motor ontology；then reuse based on finite element method （fem） software Maxwell 2D unit to complete simulation of electromagnetic field generated by the motor of the ontology，at the same time more complete performance analysis was carried out on the motor，finally the results achieve the final optimal design on the motor.

Key Words：Brushless direct current Motor；Finite element method；Performance analysis；Optimization design

无刷直流电机的基本构造是由电动机本体、功率驱动电路以及位置传感器三者共同组成。无刷直流电机具备结构简单、控制容易和使用效率高等优点。随着电机设计技术、电力电子技术及控制理论的研究与应用，无刷直流电机的一些相关技术已逐渐完善，基于无刷直流电机的设计制造工艺和控制技术也均实现了国际规范化。

而且，相关联的电机优化设计、转矩波动的降低、无位置传感器控制、容错控制等专业型问题也得到了很好的研究和解决。现今，无刷直流电机已经在国防、航空航天、机器人、家用家电、工业自动化以及生产过程控制等范围取得了广泛的普及。

该文首先介绍了无刷直流电机的基本工作原理，利用ANSYS公司的电力电子仿真软件Maxwell建立了无刷直流电机的控制系统的仿真分析模型，对其中气隙长度和永磁体充磁厚度对电机的性能所带来的变化进行了解和分析[1]，建立出电机的仿真模型，对其的各项功能进行验证，最后根据所建模型完成整体的仿真试验。

1 基本结构和工作特点

无刷直流电机在其结构中为了实现无机械接触式的换相，去掉了电刷，并且分别将电枢绕组和永磁磁钢放在定子和转子侧，形成了与传统的直流电动机相反的结构。为了控制电机转速和转向，形成了由位置传感器、控制电路和逆变器等组成的换相单元，如图1所示[2]。

无刷直流电机的定子结构与普通同步电机或感应电机类似。对普遍的无刷直流电机来说，电枢绕组的连接方式主要有两种：星形联结和三角形联结，但由于对系统的性能和成本的要求，现今应用广泛的是电枢绕组三相对称、星形联结的方式。无刷直流电机主要有整距集中式绕组、整距分布式绕组以及短距分布式绕组等线圈绕组形式。使用不同的绕组形式会改变电机的反电动势波形，从而使电机的性能发生变化。普遍情况下，整距集中式绕组能产生较平滑的梯形反电动势波形，短距绕组则能够对转矩波动产生抑制。

转子的结构根据永磁体的放置不同有3种表现形态：表面粘贴式、嵌入式和环形。永磁材料发展至今，主要有钕铁硼、铁氧体和铝镍钴等类型，许多新开发的复合式永磁材料也正慢慢被运用到电机的制造中。

无刷直流电机经常使用的传感器分别有电磁式、光电式和磁敏式等。霍尔传感器是磁敏式传感器的一种，因为它的体积小、使用方便且价格低廉等特点，进而被普遍应用在电机的控制系统中。特殊的集成电路还可以将使霍尔传感器所得到的位置信号转换成数字信号，更好地完成对电机控制的数字化与智能化。

2 气隙长度

气隙长度δ在对电机进行设计的过程中是一个非常关键的环节。对无刷直流电机尤其重要，它不仅影响电动机的电气性能，而且对制造成本也同样会有影响[3]。δ值上升，会对气隙磁场的谐波分量和杂散损耗产生变化，但是却会导致极间的漏磁通增加，使气隙所产生的有效磁通减小，进而减小永磁体的利用率，致使电机的整体性能变差。降低δ值，虽然能够增加无刷直流电动机的抗去磁的能力，极间产生的漏磁通也会减小，同时有效地提高气隙磁通和反电动势，降低成本，但是气隙磁场的谐波分量却会增大，制造和装配的难度也会加大，会产生不小的噪声。δ的取值范围还与永磁体的内禀矫顽力Hc成正比，Hc值较大，δ值可以取较大点；Hc值较小，δ值要取小点。δ的确定还与电机自身的额定功率P的取值相关，功率值越大，δ值也会变大。根据实践的经验可知，当δ值增大0.01 cm，杂散损耗随之减少1.5%～1.7%左右，因此，δ的选取是需要方面综合考虑的。一般无刷直流电机取：

在保证其他数据不变的情况下，改变气隙长度δ，使用Maxwell软件中的RMxprt模块来对电机进行仿真观察性能参数的变化，如表1所示。

从表1可以知道在保证电机直径、槽数和极数等参数不变的情况下，δ值改变，输入电流、气隙磁密、定子轭磁密等也会随之改变。

3 永磁体尺寸

永磁体的尺寸也是影响电机设计的一个重要的参数。永磁体尺寸主要是指永磁体充磁方向厚度、永磁体极弧宽度和磁极轴向长度，其中最主要的是永磁体充磁厚度的取值，它是能够直接影响到电机磁路磁动势平衡，理论上来说，永磁体的充磁厚度越大越好，磁体越大，电机输出的机械特性就越硬，抗去磁能力就越强，但是却会造成材料的浪费，而且永磁材料的价格高昂，相应的成本也会增加[4]。通常情况下，根据工程经验，永磁体的充磁厚度取7～10倍的气隙长度。

由式2可知，气隙磁密与永磁体充磁厚度的取值成正比，增加磁极厚度随之气隙磁密也会增大，因此，在对磁路结构进行设计中更好地完善电机各项性能的变化性。在保证其他数据不变的情况下，改变永磁体的厚度，使用Maxwell软件中的RMxprt模块来对电机进行仿真观察性能参数的变化，如表2所示[5]。

由表2可看出，磁化厚度的变化对电动机的性能有很大的影响。其中气隙磁密会随着磁化厚度的增加而变大，这与式2所得到的结论一致，而且还可以看出定子齿和轭的磁密也是与磁极的厚度成正比的。因此，在确定永磁体的充磁厚度时，既要保证气隙磁密足够大，又要减小定子齿轭磁密使电机工作在最佳工作点。

4 无刷电机的Ansoft软件建模

基于磁路法的电机设计工具RMxprt是Ansys公司的一款专用于电机设计的软件。运用RMxprt模块能够快速地完成对电机设计方案的评估和对设计的优化，缩短电机设计所用时间，并且还可以输出电机的有限元模型以及电机整体的仿真模型，还可以计算出各种电机（同步电机、感应电机、电子或机械换向电机等）的多项性能指标。

该文设计的电机RMxprt模型的定子冲片及槽型和转子横截面如图2所示[6]。

将RMxprt所设计出来的无刷直流电机模型生成Maxwell 2D模型，图3是所设计的电机的磁力线分布图，无刷直流电机永磁体产生的磁通分为主磁通和漏磁通，主磁通是经过气隙进行能量转换，漏磁通则是经过漏磁路实现闭合，从图3中能够看出电机的漏磁链较小，所以，电机的设计还是比较合理的。

图4是磁密云图，无刷直流电机的磁势主要是由永磁体励磁，不像电磁式同步电机励磁可任意调节，所以，它的工作点是由电机的磁路参数决定的。从图4中可以看出，电机去磁最严重的时候，永磁体每一点的磁密值都比退磁曲线拐点处的磁密值高，所以，永磁体不会出现退磁。

图5是气隙磁密分布曲线，从图中能够看出电机的气隙磁密谐波较为丰富，曲线有明显的变化。但电机的气隙磁场波形的各次谐波的幅值都较小，所以，波形近似为梯形波。

图6为无刷直流电机电流与转速关系波形图，图7为无刷直流电机效率与转速关系波形图。从仿真得出的结果能够看出所设计的电机的内部磁场的分布情况及电机的各项运行特性，进而对电机设计的合理性进行验证。

5 结语

该文主要是運用ANSYS Maxwell软件先设计了一台无刷直流电机，再通过改变永磁体磁化方向长度和气隙来检验电机的性能，仿真结果比较准确地反映出无刷直流电机的磁场分布及反电动势等特性，并得出以下结论。

（1）永磁体的选取和尺寸大小的确定能够直接影响电机的性能和体积。

（2）无刷直流电机是由永磁体供应能量，再以气隙磁场作为媒介实现能量的转换，适当的气隙长度能够增加电机的效率。

（3）通过ANSYS软件提供的气隙磁密、磁力线分布等曲线，使电机的优化设计更为的便利。

所以，优化电机的设计（包括电磁和结构设计），可以提高电机的效能值，并减小电机的体积和重量，降低电机的生产成本。

参考文献

[1] 赵强，赵争鸣，高徐娇.永磁电机中永磁体尺寸优化设计[J].电机电器技术，2001（3）：2-5.

[2] 薛勘申，方程，沈围，等.定子槽数和气隙长度对髙速永磁无刷电动机性能的影响[J].微特电机，2011（7）：21-24.

[3] 叶金虎.现代无刷直流永磁电动机的原理和设计[M].科学出版社，2007.

[4] 李钟明，刘卫国.稀土永磁电机[M].国防工业出版社，1999.

[5] 刘慧娟，上官明珠，张颖超，等.Ansoft Maxwell 13电机电磁场实例分析[M].国防工业出版社，2014.

[6] 刘国强，赵凌志，蒋继娅.Ansoft工程电磁场有限元分析软件[M] 北京：电子工业出版社，2005（5）：93-94.