基于Ansoft的永磁无刷直流电机性能分析
基于Ansoft的无刷直流电机设计与分析
基于 Ansoft的无刷直流电机设计与分析摘要：无刷直流电机集各种相关科技的发展成果于一身，克服了电刷和换向器带来的缺点，保留了良好的机械特性与调节特性，使之逐渐在各领域崭露头角。
利用 Ansoft 软件，设计一款额定转速 5200 r /min，12 槽 16 极三相永磁无刷直流电机，从电机的结构尺寸、永磁材料方面分析了电机的设计要求。
利用软件中的ＲMxprt 和 Maxwell 模块建立了电机的仿真模型，得到了空载和负载情况下电机性能曲线。
最后制造出原理样机并搭建了测试平台进行试验，获得了电机的机械特性曲线。
结果表明: 电机工作稳定满足设计要求。
关键词：Ansoft; 无刷直流电机; 电机设计我国的风机数量巨大,耗电量惊人,风机节能越来越受到大家的关注,而变速节能是风机节能领域的重要环节。
永磁无刷直流电机可以通过控制电路的占空比来进行无极调速,且调速范围宽,还有具有不失步、功率密度高和高效节能等优点,特别适合在通风机等风机节能领域中使用。
永磁无刷直流电机是一种不需要机械电刷的新型电机，因其结构简单、可靠性好、效率高，在工业领域得到广泛应用，近些年，出现了无位置传感器的无刷直流电机，由于不需要传感器检测转子的位置，使得电机的结构更加简单，进一步增强了电机的可靠性，扩大了电机的使用范围。
一、永磁无刷直流电机从发明至今，直流电机不论是在家用电器还是工业通用领域都有着广泛的应用。
然而，由于直流电机的换相均通过电流换相完成，传统的直流电机的换相都是通过机械电刷和换向器完成，在其接触面上不可避免地存在摩擦，这些摩擦就造成了火花产生、噪音出现、维修困难的缺点，除此之外，制造成本也限制了其发展。
半导体技术的兴起推动了电力电子技术的发展，大功率电子开关器件得到广泛应用，经过长期的应用，这种电机的优点逐渐体现出来，比如：更加优秀的转矩转速特性、高速动态响应、高效率、长寿命、低噪声、高转速、无换向火花、运行可靠和易于维修等[1]。
基于 Ansoft 的永磁同步电机退磁仿真分析
基于 Ansoft 的永磁同步电机退磁仿真分析摘要：为了保证永磁同步电机抗退磁能力仿真的准确性，本文提出了一种基于 Ansoft Maxwell 软件的永磁同步电机退磁仿真方法。
以12S10P磁同步电机为例(PMSM) ，首先详细的介绍了此退磁仿真的电磁设置；然后评估与验证了此退磁仿真方法的仿真值与实测值差异；最后提供了此仿真方法的问题与改进思路，为永磁同步电机退磁仿真提供了参考。
关键词：Ansoft；退磁引言在压缩机的应用工况下，为了保持整套系统的高可靠性，压缩机中所有零件都需要进行可靠性评估，使所有的零件都能保持在正常的状态下运行。
对于压缩机中的主要驱动零部件——电机来说，永磁体退磁是一个重要的指标[1]。
为了保证永磁同步电机按照设计的状态运行并达到设计的效果，永磁体需要在充磁饱和的状态下工作[2]。
当永磁同步电机转子永磁体发生不可逆退磁，整个电机将不再运行于最佳工作状态，进而影响到压缩机的性能。
因此对永磁同步电机进行抗退磁能力评估是一项重要的工作。
目前对于永磁同步电机的退磁电流的测试方法一般为：并接电机绕组某两相，给绕组通入电流使转子自动定位，并固定电机转子此时位置，随后通入反向电流，并对比测试通入退磁电流前后的线磁链值，以该值下降 3 % 为限定标准。
但是，目前采用的仿真分析方法为在永磁体上设定取样曲线，并计算施加退磁电流后取样曲线上剩磁回复值，按照剩磁平均值降低 3 % 为限定标准。
以上实验测试方法和仿真分析方法存在判定指标不一致的情况，因此为了提高仿真准确性以及仿真与测试的一致性，以及充分应用 Ansoft 的退磁仿真功能，本文对 Ansoft 的退磁仿真功能进行了研究。
1 Ansoft仿真分析软件退磁仿真1.1基本设置1.1.1电机退磁仿真工况电机运行状态按照正常的电机性能仿真设定，仿真模型为模拟电机正常运行并通入了较大电流时电机永磁体发生退磁的情况，按照 3 % 磁链降低为界限限定。
运用Ansoft14分析永磁同步电机的电磁特性
Topic – Motor Application Note
创建 2D 模型 (续)
选中物体 PhaseA, PhaseB 及 PhaseC， 右键单击并选中菜单栏 Edit > Duplicate > Around Axis 或使用工具栏图标 。在Angle栏中输入 45 ，单位为degrees ， 在 total number栏中输入8。这就生成了我们所需的所有绕组。
1. Maxwell 选项窗口： 1. 左键单击 General Options 对话框 Use Wizards for data entry when creating new boundaries: Checked Duplicate boundaries with geometry: Checked 2. 左键单击 OK 键
Topic – Motor Application Note
减小 2D 模型的尺寸 (续)
选择 Polyline1， 右键单击并选中菜单栏 Edit > Sweep > Around Axis. 参数按下面所列出的输入:
重命名区域 Polyline1 为Region。确认我们所选用的材料为真空。同时，你可以通 过增加区域的透明度来改变其渲染效果。
将材料的属性由 vacuum 更改为 Copper。 选中 LapCoil1并将其颜色改为 yellow。
Ansoft Maxwell Field Simulator
Topic – Motor Application Note
创建 2D模型 (续)
选中物体 LapCoil1, 并将其沿Z轴方向旋转 7.5 度, 右键单击选中菜单项 Edit > Arrange > Rotate 或使用工具栏图标 。
基于Ansoft的永磁无刷直流电动机的设计与仿真
基于Ansoft的永磁无刷直流电动机的设计与仿真彭峰;谷爱昱;梁德志;罗志伟;温晓阳【摘要】介绍了永磁无刷直流电动机基本原理,然后根据要求设计了一台9槽10极永磁无刷直流电动机,并利用Ansoft/Maxwell 2D对其进行了有限元仿真,对电动机进行了空载、负载瞬态特性分析,验证了设计的合理性.最后试制样机,样机测试值与Maxwell仿真值对比,验证Maxwell仿真的正确性.【期刊名称】《防爆电机》【年(卷),期】2015(050)006【总页数】4页(P4-6,17)【关键词】永磁无刷直流电动机;电磁设计;有限元仿真【作者】彭峰;谷爱昱;梁德志;罗志伟;温晓阳【作者单位】广东工业大学,广东广州510006;广东工业大学,广东广州510006;广东工业大学,广东广州510006;广东工业大学,广东广州510006;广东工业大学,广东广州510006【正文语种】中文【中图分类】TM301.2永磁无刷直流电机以其体积小、重量轻、惯量小、控制简单和动态性能好等优良特性，被广泛应用于工业、交通、消费电子、航空航天、军事等领域。
因此，对永磁无刷直流电动机的研究具有十分重要的意义。
永磁无刷直流电机除了保持有刷直流电动机优越的起动和调速性能外，其最大的特点是没有换向器和电刷组成的机械接触结构，具有寿命长、噪声低和电磁干扰小等优点。
因此，永磁无刷直流电动机的转速不受机械换向的限制，可以根据具体的需要让其高速或者低速运行，有较好的转矩特性。
并且永磁无刷直流电机由于结构上的特点，使其热阻较小，散热容易。
永磁无刷直流电机同样还具备交流电动机的结构简单、运行可靠、适应性好、维护方便等优点[4]。
本文根据电机的性能要求设计了一款9槽10极的无刷直流电机，利用Maxwell 软件对其进行有限元分析，并和实验样机测试结果进行对比。
无刷直流电机为了实现无机械接触换相，利用电子开关电路代替有刷直流电动机的机械换相，取消了传统电刷。
基于ANSOFT的永磁直线无刷直流电动机的仿真研究
Simulation and Analysis of Linear PM Brushless DC Motor Based on ANSOFT
鲁 军 勇 1978 年 6 月 生, 2001 年毕 业 于 武 汉 海军工程大学电气工 程 系, 学 士学 位。 现 为 西 安交通大学电机及其 控 制工程系在读硕士研 究 生。研究方向为直线 电 机设计及其控制。
通电 绕组 A+ CC- B+ B+ AA- C+ C+ BB- A+
( A+ C- ) ( C- B+ ) ( B+ A- ) ( A- C+ ) ( C+ B- ) ( B- A+ ) , 从这里可以看到, 在动子 进行一个周期内, 动子绕组将经过 6 次换相。根 据动子所处位置范围及通电绕组次序, 我们可以 得到逆变器驱动逻辑信号, 如表 1 示。根据表 1, 我们可以利用 MAXSWELL 2D 提供的电路元件搭 构简单的逆变器模型如图 2 所示。驱动电路模型 如图 3 所示。开关 K1~ K6 的通断时机受受控电 压源 V1~ V6 控制。
图 1 逆变器模型
图 2 驱动电路模型
3 系统仿真结果及其分析
本文中 LPMBDCM 的模型 参数如表 2 所示。 电机有 18 个槽, 每极每相是一个槽, 采用双层整 距分布绕组形式。导电方式是两两导通三相星型
六状态。初级是三相线圈, 次级是 N, S 相间的永 磁体。设置粘制摩擦系数 100N s m- 1 , 初级总质 量为 5kg, 电动 机空载起 动。图 4 为 t = 0. 2865s 的电机磁场分布图。利 用 ANSOFT 软件, 我们还 可以得到电机的转速、电磁推力、法向力、相电流、 反电势、磁链、损耗等。图 5 是A 相电流曲线。从 图中可 以看 出当 功率 管轮 换导 通时, A 相 电流 有一个小的波动, 这是由于功率管开关时有上升
基于Ansoft的无刷直流电机设计与分析
第35卷第8期2019年8月科技通报BULLETIN OF SCIENCE AND TECHNOLOGYVol．35No．8Aug．2019基于Ansoft 的无刷直流电机设计与分析陈再好，杨惠忠，杨权（中国计量大学机电工程学院，杭州310000）摘要：永磁无刷直流电机因其调速性能好、效率高、体积小等优点被广泛应用于各种领域。
利用Ansoft 软件，设计一款额定转速5200r /min ，12槽16极三相永磁无刷直流电机，从电机的结构尺寸、永磁材料方面分析了电机的设计要求。
利用软件中的ＲMxprt 和Maxwell 模块建立了电机的仿真模型，得到了空载和负载情况下电机各项性能曲线。
最后制造出原理样机并搭建了测试平台进行试验，获得了电机的机械特性曲线。
结果表明：电机工作稳定满足设计要求，也验证了软件仿真分析的合理性，为电机优化设计参数提供了依据。
关键词：Ansoft ；无刷直流电机；电机设计；仿真分析中图分类号：TM33文献标识码：A文章编号：1001－7119（2019）08－0177－05DOI ：10.13774/j．cnki．kjtb．2019.08.032Design and Analysis of Brushless DC Motor Based on AnsoftChen Zaihao ，Yang Huizhong ，Yang Quan（College of Mechanical and Electrical Engineering ，China University ofMetrology ，Hangzhou 310000，China ）Abstract ：Permanent magnet brushless DC motor is widely used in various fields because of its advantages of good speed control performance ，high efficiency and small size．Ansoft software was used to design a 12－slot ，16-pole ，three-phase permanent magnet brushless DC motor with a rated speed of 5200r /min．The design requirements of the motor were analyzed from the aspects of the structure size and permanent magnetic material of the motor．Using the ＲMxprt and Maxwell modules in the software ，a simulation model of the motor was established ，and the performance curves of the motor under no-load and load conditions were obtained．Finally ，a prototype was created and a test platform was set up for testing．The mechanical characteristics of the motor were obtained．The results show that the stability of the motor meets the design requirements ，and the rationality of the software simulation analysis is also verified ，which provides a basis for the optimal design parameters of the motor．Keywords ：Ansoft ；brushless DC motor ；motor design ；simulation analysis 收稿日期：2018－03－26作者简介：陈再好（1992－），男，安徽六安人，硕士在读，研究方向：无刷直流电机设计研究。
Ansoft有限元分析软件对永磁同步发电机进行磁场分析
Ansoft有限元分析软件对永磁同步发电机进⾏磁场分析⼀、概述此⽂档介绍了利⽤Ansoft Maxwell2D 11.0电磁场有限元分析软件对永磁同步发电机进⾏磁场分析的⽅法，读者应先了解Ansoft软件的基本使⽤⽅法后阅读本⽂，Ansoft软件的基本使⽤⽅法可参阅《Ansoft⼯程电磁场有限元分析》（刘国强著，电⼦⼯业出版社）。
永磁同步发电机磁场分析的基本流程见图1。
图1 磁场分析的基本流程⼆、求解空载磁场1.绘制有限元模型（Define Model）Ansoft Maxwell2D 有限元建模的⽅法主要有三种，⼀是直接在Maxwell2D 中绘制，选择Define Model-Draw Model 进⼊后在软件提供的绘图界⾯上绘制电机模型。
⼆是利⽤Ansoft RMXpert导⼊，点开Maxwell 11 3D的界⾯，选择Project-Insert RMxpert Design，然后逐项输⼊电机各项数据。
输⼊完各项数据后，点击RMxpert-Analyze all，求解电机模型。
求解完成后，点击RMxpert-Analysis Setup-Export-Maxwell 2D Project，⽣成⼀个Maxwell 2D模型。
在弹出的对话框中，Project Name中填写模型的名字，Location填写模型存放的路径。
三是⽤AutoCAD绘制后导⼊。
将绘制后的AutoCAD图形存成*.dxf格式，在Ansoft Maxwell2D 绘图界⾯中点击File-Import，选中*.dxf⽂件在出现的设置转换参数对话框中，将Number of segments for poligonalization of a circle 和Number of segments between control points of a spline 后的数量设置得⼤⼀点，点击ok，将AutoCAD图形转换为Maxwell 2D模型图形*.sm2。
基于Ansoft的永磁无刷直流电动机磁场有限元分析
通过 Ａ ｓｆ 的 分 析 结 果 对 应 关 系 反 映 电 机 的 运 行 ｎｏ ｌ
原理 。
１２ 基本 假 设 ．
由于磁 场 随 转 子 位 置 而 时 刻 变 化 ，采 用 部 分 场
域分 析 的方 法 ，边 界 条 件 较 难 确 定 ，因此 本 文 采 用 全场 域分 析 的 方法 。为 了建 立 永 磁 无 刷 直 流 电动 机 内部 磁场 的微 分 方 程 ，确 定 求 解 区域 和有 限元 求 解
关键词 ：有 限元 分析 ；Ａ ｓｆ；永磁 电动机 ；无刷 直流电动机 ｎｏ ｌ
中 图分 类 号 ：Ｔ ５ ；Ｔ ３ Ｍ３ １ Ｍ ６＋１ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１０ —８ ８ ２ １ ） ６００ —３ ０ １６ ４ （ ００ ０ ．１３０
Ｍ ａ ｎｅ ｉ ｅ ｄ Ｆｉ ｔ ｌｍ ｅ ｎ ｌ ｉ ｆＰｅ ｍ ａ ｎｔＭ ａ ｎｅ ｕｓ ｅ ｓ ｇ ｔｃ Ｆｉｌ ｎｉｅ Ｅ ｅ ｎｔＡ ａ ｙｓｓ ｏ ｒ ｎｅ ｇ ｔＢｒ ｈｌｓ
的边 界条 件 ，作 如下 假设 引：① 忽 略 电机 端 部磁 场
效应 ，磁 场沿 轴 向均 匀分 布 ，矢 量 磁 位 Ａ 和 电流 密
１ 永磁 无 刷 直 流 电 动 机磁 场 有 限元 分
析 模 型
１ １ 永磁 无刷 直 流 电动机 的 结构 和设 计参 数 ． 永磁 无刷 直 流 电 动机 运 行 时 ，电动 机 内 部 的 电 磁场 分布 较 为 复 杂 ，计 算 这 种 非 线 性 磁 场 ，可 以 采
Ａｂ ｔ ｃ ：２ ｈ ｌ ｆ ｌ ｎｔ ｅｅ ｎ ｅ ｏ （ Ｅ ｓ ａｔ Ｄｗ ｏ ｅ ｆ ｉ ｌ ｒ ｅ ｉ ｄｉ ｅ ｍｅｔｍ ｔ ｄ Ｆ Ｍ） ｂ ｓｄ ｏ ｎｏ ｏ ｗ ｒ ｗ ｓａ ａｔｄ ｎ ｈ ｈ ａｅ ｎ Ａ ｓｆ ｓｆ ａｅ ａ ｄ ｐｅ ，ａ ｄｔｅ ｌ ｔ ｍａｎ ｔ ｅ ｉ ｒ ｕｉｎｏ ｅｍａ ｅｔ ｇ ｅ ｂｕｈｅｓＤ ｏｏ Ｂ Ｄ ｇ ｅｉ ｆ ｌ ｄｓ ｉ ｔ ｆ ｒ ｎ ｎ— ｎｔ ｒｓｌ Ｃ ｍ ｔ ｃｉ ｄ ｔｂ ｏ ｐ ｍａ ｓ ｒ（ Ｌ Ｃ） ｗ ｒ ｃｌ ｌ ｅ ． Ｔ ｅａｏｅ ｅｅ ａ ｕａ ｄ ｈ ｂ ｖ ｃ ｔ
基于Ansoft的永磁无刷直流电机性能分析
当定子槽深增加时 ， 使得电机的额定转速上升 ， 但是相应 的其 额定转矩会下降 ， 带载能力 降低 ； 同时， 随着槽深的增加 ， 电机平均 电流 、 总的损耗会增加 ， 气隙磁密会下降 ， 但不会影响电机的电枢反 应电感 。图 １ Ｏ 为线径与 电机效率、 平均 电流的关系曲线。当线径增 加时 ，电机 效率 由 ８ ５ ． １ ２ ９ ３ ％提高到 ８ ６ ． ８ ５ ５ ８ ％。电机平均 电流 由
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科 技 创 新
并达 到最 大值 。 由于并 未 出现 磁饱 和线 性 ， 所 以不 影 响其 基 波 幅值 速 为 １ ５ ２ ０ ｒ ｐ ｍ。 的大 小 。 对空载 、 负 载其 次 磁 密进 行 Ｆ Ｆ Ｔ分 析 ， 二 者气 隙磁 密基 波 复 制均为 ０ ． ８ ４ ９ Ｔ 。 八
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时， 齿 槽转 矩 为 ３ ． ６ ３ ８ ４ ４ ｅ 一 ０ ０ ５ Ｎ・ Ｍ。
基于ANSOFT_Maxwll_2D_的磁悬浮电机的研究
式中 k1 = 3rlB4 N 2 2δ 0
k2 =
πrlB 42 2 µ 0δ 0
在永磁电机中通常采用 i d
= 0 控制方式，选取永磁磁
(4)
极轴线方向作为 d 轴参考方向，则上式可表示为
Fα = k1 I 2d + k 2α ⎫ ⎬ Fβ = k1 I 2q + k 2 β ⎭
由此可见，采用 i d 受到两部分的磁场力：
Lad = l aq = 4.2 mH
参考文献
[1] A. Chiba, et al. Stable Operation of Induction-Type Bearingless Motors Under Loaded Conditions,IEEE Trans. On IA, 1997,33(4): 919-924. [2] Masahide Oshima, et al. Characteristics of a Permanent Magnet Type Bearingless Motor. IEEE Trans. On IA, 1996, 32(2): 363-370.
F N
α = 0.2mm (2)
电机磁力线分布
图8
3.4 电感参数的计算
通过 ANSOFT Maxwell 2D 软件强大的后处理功能，可以 计算出转矩绕组和悬浮绕组的 d、 q 轴电感。 对于永磁型电机， 计算单独考虑直轴和交轴电流单独作用下的直轴和交轴磁 链，即可获得电机交直轴的电枢反映电抗。 对于 4 极的永磁型电机，一个极距内的磁通可表示为
4.
结论 本文在ANSOFT 公司的Maxwell 2D 环境中建立了
永磁型无轴承电机的仿真模型，完成了磁场分析。得到了悬 浮力与转矩电流和悬浮电流之间的线性关系， 并通过后处理， 得到了电感参数，对于后续工作中对永磁型无轴承电机的电 路仿真和实际控制提供了依据和基础。
319 基于ANSYS的无刷直流电动机的分析方法及开发
" 实现电动机电磁场参数化分析
应用 /0&1&批处理指令以及 /678语言，可 以使 /0&1&分析成为可控操作，从而实现参数化 分析。可极大降低重复劳动，电动机分析效率得到 明显的提高，电动机设计周期也缩短很多。
"%! /0&1&批处理指令在电动机电磁场 分析中的应用
/0&1&在使用中，执行指令有两种方式，一是 在 )9’（图形用户界面）中选用菜单命令，一是可 在’:;<=>?:@ABC（输入窗口）中输入批处理指令。 在 )9’中选用菜单命令固然直观，便于人机的交 互式交流，但是建模操作十分繁琐。而同样的工作
!034是 !"#$# 参 数 设 计 语 言［5］。当 执 行 一个输入文件，!"#$#通常受限于线性程序流；每 一条语句按列表中次序执行。然而 !034 提供了 大量的命令，能用来控制程序流。!034 允许嵌套 宏，最多67层次，提供与 89:2:!";;调用语句 或函数调用功能相同的功能。我们需要去研究在
基于Ansoft对永磁同步电机静磁场分析
解观察对话框
三角单元与收敛数据关系
分析数据、求解观察
Step 2:将鼠标移至模型窗口，操作Ctrl+A，选择所有物体，执行Maxwell 2D/ Fields/Plot mesh，显示电机模型剖分情况。
模型剖分统计信息
模型剖分图
分析数据、求解观察
Step 3:观察磁场分布。将鼠标移至模型窗口,操作Ctrl+A,选择所有物体，执行
Edit/Duplicate/Mirror
Draw/Arc/Center Point
在Maxwell 2D界面下构建定子槽模型
Step 3：执行Edit/Duplicate/Around Axis，出现沿轴复制，选择Z轴，相隔15度, 进行24次复制。执行Draw/Arc/Center Point，中心原点选择(0,0),用圆弧连接定 子槽，进行复制。执行Modeler/Boolean/Unite命令，将所有线段合成一体。
基于Ansoft对永磁同步 电机静磁场分析
基于Ansoft对永磁同步电机静磁场分析
问题描述：三相永磁同步电动机，由定子铁心、定子绕 组、永磁体磁极、转子铁心组成。电机定子内径、外径 分别为74mm和120mm，极数4，定子槽数24。电机为对称 结构可以建立四分之一模型，为了更清晰地了解整个电 机模型的建立情况，在Ansoft界面下采用整域求解，计算 电机的参数及场图分布。
Step 1: 绕组分相。绕组一般采用A、Z、B、X、C、Y表示，A、B、C表示三 相正绕组，X、Y、Z分别代表A、B、C相负绕组，各相正绕组用英文Phase表 示，负绕组用英文Return表示。例如:A表示为A-Phase，X表示为A-Return，其 他表示类似。
B+ C-(Z)
基于 Ansoft 多极多相永磁无刷直流电动机的仿真
基于Ansoft 多极多相永磁无刷直流电动机的仿真邹根华梁得亮（西安交通大学陕西西安 710049）摘要:借助于仿真技术指导电机的设计过程，利用Ansoft软件对磁场分布和电枢反应进行了分析，调整电机设计参数，对电机的高密度性能进行理论分析，给出电机仿真结果。
【关键字】高功率密度、电机仿真、永磁电机Simulation of Multi-pole and Multi-phase Permanent Magenetic BLDC motor Based On AnsoftZou genhua, Liang deliang(Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)Abstract: With the technique of simulation, the design process of motor can be directed in effect. In this paper, the distribution of magnetic field and the reaction of armature can be analysed using Ansoft. The parameter of motor can be regulated through simulation. This paper analyses the theory of multi-phase and multi-pole high power density motor, the result of simulation is given.Key words: high power density; simulation of motor; permanent magnet motor1．引言仿真就是建立系统模型并对模型进行实验。
计算机仿真则是借助计算机，用系统模型对真实系统或者设想的系统进行实验的一门综合性技术。
基于ANSOFT的轴向磁场永磁同步发电机性能计算
３ ３ 三维 瞬态场路耦合 负载工 况计 算 ．
永 磁 同步 发 电机 负 载 运 行 时 ， 电枢 绕 组 电流
产 生 的 电枢 磁 势 既 影 响气 隙磁 场 的 分布 ，又 影 响
为 两 侧 转 子 的 磁 钢 是 按 同极 性 的顺 序 排 列 的 ， 即
步 发 电机 三 维 瞬 态 场 路 耦 合 负 载 工 况 计 算 ，我 们
Ｍ ｘ ｅ ｌＤ 对 轴 向磁 场 永 磁 发 电机 进 行 三 维 电 磁 ａｗ ｌ３
场 与外 电路 系 统 的场 路 耦 合 分 析 ，从 而 得 到 该 电 机 静 磁 场 分 布 和 空载 与 负载 工 况 瞬 态 场 的性 能 计 算 结果 ［］ 图 ３为样 机 的 主 要 电磁 结 构 部 件 由 永 ２。
ｒｓ ｌ ｖ ｒ ｅ ｈ ｔｔｅ ｄ ｓ ｎ ｉ ａ ｐ ｉａ ｌ ａ ｄ ｔｅｒｓ ｌ ｏ ｒｅｄｍ ｎ ｉｎＥ ｅ ｔ ｍ ｇ ｅｉ ｆｅ ｅｕｔ ｅｉ ｓｔａ ｈ ｅ ｉ ｓ ｐ ｌ ｂｅ ｎ ｈ ｅｕｔｆ ｔ ｅ ｉ ｅ ｓｏ ｌｃｒ ａ ｎ ｔ ｌ ｉ ｆ ｉ ｇ ｃ ｈ ｏ ｃ ｄｓ ｉ
摘
要 ：本文 介绍 了一种 轴 向磁场 永磁 同步发 电机 ，并使 用 Ａ Ｓ Ｆ Ｎ Ｏ Ｔ公 司的 电磁 场有 限元 分析软 件 Ｍ ｘ ｅ １Ｄ ａｗ ｌ３
对 其进 行 三维 电磁场 与外 电路 系 统 的场路 耦合 分析 ，从而得 到 该 电机静 磁场 分布 和 空载 与负载 工况 瞬态 场 的 性 能计算 结果 ，通 过样机 试验 证实 了分析 方法 具有 较高精 度 。 关键词 ： 轴 向磁场 永磁 同步 发 电机 中图 分类号 ：Ｔ ５ Ｍ３ ４ 三 维场 路耦合 分析 文 章编 号 ：１ ０ ．８ ２ （ ０ ８ ４０ ２ ．３ ０ ３４ ６ ２ ０ ）０ ．２ ２０
基于Ansoft Maxwell对永磁有刷直流电机的设计与分析
一 步 的 有 限元 分 析 ，得 到 磁 通 密 度 云 图 ，磁 密 矢 量 图 。
关 键 词 ：Ansoft maxwell; ； 永磁有刷直流电机；性能分析 RMxprt
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基于Ansoft的永磁无刷直流电机性能分析
永磁无刷直流电机（BLDC）具有体积小、起动转矩大、温升低、高功率等诸多优点。
在微电机领域，永磁无刷直流电机颇具潜力和优势，随着相关技术的不断发展其必将在小电机领域占据主导地位。
文章运用有限元软件Ansoft Maxwell，在Maxwell 2D环境下建立BLDC模型，对BLDC空載及负载时的磁场及电机性能进行了仿真分析。
其次，使用等效磁路软件RMxprt，利用参数变量分析法，完成了齿槽转矩的优化分析；同时，研究分析了定子槽型、导线直径、气隙长度、极弧系数对永磁无刷直流电机某些性能的影响，通过RMxprt仿真分析结果，可以为优化电机设计参数提供依据。
标签：永磁无刷直流电机；有限元分析；优化分析
引言
永磁无刷直流电机是一种新型电机，是电机技术、电力电子技术、微电子技术与控制理论相结合的一体化电机，具有结构简单、单位出力大、易于控制、较广的调速范围、效率高、损耗小等优点，被广泛应用于国防、航空航天、工农业、医疗设备和日常生活领域[1-3]。
对于永磁无刷直流电机性能的分析仿真已经成为了电机领域热点研究问题。
在永磁无刷直流电机的性能分析法中，常用的有状态方程仿真法、直流电机分析法、等效磁路法、电磁场有限元法等。
由于电磁场有限元分析法能够综合考虑铁磁材料的非线性及参数的变化，被广泛应用与电机分析。
文章采用Ansoft Maxwell对电机磁场分布和变化比较复杂的永磁无刷直流电机进行分析，同时运用RMxprt分析电机参数变化对电机性能的影响。
1 永磁无刷直流电机有限元分析模型
文章所研究电机为内转子结构，所分析电机参数如表1所示[8-9]。
由于磁场随转子位置而时刻变化，采用部分场域分析的方法，边界条件较难确定，因此文章采用全场域分析的方法[5-6]。
为了建立永磁无刷直流电动机内部磁场的微分方程，确定求解区域和有限元求解的边界条件，作如下假设：（1）忽略电机端部磁场效应，磁场沿轴向均匀分布，矢量磁位A和电流密度J只有轴向分量Az和Jz，故磁感应强度只有Bx和By分量；（2）忽略转子铁心中的涡流、磁滞损耗；（3）磁场仅被限制于电机的内部，定子的外部边界及转子的内部边界认为是零矢量磁位线；（4）不计交变磁场在导电材料中如定子绕组及机座中的涡流反应。
表1 BLDC主要技术参数
文章对一台500W两相4极永磁无刷直流电机进行仿真分析。
在Maxwell 2D 下建立仿真模型，建模过程如下：选择求解器类型；建立模型；设置材料属性；设置激励和边界条件；自适应网格剖分；有限元计算；后处理。
其模型如图1所示。
图1 永磁无刷直流电机二维模型
当研究负载情况时，需要对电机模型增加驱动电路，如图2所示。
2 有限元分析结果及性能分析
对于电机而言，在其起动及稳定运行的整个过程中，应该充分考虑电机磁路饱和问题。
当磁路饱和时，电机迅速升温，严重影响电机的稳定运行。
对永磁无刷直流电机而言，它的磁路饱和程度与H和u都有关系，与H有关是说励磁电流越大，越容易饱和；与u有关是指材料的u值拐点越低，越容易饱和，即与磁体的材质特性有关。
图3为永磁材料的B-H曲线。
图3 永磁材料B-H曲线
（a）空载t=0.26 s时BLDC的磁密云图分布
（b）负载t=0.09s时BLDC的磁密云图分布
图4 永磁无刷直流电机的磁密云图分布
图4为永磁无刷直流电机的磁密云图分布图，由此可以看出电机在空载运行时刻，磁密最大值为1.8026T，在负载电机运行时刻，磁密最大值为2.4022T，仍在永磁材料的线性区，电机磁路并未达到饱和状态，不会因磁路饱和而引起电机升温影响其正常工作。
对于永磁无刷直流电机而言，其气隙磁密为方波能够更好的出力。
应用Maxwell 2D场计算器，计算得到BLDC气隙磁密波形如图5所示。
可以看出电机负载时，电枢反应对电机气隙磁密的影响是：在一个状态角范围内，电枢磁动势在刚开始为最大去磁，然后逐渐减小，在状态角中间位置不去磁也不增磁，后半个状态角逐渐增磁并达到最大值。
由于并未出现磁饱和线性，所以不影响其基波幅值的大小。
对空载、负载其次磁密进行FFT分析，二者气隙磁密基波复制均为0.849T。
（a）空载时气隙磁密波形
（b）负载时气隙磁密波形
图5 永磁无刷直流电机的气隙磁密波形
图6为永磁无刷直流电机空载起动电磁转矩及转速曲线。
可以看出电机在25ms时达到空载时稳定转速，此时转速为1768rmp。
（a）空载BLDC转矩波形
（b）空载时BLDC转速波形
图6 永磁无刷直流电机的空载时转矩及转速波形
图7为永磁无刷直流电机负载起动电磁转矩及转速曲线。
可以看出电机在28ms时达到负载时稳定转速，此时转速为1520rmp。
（a）负载BLDC转矩波形
（b）负载时BLDC转速波形
图7 永磁无刷直流电机的负载时转矩及转速波形
图8为电机负载转矩变化时电机重新达到稳定状态时转矩及转速的变化曲线，初始时刻负载转矩设置为0N·M，在0.04s时将负载转矩改为-4.22 N·M。
电机初次达到稳定时刻为25ms，转速为1768rpm；当负载转矩改变时，电机在此达到稳定时间为16.6ms，转速为1520rpm。
（a）转矩突变时BLDC转矩波形
（b）转矩突变时时BLDC转速波形
图8 永磁无刷直流电机的转矩突变时转矩及转速波形
3 RMxprt对永磁无刷直流电机参数分析
永磁无刷直流电机的齿槽转矩是由于转子永磁体与电枢铁心齿槽相互作用而产生的磁阻转矩。
齿槽转矩虽然是一种附加的脉动转矩，但是其不会影响电机的有效转矩，只是齿槽转矩会增加电机噪声，使电机振动且能够引起电机速度的波动。
本节主要分析了转子斜槽、转子磁极极弧系数以及槽口宽度对齿槽转矩的影响，如图9所示。
其次，运用RMxprt对电机齿槽转矩完成优化，当槽口宽度Bs0=2.7238mm、极弧系数Embrance=0.0666669、斜槽Skew_Width=1时，齿槽转矩为3.63844e-005N·M。
图9 转子斜槽、转子磁极极弧系数、槽口宽度对齿槽转矩的影响
当定子槽深增加时，使得电机的额定转速上升，但是相应的其额定转矩会下降，带载能力降低；同时，随着槽深的增加，电机平均电流、总的损耗会增加，气隙磁密会下降，但不会影响电机的电枢反应电感。
图10为线径与电机效率、平均电流的关系曲线。
当线径增加时，电机效率由85.1293%提高到86.8558%。
电机平均电流由2.93A减小到2.88A。
对于永磁无刷直流电机模型，其气隙长度无法直接改变，因此，将转子、永磁体参数设置为定值，通过改变定子内径尺寸来改变气隙长度。
设置BLDC定子内径由74.2mm至75mm之间变化，即气隙长度在0.1mm至0.5mm之间变化。
当气隙长度由0.1mm至0.5mm改变时，气隙磁密由0.738045T减小到0.670383T，其减小趋势基本为线性关系，同时电机效率也会略微下降，变化曲线如图11所示。
4 结束语
文章运用了Ansoft公司的有限元软件Maxwell及基于磁路法的RMxprt电机快速求解模块完成了对额定功率0.55kw，额定电压220V，额定转速1500rpm，极数4，定子槽数24的永磁无刷直流电机的性能分析。
运用Maxwell 2D有限元分析軟件对电机的空载、负载磁场及起动特性进行了分析，所研究BLDC模型具有良好的起动性能；其次，当负载转矩变化时，电机能够在极短的时间内重新达到稳定，说明了所仿真BLDC模型具有良好的瞬时特性。
运用RMxprt的参数优化分析对电机齿槽转矩进行了优化。
对影响BLDC齿槽转矩的主要影响因素进行了仿真分析，说明正确的设计电机参数能够有效的抑制电机齿槽转矩的产生，提高电机运行的稳定性；同时运用RMxprt的参数化分析研究了电机定子槽型、气隙长度、绕组导线直径以及极弧系数对电机某些性能的影响。
通过仿真结果能够对电机参数优化提供理论基础，同时缩短电机设计优化周期。
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通讯作者：嵇艳鞠（1972-），女，教授，博士生导师，主要从事时间域电磁场数值计算及电磁探测技术应用。