基于Maxwell 的外轉子無刷直流電動機分析與設計

田燕飛，黃開勝，陳治宇，陳風凱，何建源

(1.廣東工業大學，廣東廣州510006;2.葦源電機有限公司，廣東佛山528300)

0 引 言

外轉子三相無刷直流電動機體積小、重量輕、調速性能好、效率高、輸出轉矩大，在價格和可靠性方面也有明顯的優勢。實踐表明:外轉子三相無刷直流電動機帶動的調速空調風機比普通感應電動機帶動的空調風機節能20%左右。由于外轉子三相無刷直流電動機效率也有很大的提高，使風機的耗能明顯下降;同時這一功率等級的外轉子三相無刷直流電動機及其驅動系統的成本較低，其應用前景被廣大的家用空調制造商看好［1］。所以，對三相無刷直流電動機的尺寸、耐壓程度、齒槽轉矩等提出新的要求，合理的電機設計對于三相無刷直流電動機有重要意義。

本文研究的外轉子三相無刷直流電動機用于驅動中央空調外部風機，設計了一款9 槽10 極、910 r/min 的三相無刷直流電動機，給出了設計思路，并且利用Ansys/Maxwell 建立了這款電動機的二維有限元仿真模型，對模型的定轉子磁場、氣隙磁場諧波次數及幅值、磁力線分布情況、齒槽轉矩大小、輸出轉矩大小等進行仿真，并在此基礎上制造出了樣機，完成了測功試驗，驗證了Maxwell 2D 有限元仿真分析的準確性。

1 三相無刷直流電動機電磁設計

1.1 主要技術指標

本方案的電動機額定功率PN=1 600 W，額定電流IN=3.5 A，額定轉速nN=910 r/min，輸出轉矩T=17 N·m，電機效率η=85%以上。

1.2 三相無刷直流電動機主要尺寸的確定

式中:nN為額定轉速，取為910 r/min;L 為鐵心長度;P 為計算功率;Kφ為極弧系數;KW為基波繞組系數;A 為電負荷;Bδ為氣隙磁密平均值。電動機的性能和成本的影響主要在于電動機的長徑比，一般情況下，電動機的長徑比在0.7 ～1.5 之間浮動。在外轉子無刷直流電動機設計過程中，考慮到風機尺寸限制及慣性大的特點，外轉子電機長徑比會適當選擇小一些［3］。

1.3 磁性材料的選擇

鐵氧體和釹鐵硼是常用的永磁材料，釹鐵硼磁能積的平方根接近鐵氧體的3 倍。在電機設計過程中，采用鐵氧體，需要的量較多，電機會比較重，而采用釹鐵硼磁體則成本昂貴。

對于外轉子永磁無刷直流電動機，鐵氧體磁密值的提高主要在于增加磁體的供磁面積和磁體厚度，因此采用鐵氧體的永磁電機的體積增加主要是轉子外徑的增加，所以本設計的最理想選擇是鐵氧體永磁材料。

1.4 永磁體結構的選擇

表貼式外轉子永磁無刷直流電動機常用的磁極結構有瓦片狀和圓筒狀，如圖1 所示。

圖1 常用磁極形狀

本方案設計的電動機采用瓦片狀磁極，具有以下優點:

(1)磁體結構是瓦片式，更能產生永磁無刷直流電動機所需要的均勻的氣隙磁密波形。

(2)方便對永磁體內圓厚度和極弧寬度進行優化，可以抑制齒槽轉矩［3］。

1.5 永磁體厚度的選擇

永磁體是永磁電機的磁動勢源，外轉子表貼式結構的永磁體厚度hm按需要的氣隙磁通密度通過磁路計算來選擇，此外還要考慮抑制最大過流時的去磁能力。在利用Ansys 軟件設計電機過程中，可以根據經驗預估永磁體的磁化方向長度，從而計算校驗出永磁體的空載工作點，使得Bδ=(0.6 ～0.85)·Br［4］。

1.6 電樞有效鐵心長度的選擇

鐵氧體永磁無刷直流電動機電負荷大，降低電動機制造成本的關鍵在于降低銅的用量。電動機設計采用較大的鐵心長度，可以有效地提高電動機銅的利用率，降低電動機的制造成本［5］。

2 基于Ansys/Maxwell 的無刷直流電機設計及有限元分析

外轉子三相無刷直流電動機結構示意圖如圖2所示，主要結構參數如表1 所示。

在CAD 中畫好電動機定轉子沖片和磁極圖形，再導入Ansys/Maxwell2D 中，建立模型，通過定義電動機各部分材料和邊界條件，施加激勵源和進行網格剖分等步驟［6］。外轉子三相無刷直流電動機的二維有限元模型，如圖2 所示。建模過程如下:

圖2 電動機二維模型

表1 電動機主要參數表

(1)根據已知參數在CAD 中畫好模型圖;

(2)導入Maxwell 2D，建立三相無刷直流電動機的二維有限元模型;

(3)確定定子、轉子沖片材料屬性，并且添加磁性材料的B－H 曲線數據，確定永磁體的剩磁Br和矯頑力Hc;

(4)確定有限元計算的剖分、激勵源及邊界條件，確定電動機求解過程中的各種損耗;

(5)確定電動機額定負載、求解時間的步長、運動邊界條件等。

3 電動機有限元仿真結果及分析

3.1 磁場分布

給三相電樞繞組施加電流3.5 A，仿真電動機切向磁云密度分布，如圖3 所示，從圖3 中可以看出，電機磁密最大值為1.6 T，滿足設計要求。

圖3 電機切向磁云密度分布

圖4 不同位置電動機磁場分布

給三相電樞繞組施加電流3.5 A，仿真電動機在不同位置下的磁場分布，如圖4 所示。從圖4 中可以看出，不同時刻的負載磁場分布圖中，主磁通跟轉子磁極交鏈，參與機電能量轉換;轉子磁極漏磁通經過氣隙、定子齒后回到轉子磁極，不跟定子繞組交鏈，不參與機電能量轉換。

3.2 反電勢波形

電動機的反電勢波形如圖5 所示，一般情況下電機的反電動勢只是接近梯形，該反電勢有效值為154.1 V。

圖5 電動機的反電勢波形圖

3.3 齒槽轉矩

在Maxwell 2D 模型中，用電壓源計算，電阻設為無窮大，計算后得電動機的齒槽轉矩如圖6 所示。從圖6 中可測出齒槽轉矩的最大值為0.051 N·m。

圖6 電動機齒槽轉矩

3.4 氣隙磁密

利用Ansys 軟件的Maxwell 2D 靜磁場求解，得到樣機氣隙磁密的波形圖如圖7 所示。求得靜磁場氣隙最大磁密Bδmax=0.39 T，對氣隙磁密傅里葉分解成各次諧波，如圖8 所示。

圖7 氣隙磁密圖

圖8 氣隙磁密FFT 分解圖

從圖8 中求得各次諧波幅值如表2 所示。從表2 中求出諧波畸變率為26.92%。

表2 磁場諧波次數及幅值

3.5 輸出轉矩

外轉子永磁無刷直流電機在施加410 V 電壓時，電動機在額定轉速n =910 r/min 時的電磁轉矩曲線如圖9 所示。其電磁轉矩平均值為17.2 N·m，最高點和最低點相差0.64 N·m，輸出轉矩比較平穩。

圖9 電動機輸出轉矩

4 制作樣機試驗驗證

用測功機對樣機進行測試，電機轉速調到910 r/min，然后緩慢地人工增加負載，具體實驗數據如表3 所示。

表3 樣機測試值

從表3 可以看出，樣機進行試驗，在額定轉速910 r/min 時，隨著電動機負載的增加，電動機輸入功率也隨之增加，電動機的效率一直在79. 3% ～86.2%之間，這就體現了無刷直流電動機的優勢，無論空載還是負載，無刷直流電動機都有較高的效率。

在流體力學原理中，風機負載與轉速的立方成正比，通過調節電機的轉速可以調節風機的風量，本文的風機在50% ～60%額定負荷下運行。傳統的感應電機，每時每刻都需要勵磁電流，所以風機在輕載、低速運行時比滿載額定運行時的輸入功率減小不多，輕載時效率比較低。而外轉子無刷直流電動機，當風機負荷變化時，可以調節轉子的轉速，能大大減少電機的輸入功率，從而達到節約能源的目的。表4 為風機帶同一負載、在不同轉速時電機性能測試值。從表4 中可以看出，風機帶同一負載，在不同轉速時電機的效率在75.3% ～85.8%之間，這體現了無刷直流電動機節能、高效的優點。

表4 樣機測試值

在額定負載情況下，用Maxwell 2D 計算的理論值跟樣機的實驗值進行對比，如表5 所示。從表5中可以看出，樣機理論值跟實測值誤差都在3%以內，驗證了本設計方案的可靠性。

表5 計算值和測試值

5 結 語

本文設計了一款910 r/min、9 槽10 極、1 600 W外轉子三相無刷直流電動機，利用Maxwell 2D 軟件對該電動機進行了仿真，分析，并與實驗值進行了對比，驗證了仿真的可靠性。該電動機已經成功應用于驅動一款中央空調外部風機，并且批量生產，節能效果顯著。

［1］ 張琛.直流無刷電動機原理及應用［M］.2 版. 北京:機械出版社，2006.

［2］ 唐任遠.現代永磁電機理論與設［M］.北京:機械工業出版社，1997:113，133.

［3］ 陳世坤.電機設計［M］.北京:機械工業出版社，2000 .

［4］ 王秀和.永磁電機［M］.北京:中國電力出版社，2007.

［5］ 譚建成.永磁無刷直流電機技術［M］.北京:機械工業出版社，2010.

［6］ 李帥，彭國平. Ansoft EM 在電機設計中的應用［J］. 微電機，2004，37(74):21－24.