基于Ansoft的永磁無刷直流電動機的設計與仿真

彭峰，谷愛昱，梁德志，羅志偉，溫曉陽

(廣東工業(yè)大學，廣東廣州510006)

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基于Ansoft的永磁無刷直流電動機的設計與仿真

彭峰，谷愛昱，梁德志，羅志偉，溫曉陽

(廣東工業(yè)大學，廣東廣州510006)

摘要介紹了永磁無刷直流電動機基本原理，然后根據(jù)要求設計了一臺9槽10極永磁無刷直流電動機，并利用Ansoft /Maxwell 2D對其進行了有限元仿真，對電動機進行了空載、負載瞬態(tài)特性分析，驗證了設計的合理性。最后試制樣機，樣機測試值與Maxwell仿真值對比，驗證Maxwell仿真的正確性。

關鍵詞永磁無刷直流電動機；電磁設計；有限元仿真

0引言

永磁無刷直流電機以其體積小、重量輕、慣量小、控制簡單和動態(tài)性能好等優(yōu)良特性，被廣泛應用于工業(yè)、交通、消費電子、航空航天、軍事等領域。因此，對永磁無刷直流電動機的研究具有十分重要的意義。

永磁無刷直流電機除了保持有刷直流電動機優(yōu)越的起動和調(diào)速性能外，其最大的特點是沒有換向器和電刷組成的機械接觸結構，具有壽命長、噪聲低和電磁干擾小等優(yōu)點。因此，永磁無刷直流電動機的轉速不受機械換向的限制，可以根據(jù)具體的需要讓其高速或者低速運行，有較好的轉矩特性。并且永磁無刷直流電機由于結構上的特點，使其熱阻較小，散熱容易。永磁無刷直流電機同樣還具備交流電動機的結構簡單、運行可靠、適應性好、維護方便等優(yōu)點[4]。

本文根據(jù)電機的性能要求設計了一款9槽10極的無刷直流電機，利用Maxwell軟件對其進行有限元分析，并和實驗樣機測試結果進行對比。

1永磁無刷直流電機的原理

無刷直流電機為了實現(xiàn)無機械接觸換相，利用電子開關電路代替有刷直流電動機的機械換相，取消了傳統(tǒng)電刷。因此，為了實現(xiàn)對電機轉速和轉動方向的控制,無刷直流電機必須具有由轉子位置傳感器、控制電路及功率器件共同構成的換相裝置。所以，無刷直流電機是一款典型的機電一體化產(chǎn)品[1]。

無刷直流電動機由電動機和電子驅(qū)動器兩部分組成，其結構框圖如圖1所示。永磁無刷直流電機的位置傳感器與電動機轉子同軸，控制電路對位置信號進行邏輯變換后產(chǎn)生驅(qū)動信號，驅(qū)動信號經(jīng)功率開關器件，使電動機的各相繞組按一定的順序工作[2]。

圖1　永磁無刷直流電機基本結構框圖

2永磁無刷直流電機的設計

2.1　主要性能指標

永磁無刷直流電動機設計指標：額定功率150W，標稱電壓115V，相數(shù)為3，額定轉速6000r/min，120°兩相導通三相六狀態(tài)方波設計，電機使用環(huán)境溫度≤80℃。

2.2　主要尺寸的確定

電機的主要尺寸根據(jù)經(jīng)驗公式[3]來計算

(1)

式中，Di1—電樞內(nèi)徑；Lef—電動機長度；P—計算電磁功率；α—極弧系數(shù)；A—電負荷；Bδ—磁負荷；nN—額定轉速。

永磁無刷直流電動機的設計主要包括尺寸的確定、長徑比的確定、齒寬和軛高的計算、永磁體尺寸確定、繞組參數(shù)確定等。通過對電動機參數(shù)的計算、校驗，最終確定電動機各個部分的參數(shù)[5]。

定子設計：槽數(shù)為9，定子內(nèi)徑30mm，槽口寬2.5mm，槽口深0.5mm，槽深10.5mm，定子齒寬5mm；

轉子設計：外徑29mm，永磁體厚度3mm，轉子內(nèi)孔直徑10mm，轉子磁環(huán)5對極：粘接釹鐵硼，15℃下剩磁密度0.654T，矯頑力為421kA/m；繞組：每槽匝數(shù)為41匝，線徑為0.62mm。

3電機的有限元仿真

3.1　電機有限元模型的建立

根據(jù)上面初步設計的數(shù)據(jù)，電機的主要參數(shù)如表1所示。

表1　電機的主要參數(shù)

利用軟件Ansoft/Maxwell 2D模塊進行無刷直流電機模型的建立

(1)打開軟件，確定求解環(huán)境；

(2)利用AutoCAD等作圖軟件，畫出電機的模型，并將畫好的模型導入到Maxwell 2D中，如圖2所示；

(3)給電機各部分添加材料；

(4)建立各相繞組，并對電機各部分進行剖分，使之達到合理的剖分效果，其剖分如圖3所示；

(5)確定電機求解過程中的邊界條件、激勵、損耗等；

(6)確定求解時間、負載轉矩等[5]。

圖2　電機模型(最外圍為外層面域)

圖3　網(wǎng)格剖分圖

在Ansoft中包含有相應的電路設計Maxwell Circuit Editor，可以利用其對永磁無刷直流電動機的外電路進行編輯。電動機控制外電路圖如圖4所示。

圖4　電機控制外電路

3.2　有限元仿真結果分析

在空載模型的基礎上來進行電動機負載瞬態(tài)分析，在施加外電路后的負載瞬態(tài)分析相比較空載分析僅對激勵源與機械運動部分進行重新設置，其他設置保持不變[6]。有限元仿真部分結果如圖5所示。

圖5　電機磁力線分布圖

從圖5中可以看出，電機的磁鏈分布比較均勻，漏磁較少，說明電機的尺寸設計較為合理。

圖6為電機齒槽轉矩曲線，從圖中可以看出齒槽轉矩的幅值為0.769m N·m，且正負對稱。齒槽轉矩的幅值較小，說明該電機的輸出轉矩波動不大，運行性能較為穩(wěn)定，可靠性較高。

圖6　齒槽轉矩曲線

轉速曲線如圖7所示，從轉速曲線圖中，可以看出電機穩(wěn)定之后，平均轉速為5912r/min。與理論額定轉速6000r/min相差在誤差范圍之內(nèi)，是符合設計要求的。

圖7　轉速曲線

通過添加輸出變量的方式，Pout=Moving1.Torque×5912/9.55,可以從輸出功率Pout曲線中看出，電機穩(wěn)定之后輸出功率的平均值為152.97W。輸出功率曲線如圖8所示。

圖8　輸出功率曲線

輸入曲線如圖9所示。輸入功率Pin=輸出Pout+機械損耗Pm+鐵耗PFe+銅耗PCu+附加損耗Pad+開關管損耗PΔ，可以從輸入曲線圖中得出，穩(wěn)定之后的輸入功率平均值為181.70W。

圖9　輸入功率曲線

從而計算出該電機的平均效率η= 輸出Pout/ 輸入Pin為84.19%，是符合基本設計要求的。

4樣機實驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比

根據(jù)上述的設計，試制了

一款樣機，如圖10所示。

圖10　樣機圖

給電機加115V的直流電壓，調(diào)速到6000rpm，用測功機進行測試。樣機實驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的對比如表2所示。

表2　仿真值與測試值

通過表2的對比可知，Maxwell軟件的仿真值與樣機的實測數(shù)據(jù)比較接近，在誤差的允許范圍之內(nèi)，電機性能滿足設計的要求。

5結語

本文通過Maxwell 2D對所設計的9槽10極永磁無刷直流電動機進行仿真，獲得其性能參數(shù)曲線與數(shù)據(jù)，并將仿真數(shù)據(jù)與樣機測試數(shù)據(jù)進行對比，驗證了電機電磁設計的正確性。上述設計只是滿足基本要求設計的其中一種，對于一種電機的設計有很多種參數(shù)可能。在永磁無刷直流電動機的設計過程中，為了使設計出的電機不僅能夠滿足實際要求，而且效率盡可能大，就有必要對電機的性能參數(shù)進行優(yōu)化，而性能參數(shù)的尋優(yōu)是通過電機的結構參數(shù)的尋優(yōu)來實現(xiàn)的[7]。

參考文獻

[1]譚建成.永磁無刷直流電機技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.3.

[2]田燕飛.小型三相永磁無刷直流電動機分析與設計[J].廣東工業(yè)大學碩士學位論文，2014.5.

[3]邱國平,邱明.永磁直流電機實用設計及應用技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.3.

[4]胡巖,武建文,李德成，等.小型電動機現(xiàn)代實用設計技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.3.

[5]趙博,張洪亮.Ansoft12在工程電磁場中的應用[M].北京：中國水利水電出版社，2010.1.

[6]陳文敏,黃開勝,何良遠，等.基于Maxwell的單相無刷直流電動機分析和設計[J].微電機，2013.3(46).

[7]翟力,黃文美,宋桂英，等.基于最大效率的永磁無刷直流電動機優(yōu)化設計[J].微特電機，2011.12.

Design and Simulation of Permanent Magnet Brushless

DC Motor Based on Ansoft

PengFeng,GuAiyu,LiangDezhi,LuoZhiwei,andWenXiaoyang

(Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

AbstractThis paper introduces basic principle of PM brushless DC motor. A 9-slot 10-pole PM brushless DC motor is designed according to requirements. Finite-element simulation of the motor is carried out by Ansoft/Maxwell 2D, transient characteristics of the motor in load and noload are analyzed, and rationality of the motor in design is verified. Finally, trial-manufacture of the prototype is carried out, and the correctness of Maxwell simulation is verified by comparison between test value and simulation value of prototype.

Key wordsPM brushless DC motor；electromagnetic design；finite-element simulation

收稿日期：2015-07-28

作者簡介：彭峰男1989年生；碩士研究生，研究方向為電機與電器.

中圖分類號：TM301.2

文獻標識碼：A

文章編號：1008-7281(2015)06-0004-004

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2015.06.02