王　典

（ 上海電動工具研究所（集團）有限公司　上海電動工具工程技術(shù)研究中心，上?！?00233 ）

·開發(fā)設(shè)計·

基于Ansoft的無刷電機內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分析

王典

（ 上海電動工具研究所（集團）有限公司上海電動工具工程技術(shù)研究中心，上海200233 ）

基于三種傳統(tǒng)永磁無刷電機內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，通過Ansoft有限元分析軟件，在電磁磁路和扭矩數(shù)值兩方面，分析其因轉(zhuǎn)子采用稀土磁鋼結(jié)構(gòu)不同所產(chǎn)生的差異性，得出轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點。

無刷電機；有限元分析；電動工具；稀土磁鋼

0　引言

永磁無刷直流電機效率高、壽命長、無火花、噪音小，因其維護成本低、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，越來越多地應(yīng)用在充電式電動工具、園林工具以及醫(yī)療器械等領(lǐng)域中。隨著企業(yè)信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，各種有限元分析軟件已經(jīng)成為支持工程行業(yè)和制造企業(yè)信息化的主導(dǎo)技術(shù)，在提高工程、產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量，降低研究開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期等方面都發(fā)揮了重要作用，成為實現(xiàn)工程和產(chǎn)品創(chuàng)新的支撐技術(shù)。本文采用Ansoft電機電磁有限元軟件，從電磁磁路、扭矩數(shù)值等方面，對市場上常見的無刷電機內(nèi)轉(zhuǎn)子類型進行分析與比較。

1　電機建模

對于電動工具行業(yè)較多采用的六槽四極稀土無刷電機而言，其轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)形式主要有三種。一種是采用矩形的稀土永磁體，插入轉(zhuǎn)子槽內(nèi)并進行軸向固定，如圖1（a）所示；第二種結(jié)構(gòu)采用扇形的稀土永磁體，插入轉(zhuǎn)子槽內(nèi)并進行軸向固定，如圖1（b）所示；第三種結(jié)構(gòu)采用環(huán)形稀土磁鋼，充磁成四個極，俗稱磁環(huán)，粘接在轉(zhuǎn)子表面，如圖1（c）所示。在Ansoft軟件中，將三種不同結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子置于相同的定子參數(shù)環(huán)境，在相同電流的作用下，分析電機中磁路的情況和扭矩的差異。

首先，在Ansoft軟件中繪制無刷電機的2D圖，以定子外徑50mm，轉(zhuǎn)子外徑26mm的永磁無刷直流電機為參考對象，定轉(zhuǎn)子間隙為0.5mm，稀土磁鋼選擇2mm的常規(guī)厚度，充磁方向為直線，中間軸孔徑設(shè)為8mm。

圖1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

2　材料選擇

在二維模型建立后，對各個部件的材料種類進行定義。

2.1 稀土磁鋼

Ansoft軟件中自帶電機材料庫，對于稀土磁鋼，選用牌號為XG196/96的磁性材料，其材料的磁化曲線和相關(guān)性能參數(shù)如圖2所示，可以看到，其最大剩磁是0.96T，最大矯頑力為690000A/m。

圖2 稀土磁鋼材料磁化曲線與參數(shù)

2.2 矽鋼片

選用牌號為M19_24G的矽鋼片材料，該材料的磁化曲線和性能參數(shù)如圖3所示。

2.3 其他

對于其他部件，我們將電磁線材質(zhì)定義為銅線，將其他空余部分定義為真空，整體的邊界條件定義為定子外徑輪廓（僅考慮電機內(nèi)部的情況）。另外，需要定義的還有無刷電機的連接方式。在本次模擬中，采用的是三角形連接，如圖4所示，即將各相電源或負載依次首尾相連，并將每個相連的點引出，作為三相電的三個相線。同時，確定電流參數(shù)。考慮到是永磁無刷直流電機，參考額定負載時的情況，將電流值設(shè)定為25A，另外兩條相電流設(shè)定為12.5A。最后，使用Ansoft軟件的內(nèi)部工具，將三種無刷電機整體自動劃分網(wǎng)格，經(jīng)過計算，輸出結(jié)果。

圖3 矽鋼片材料磁化曲線與參數(shù)

圖4 三角形連接

3　輸出結(jié)果分析

3.1 磁路分析

在電機設(shè)計中，電機靜態(tài)的磁感應(yīng)強度和磁力線流向是考量電機沖片設(shè)計是否合理的重要參數(shù)之一。圖5～圖7分別為三種不同轉(zhuǎn)子形式的電機磁路分析。

圖5 矩形插片式稀土磁鋼的無刷電機磁感應(yīng)強度和磁力線分布

矩形插片式稀土磁鋼的無刷電機磁感應(yīng)強度和磁力線分布如圖5所示。通過查看磁力線的流向，可以清晰發(fā)現(xiàn)，在兩片矩形磁鋼的交接處，產(chǎn)生了漏磁的現(xiàn)象，不少磁力線并未經(jīng)過定子。在磁感應(yīng)強度分布上，設(shè)置1.5T為坐標上限，可以看到整個電機的磁感應(yīng)強度為0.5T～0.8T左右。最高的磁感應(yīng)強度積聚在轉(zhuǎn)子兩片磁鋼的交界處。

圖6 扇形插片式稀土磁鋼的無刷電機磁感應(yīng)強度和磁力線分布

扇形插片式稀土磁鋼的無刷電機磁感應(yīng)強度和磁力線分布如圖6所示。通過查看磁力線的流向，可以看到，只有些許的漏磁現(xiàn)象，大部分磁力線經(jīng)過定子。在磁感應(yīng)強度分布上，我們設(shè)置1.5T為坐標上限，可以看到整個電機的磁感應(yīng)強度為0.7T～1.3T左右。在轉(zhuǎn)子表面部分位置磁感應(yīng)強度高。

圖7 環(huán)形稀土磁鋼的無刷電機磁感應(yīng)強度和磁力線分布

環(huán)形稀土磁鋼的無刷電機磁感應(yīng)強度和磁力線分布如圖7所示。通過查看磁力線的流向，可以看到，并未發(fā)生漏磁現(xiàn)象，全部磁力線經(jīng)過定子。在磁感應(yīng)強度分布上，設(shè)置1.5T為坐標上限，可以看到整個電機的磁感應(yīng)強度為0.8T～1.4T左右。

3.2 扭矩分析

在電機性能中，扭矩是考量電機性能優(yōu)劣的一個重要指標。在電流設(shè)置在25A，Ansoft軟件默認鐵芯長度為1m的情況下，采用矩形磁鋼轉(zhuǎn)子、扇形磁鋼轉(zhuǎn)子和環(huán)形磁鋼轉(zhuǎn)子的扭矩數(shù)值，依次分別為0.599N·m、1.240N·m和1.354N·m，如圖8所示。

圖8 扭矩數(shù)值

通過磁路分析和扭矩分析兩項參數(shù)比較，無論在磁路合理性和扭矩數(shù)值上，采用矩形磁鋼轉(zhuǎn)子的結(jié)果都不如采用扇形磁鋼轉(zhuǎn)子和采用環(huán)形磁鋼轉(zhuǎn)子，而扇形磁鋼轉(zhuǎn)子和環(huán)形磁鋼轉(zhuǎn)子的比對結(jié)果差距不大，扭矩數(shù)值差異在10%以內(nèi)。另一方面，在電機制造成本和制造工藝難度上，矩形磁鋼轉(zhuǎn)子的成本最為低廉，加工也較為便利，扇形磁鋼轉(zhuǎn)子其次，環(huán)形磁鋼轉(zhuǎn)子的成本最高。

4　結(jié)語

本文以Ansoft有限元分析軟件為工具，對永磁直流無刷電機通常采用的內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進行了分析比較，得出了三種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)在性能上的電磁磁路和扭矩數(shù)值的差異。在實際電機設(shè)計制造中，設(shè)計工程師還能通過有限元軟件模擬電機的轉(zhuǎn)速，電動勢等其他參數(shù)，改善電機結(jié)構(gòu)設(shè)計以獲得更好的性能，進而節(jié)省整個產(chǎn)品的設(shè)計周期。

［1］楊闖. 基于ADAMS的修枝機變速箱機械傳動結(jié)構(gòu)仿真分析研究［J］.電動工具，2015（2）.

［2］王廣生，黃守道，高劍. 基于Ansoft軟件設(shè)計分析內(nèi)置式永磁同步電機［J］.微電機，2011（2）.

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Analysis of Rotor Structure in Brushless DC Motor based on Ansoft

Wang Dian
SETRI（Group）Co.，Ltd. Shanghai Electric Tools Engineering Center， Shanghai 200233， China

Based on three kinds of structure of traditional permanent magnet brushless motor rotor， through the finite element analysis software Ansoft， this paper analyzes the differences produced by different rare earth permanent magnet structure of rotor in the aspects of electromagnetic circuit and torque， and concludes the advantages and disadvantages of various rotor structures.

Brushless motor； Finite element analysis； Electric tools；Rare earthpermanent magnet

TM930.1

A

1674-2796（2016）03-0001-04

2016-04-10

王典（1989—），男，大學本科，工程師，主要從事充電式電動工具及電機本體研發(fā)工作。