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        基于Ansoft外轉子無刷直流電機設計

        2018-04-29 00:00:00陳正陽齊良釗王子康
        河南科技 2018年25期

        摘 要:無刷直流電機因其良好的調速特性、系統(tǒng)魯棒性得到了多個領域的關注,其結構簡單,具有全面且穩(wěn)定的控制系統(tǒng),對諸多行業(yè)的發(fā)展具有重要影響。本文首先提出了電機所要達到的基本性能參數,初步確定此外轉子無刷直流電機的結構參數,基于Ansoft Maxwell有限元仿真軟件,對電機性能做了初步分析,并描述了電機結構參數與性能之間的關系。

        關鍵詞:無刷直流;外轉子;Ansoft Maxwell

        中圖分類號:TM302 文獻標識碼:A 文章編號:1003-5168(2018)25-0042-02

        無刷直流電機集各種相關科技的發(fā)展成果于一身,克服了電刷和換向器帶來的缺點,保留了良好的機械特性與調節(jié)特性,使之逐漸在各領域嶄露頭角。本文應用Ansoft Maxwell有限元分析軟件設計外轉子無刷直流電機方案,并對其進行有限元分析,得出外轉子無刷直流電機結構參數與電機性能之間的關系。

        1 電機主要參數確定

        因外轉子電機普遍為分數槽結構,本文選擇電機齒槽數為Z=36,Z/p=12/7,則極對數p=21,極距[τ]隨之確定。電機選用梯形槽結構,齒槽數確定為Z=36,則可以得到電機齒距與電機齒距角,由槽參數可得齒高與槽面積,齒寬也可近似求得[1]。轉子與定子間通過氣隙隔開,確定氣隙長度、磁鋼厚度與機殼厚度,則可求得永磁體內徑、永磁體外徑以及機殼外徑。

        2 Ansoft Maxwell有限元

        Ansoft Maxwell能從有限元分析角度分析二維和三維電磁場具體情況,通過分析模型的建立與網格劃分,邊界條件與激勵條件的設定,能方便快捷地實現(xiàn)電機模型的仿真計算,在后處理中,也能清晰得出電機性能參數以及各參數之間的關系[2]。

        經過上述參數計算,可以應用Ansoft RMxprt對電機參數進行初步校驗。電機性能受電機結構參數的影響巨大。外轉子無刷直流電機中結構參數眾多,永磁體磁化方向長度、氣隙長度、極弧系數等對電機性能的影響都不可忽略。外轉子無刷直流電機永磁體的磁化方向長度對電機氣隙磁密、負載反電動勢的性能影響較大。研究永磁體磁化方向長度對電機各性能的影響,有助于充分利用永磁材料。氣隙長度是電機設計中的一個重要參數,在普通電機設計中一般有經驗公式或者結合生產實際給出氣隙長度,但在永磁電機中,由于永磁體代替轉子繞組后,磁路結構負載、氣隙長度難以準確給出。因此,需要在進一步的優(yōu)化設計中研究電機氣隙長度對其他性能參數的影響,以確定電機氣隙長度的最優(yōu)值[3]。極弧系數是電機電路、磁路中一個重要的參數,特別對于外轉子無刷直流電機,該參數涉及永磁材料的使用,以及反電勢頂部寬度的大小,影響電機換相的性能[4]。轉子無刷直流電機2D建模如圖1所示,有36槽42極。

        由圖2和圖3可以看出,所設計電機在局部未達到磁路最優(yōu),有一定磁路溢出,造成磁通飽和,分析認為定子繞組漏磁通是主要成因;而磁極間的漏磁又造成氣隙磁通局部飽和以及轉子軛部局部磁飽和,在實際制造過程中可減小極弧系數或者加入相應隔磁介[5]。定子相電流如圖4所示。

        3 結語

        本文基于Ansoft Maxwell有限元分析軟件,結合理論計算,兩者結合驗證了電機機構參數與性能之間的關系,實現(xiàn)了外轉子無刷電機的基礎設計。外轉子無刷直流電機作為永磁電機,在引入永磁后,磁路變得復雜很多,在后面的優(yōu)化設計中,有限元分析可方便查看電機磁場分布,調整電機機械參數,防止電機磁路局部過飽和,減小電機氣隙磁密諧波,提高電機的性能指標。

        參考文獻:

        [1]韋忠朝,高信邁,孫劍波,等.基于Ansoft外轉子無刷直流電機設計[J].湖北工業(yè)大學學報,2012(1):58-61.

        [2]黃堅,郭中醒.實用電機設計計算手冊[M].上海:上海科學技術出版社,2014.

        [3]朱慧清.軋鋼輥道用永磁無刷直流電機的有限元分析[D].廣州:華南理工大學,2012.

        [4]劉漢華.風機用永磁無刷直流電機的設計與性能分析[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2015.

        [5]高信邁.工業(yè)風機用無刷直流電機設計與驅動控制研究[D].武漢:華中科技大學,2011.

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