劉慧博+鄧冬梅

摘 要：在對(duì)電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中主要是運(yùn)用傳統(tǒng)的場(chǎng)路耦合法，但這種方法會(huì)使所設(shè)計(jì)的無(wú)刷直流電機(jī)的磁路計(jì)算不準(zhǔn)確，使用ANSYS公司的Maxwell電機(jī)設(shè)計(jì)軟件可以避免這個(gè)問(wèn)題，并完成對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的性能分析與優(yōu)化。首先用該軟件中的Rmxprt模塊所包含的磁路法進(jìn)行電機(jī)模型的確立，并對(duì)其中永磁體充磁厚度和氣隙長(zhǎng)度等數(shù)據(jù)對(duì)電機(jī)本體所造成的性能影響進(jìn)行分析；然后再利用基于有限元法的Maxwell軟件的2D單元對(duì)所生成的電機(jī)本體的完成電磁場(chǎng)仿真，同時(shí)對(duì)電機(jī)進(jìn)行更為完整的性能分析；最后整理兩者所得結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)最終的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電機(jī) 有限元法 性能分析 優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TM30 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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

無(wú)刷直流電機(jī)的基本構(gòu)造是由電動(dòng)機(jī)本體、功率驅(qū)動(dòng)電路以及位置傳感器三者共同組成。無(wú)刷直流電機(jī)具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制容易和使用效率高等優(yōu)點(diǎn)。隨著電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)、電力電子技術(shù)及控制理論的研究與應(yīng)用，無(wú)刷直流電機(jī)的一些相關(guān)技術(shù)已逐漸完善，基于無(wú)刷直流電機(jī)的設(shè)計(jì)制造工藝和控制技術(shù)也均實(shí)現(xiàn)了國(guó)際規(guī)范化。

而且，相關(guān)聯(lián)的電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的降低、無(wú)位置傳感器控制、容錯(cuò)控制等專業(yè)型問(wèn)題也得到了很好的研究和解決?，F(xiàn)今，無(wú)刷直流電機(jī)已經(jīng)在國(guó)防、航空航天、機(jī)器人、家用家電、工業(yè)自動(dòng)化以及生產(chǎn)過(guò)程控制等范圍取得了廣泛的普及。

該文首先介紹了無(wú)刷直流電機(jī)的基本工作原理，利用ANSYS公司的電力電子仿真軟件Maxwell建立了無(wú)刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)的仿真分析模型，對(duì)其中氣隙長(zhǎng)度和永磁體充磁厚度對(duì)電機(jī)的性能所帶來(lái)的變化進(jìn)行了解和分析[1]，建立出電機(jī)的仿真模型，對(duì)其的各項(xiàng)功能進(jìn)行驗(yàn)證，最后根據(jù)所建模型完成整體的仿真試驗(yàn)。

1 基本結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)

無(wú)刷直流電機(jī)在其結(jié)構(gòu)中為了實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)械接觸式的換相，去掉了電刷，并且分別將電樞繞組和永磁磁鋼放在定子和轉(zhuǎn)子側(cè)，形成了與傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)相反的結(jié)構(gòu)。為了控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，形成了由位置傳感器、控制電路和逆變器等組成的換相單元，如圖1所示[2]。

無(wú)刷直流電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與普通同步電機(jī)或感應(yīng)電機(jī)類似。對(duì)普遍的無(wú)刷直流電機(jī)來(lái)說(shuō)，電樞繞組的連接方式主要有兩種：星形聯(lián)結(jié)和三角形聯(lián)結(jié)，但由于對(duì)系統(tǒng)的性能和成本的要求，現(xiàn)今應(yīng)用廣泛的是電樞繞組三相對(duì)稱、星形聯(lián)結(jié)的方式。無(wú)刷直流電機(jī)主要有整距集中式繞組、整距分布式繞組以及短距分布式繞組等線圈繞組形式。使用不同的繞組形式會(huì)改變電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)波形，從而使電機(jī)的性能發(fā)生變化。普遍情況下，整距集中式繞組能產(chǎn)生較平滑的梯形反電動(dòng)勢(shì)波形，短距繞組則能夠?qū)D(zhuǎn)矩波動(dòng)產(chǎn)生抑制。

轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)根據(jù)永磁體的放置不同有3種表現(xiàn)形態(tài)：表面粘貼式、嵌入式和環(huán)形。永磁材料發(fā)展至今，主要有釹鐵硼、鐵氧體和鋁鎳鈷等類型，許多新開(kāi)發(fā)的復(fù)合式永磁材料也正慢慢被運(yùn)用到電機(jī)的制造中。

無(wú)刷直流電機(jī)經(jīng)常使用的傳感器分別有電磁式、光電式和磁敏式等?；魻杺鞲衅魇谴琶羰絺鞲衅鞯囊环N，因?yàn)樗捏w積小、使用方便且價(jià)格低廉等特點(diǎn)，進(jìn)而被普遍應(yīng)用在電機(jī)的控制系統(tǒng)中。特殊的集成電路還可以將使霍爾傳感器所得到的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，更好地完成對(duì)電機(jī)控制的數(shù)字化與智能化。

2 氣隙長(zhǎng)度

氣隙長(zhǎng)度δ在對(duì)電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中是一個(gè)非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)尤其重要，它不僅影響電動(dòng)機(jī)的電氣性能，而且對(duì)制造成本也同樣會(huì)有影響[3]。δ值上升，會(huì)對(duì)氣隙磁場(chǎng)的諧波分量和雜散損耗產(chǎn)生變化，但是卻會(huì)導(dǎo)致極間的漏磁通增加，使氣隙所產(chǎn)生的有效磁通減小，進(jìn)而減小永磁體的利用率，致使電機(jī)的整體性能變差。降低δ值，雖然能夠增加無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的抗去磁的能力，極間產(chǎn)生的漏磁通也會(huì)減小，同時(shí)有效地提高氣隙磁通和反電動(dòng)勢(shì)，降低成本，但是氣隙磁場(chǎng)的諧波分量卻會(huì)增大，制造和裝配的難度也會(huì)加大，會(huì)產(chǎn)生不小的噪聲。δ的取值范圍還與永磁體的內(nèi)稟矯頑力Hc成正比，Hc值較大，δ值可以取較大點(diǎn)；Hc值較小，δ值要取小點(diǎn)。δ的確定還與電機(jī)自身的額定功率P的取值相關(guān)，功率值越大，δ值也會(huì)變大。根據(jù)實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)可知，當(dāng)δ值增大0.01 cm，雜散損耗隨之減少1.5%～1.7%左右，因此，δ的選取是需要方面綜合考慮的。一般無(wú)刷直流電機(jī)?。?

在保證其他數(shù)據(jù)不變的情況下，改變氣隙長(zhǎng)度δ，使用Maxwell軟件中的RMxprt模塊來(lái)對(duì)電機(jī)進(jìn)行仿真觀察性能參數(shù)的變化，如表1所示。

從表1可以知道在保證電機(jī)直徑、槽數(shù)和極數(shù)等參數(shù)不變的情況下，δ值改變，輸入電流、氣隙磁密、定子軛磁密等也會(huì)隨之改變。

3 永磁體尺寸

永磁體的尺寸也是影響電機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要的參數(shù)。永磁體尺寸主要是指永磁體充磁方向厚度、永磁體極弧寬度和磁極軸向長(zhǎng)度，其中最主要的是永磁體充磁厚度的取值，它是能夠直接影響到電機(jī)磁路磁動(dòng)勢(shì)平衡，理論上來(lái)說(shuō)，永磁體的充磁厚度越大越好，磁體越大，電機(jī)輸出的機(jī)械特性就越硬，抗去磁能力就越強(qiáng)，但是卻會(huì)造成材料的浪費(fèi)，而且永磁材料的價(jià)格高昂，相應(yīng)的成本也會(huì)增加[4]。通常情況下，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，永磁體的充磁厚度取7～10倍的氣隙長(zhǎng)度。

由式2可知，氣隙磁密與永磁體充磁厚度的取值成正比，增加磁極厚度隨之氣隙磁密也會(huì)增大，因此，在對(duì)磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)中更好地完善電機(jī)各項(xiàng)性能的變化性。在保證其他數(shù)據(jù)不變的情況下，改變永磁體的厚度，使用Maxwell軟件中的RMxprt模塊來(lái)對(duì)電機(jī)進(jìn)行仿真觀察性能參數(shù)的變化，如表2所示[5]。

由表2可看出，磁化厚度的變化對(duì)電動(dòng)機(jī)的性能有很大的影響。其中氣隙磁密會(huì)隨著磁化厚度的增加而變大，這與式2所得到的結(jié)論一致，而且還可以看出定子齒和軛的磁密也是與磁極的厚度成正比的。因此，在確定永磁體的充磁厚度時(shí)，既要保證氣隙磁密足夠大，又要減小定子齒軛磁密使電機(jī)工作在最佳工作點(diǎn)。

4 無(wú)刷電機(jī)的Ansoft軟件建模

基于磁路法的電機(jī)設(shè)計(jì)工具RMxprt是Ansys公司的一款專用于電機(jī)設(shè)計(jì)的軟件。運(yùn)用RMxprt模塊能夠快速地完成對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)方案的評(píng)估和對(duì)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，縮短電機(jī)設(shè)計(jì)所用時(shí)間，并且還可以輸出電機(jī)的有限元模型以及電機(jī)整體的仿真模型，還可以計(jì)算出各種電機(jī)（同步電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)、電子或機(jī)械換向電機(jī)等）的多項(xiàng)性能指標(biāo)。

該文設(shè)計(jì)的電機(jī)RMxprt模型的定子沖片及槽型和轉(zhuǎn)子橫截面如圖2所示[6]。

將RMxprt所設(shè)計(jì)出來(lái)的無(wú)刷直流電機(jī)模型生成Maxwell 2D模型，圖3是所設(shè)計(jì)的電機(jī)的磁力線分布圖，無(wú)刷直流電機(jī)永磁體產(chǎn)生的磁通分為主磁通和漏磁通，主磁通是經(jīng)過(guò)氣隙進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，漏磁通則是經(jīng)過(guò)漏磁路實(shí)現(xiàn)閉合，從圖3中能夠看出電機(jī)的漏磁鏈較小，所以，電機(jī)的設(shè)計(jì)還是比較合理的。

圖4是磁密云圖，無(wú)刷直流電機(jī)的磁勢(shì)主要是由永磁體勵(lì)磁，不像電磁式同步電機(jī)勵(lì)磁可任意調(diào)節(jié)，所以，它的工作點(diǎn)是由電機(jī)的磁路參數(shù)決定的。從圖4中可以看出，電機(jī)去磁最嚴(yán)重的時(shí)候，永磁體每一點(diǎn)的磁密值都比退磁曲線拐點(diǎn)處的磁密值高，所以，永磁體不會(huì)出現(xiàn)退磁。

圖5是氣隙磁密分布曲線，從圖中能夠看出電機(jī)的氣隙磁密諧波較為豐富，曲線有明顯的變化。但電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)波形的各次諧波的幅值都較小，所以，波形近似為梯形波。

圖6為無(wú)刷直流電機(jī)電流與轉(zhuǎn)速關(guān)系波形圖，圖7為無(wú)刷直流電機(jī)效率與轉(zhuǎn)速關(guān)系波形圖。從仿真得出的結(jié)果能夠看出所設(shè)計(jì)的電機(jī)的內(nèi)部磁場(chǎng)的分布情況及電機(jī)的各項(xiàng)運(yùn)行特性，進(jìn)而對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行驗(yàn)證。

5 結(jié)語(yǔ)

該文主要是運(yùn)用ANSYS Maxwell軟件先設(shè)計(jì)了一臺(tái)無(wú)刷直流電機(jī)，再通過(guò)改變永磁體磁化方向長(zhǎng)度和氣隙來(lái)檢驗(yàn)電機(jī)的性能，仿真結(jié)果比較準(zhǔn)確地反映出無(wú)刷直流電機(jī)的磁場(chǎng)分布及反電動(dòng)勢(shì)等特性，并得出以下結(jié)論。

（1）永磁體的選取和尺寸大小的確定能夠直接影響電機(jī)的性能和體積。

（2）無(wú)刷直流電機(jī)是由永磁體供應(yīng)能量，再以氣隙磁場(chǎng)作為媒介實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，適當(dāng)?shù)臍庀堕L(zhǎng)度能夠增加電機(jī)的效率。

（3）通過(guò)ANSYS軟件提供的氣隙磁密、磁力線分布等曲線，使電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)更為的便利。

所以，優(yōu)化電機(jī)的設(shè)計(jì)（包括電磁和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)），可以提高電機(jī)的效能值，并減小電機(jī)的體積和重量，降低電機(jī)的生產(chǎn)成本。

參考文獻(xiàn)

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