基于Ansoft的自动门用永磁无刷直流电机的设计和分析

基于Ansoft的自动门用永磁无刷直流电机的设计和分析朱彩红;黄辉;崔婷
【摘要】对用于自动门控制系统的永磁无刷直流电动机,采用基于等效磁路法的RMxprt软件和基于电磁场有限元分析法的Maxwell软件对样机进行设计、分析和计算,并用“场路结合”的设计思路,完成了一台12槽/8极无刷直流电机的电磁设计任务.
【期刊名称】《南通职业大学学报》
【年(卷),期】2012(026)004
【总页数】4页(P98-101)
【关键词】永磁无刷直流电动机;Ansoft;场路结合
【作者】朱彩红;黄辉;崔婷
【作者单位】苏州市职业大学电子信息工程系,江苏苏州215104;苏州市职业大学电子信息工程系,江苏苏州215104;苏州市职业大学电子信息工程系,江苏苏州215104
【正文语种】中文
【中图分类】TM302
0 引言
永磁无刷直流电动机（简称PMBLDCM）是随着永磁材料技术、微电子及电力电子技术等的迅速发展而兴起的一种新型永磁电机[1]，它保留了直流电动机的优点
又克服了其局限性，既具备交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等优点，又具备永磁电动机运行效率高、无励磁损耗等特点[2]，故在国民经济各个领域，如
医疗器械、仪器仪表、化工、轻纺以及家用电器等方面的应用日益普及。

永磁无刷直流电动机由于转子中引入了永磁体，使得电机的励磁特性发生了很大的变化，也给电机的设计、分析和研究提出了许多新的问题和课题[3]。

电磁设计是
电机设计的基础，而电磁分析与校核计算又是电磁设计的基础，它的准确性是电机设计的核心，是综合设计和优化设计获得正确结果的保证[4]。

由于等效磁路法具
有思路清晰、工作量小和方案易于调整的特点，目前仍是应用最多的电磁设计方法。

采用此传统的电磁设计方法，可根据技术要求、所选材料及初步估算的结构尺寸，同时根据具体的磁路结构，利用Ansoft中的RMxprt软件建立实体模型[5]，用等效磁路法求出所需的若干重要参数。

实际应用时，为进一步校核方案的合理性，可在方案确定后，再用电磁场有限元法——Maxwell2D电磁场有限元分析软件进行空载和负载磁场的计算和校核[6-7]，然后进行电磁性能的计算，从而达到提高计
算准确度的目的。

本文以一台12槽/8极无刷直流电机的电磁设计为例，进行分析与设计，可为进一步研究自动门用永磁无刷直流电动机提供理论基础。

1 样机的RMxprt设计
1.1 等效磁路法
基于等效磁路法并引入RMxprt软件来设计样机，其设计流程如图1所示。

图1 等效磁路法电磁设计流程
本文选用双开式轻型自动门为设计对象，其主要的工况参数如表1所示。

表1 自动门的主要工况参数项目要求与参数安装方式表面安装电源电压100～250 V（AC）门扇重量2×150 kg门宽度 DW=700～1 300 mm开放时
间 0～9 s（可调）开门运行速度 100～500 mm/s（可调）闭门运行速度
100～500 mm/s（可调）紧闭力 200＜F＜400（N）
据以上工况拟定永磁直流无刷电动机（样机）的主要技术参数如表2所示。

表2 样机的主要技术参数项目参数项目参数额定功率 50 W 额定电压24 V额定电流 3 A 额定转速 3 600 r/min槽数 12 极数 8定子外径 56 mm 转子外径 26 mm气隙 0.5 mm 电枢铁心长度 60 mm
电机的驱动电路采用典型的Y3型－三相星型连接形式，定子绕组选用双层绕组，并在Ansoft中的RMxprt数据输入界面输入参数，如图2（a）、（b）所示。

其中：（a）为定子铁芯的主要设计数据，铁芯槽的形状选用2型；（b）为磁极转
子铁芯的设计数据，磁钢及转子形状选用1型。

图2 电机设计参数输入界面
输入参数后便可进行电机性能的计算，程序会自动将本次输入的数据保存到用户设定的输入数据存放文件中去。

性能计算完毕之后，程序将计算结果存放到输出文件，打开Design Output窗口，便可查看到列表显示的电机的各种性能数据和特性参数。

表3摘录了该样机主要的计算结果。

表3 样机主要输出数据项目参数名称参数值磁钢数据磁钢型号 NdFeB8剩磁密度 0.64矫顽力 382最大磁能积 63.9相对回复磁导率 1.27空载磁路数据磁
钢磁势（A·T）－266.022空载转速（r/min） 4 221.72齿槽力矩（N·m）
0.047 793 6满载数据平均输入电流（A） 2.840 53电枢电流有效值（A）
2.017 16电枢电流密度（A/mm2） 46.742 7总损耗（W） 18.154 6输出功率（W） 50.018 1输入功率（W） 68.172 7效率（%） 7
3.369 7额定转速
（r/min） 3 596.1额定力矩（N·m） 0.132 821堵转力矩（N·m） 1.267 12
堵转电流（A） 23.035 4有限元的输入数据串联总匝数 40并联路数 1相电阻（ohm） 0.518 112端部漏电抗（H） 1.670 96e＋6二维分析所需数据等效矫
顽力（kA/m） 404.04转动惯量估计值（kg·m2）2.309 57e+5等效剩磁密度（T） 0.704 014
1.2 仿真结果
基于RMxprt软件，对电机进行等效磁路的计算和分析后，可得到仿真结果（以下如无特殊说明，图中均以A相为例）。

1.2.1 气隙磁密波形
气隙磁密如图3所示，从图中可以看出，气隙磁密基本为方波，脉动小、可靠性高。

图3 气隙磁密
1.2.2 负载时的相电流波形
负载情况下A相绕组的相电流如图4所示，其电流波形基本保持方波，有利于电动机的出力。

图4 负载下相电流的波形
2 样机的Maxwell设计
2.1 电磁场有限元法
有限元法是20世纪60年代逐渐发展起来的对连续体力学和物理问题的一种新的数值求解方法，在电机电磁场数值分析中，目前应用最广泛和最成熟的就是有限元法。

在利用RMxprt软件建立实体模型和有限元模型后，采用电磁场有限元法求出所需的若干重要参数，然后引入到电磁计算中，进行电磁性能的计算，以提高计算的准确度。

电机的Maxwell2D电磁分析的主要步骤为：
（1）分析标题；
（2）创建工程，赋予特性，网络剖分；
（3）求解；
（4）后处理。

2.2 仿真结果
由Maxwell2D有限元分析软件分析、计算及模拟仿真的结果如下。

2.2.1 电机模型图
由Ansoft软件建立的12槽/8极永磁无刷直流电机模型，图5给出了A相绕组连接方式。

同时也可看出，这种电机结构简单，保养维护都较为方便。

2.2.2 反电动势
反电动势是永磁无刷直流电动机设计中一个重要的过程量，它的大小、相位将直接影响到电动机的出力，也就是说，只有电机的电枢电流与反电动势同相时才能得到电磁转矩的最大值，因此，对它进行计算分析是具有实际意义的。

图6为A相反电势随时间变化的波形。

从图中可以看出，电机的反电势波形为梯形波。

图5 绕组连线示意图
图6 反电势波形
2.2.3 额定负载下的转速波形
图7为转速随时间的变化波形，由图可见，转速基本稳定在3 600 r/min。

图7 转速波形
3 电机设计参数的对照分析
RMxprt和Maxwell的计算结果如表4所示。

可以看出，两种方法的计算结果基本一致，从而进一步验证了本设计的合理性。

本文所设计的无刷直流电机具有转矩脉动小，起动转矩大的特点，可实现自动门的直接驱动，不仅使自动门的机械结构简化、制造成本降低，而且安装调试方便、故障率低。

表4 RMxprt与Maxwell2D计算结果的对照项目计算结果RMxprt Maxwell 输出功率（W） 50.02 50.92磁钢磁密（T） 0.53 0.57转子轭部磁密（T）0.63 0.79定子轭部磁密（T） 0.38 0.42气隙磁密（T） 0.56 0.58
4 结语
在电机设计中应用Ansoft，可使繁琐的设计分析过程变得简单直观。

用RMxprt
计算一个方案只需几分钟即可从几十乃至几百个方案中快速挑选一个最佳方案，而Maxwell2D的电磁场分析、瞬态仿真功能及其后处理功能使电机的精确设计成为
可能。

可以看出，把Ansoft用于电机设计中，势必会大大简化电机的设计过程，缩短开发周期，减小开发成本。

参考文献：
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[2]严岚，贺益康，庞勇.基于场路结合的永磁无刷直流电动机仿真[J].微电机，2001，34（1）：3-6.
[3]朱彩红.基于Ansoft的永磁无刷直流电动机磁场有限元分析[J].微电机，2010，43（6）：103-105.
[4]丁旭玮，林瑞全.Ansoft软件在无刷永磁直流电动机优化设计中的应用[J].机电
技术，2010，33（2）：60-62.
[5]马立丽，马金龙.基于Ansoft的无刷直流电动机的设计与仿真[J].云南电力技术，2009，37（2）：9-11.
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