基于Ansoft的永磁无刷直流电机性能分析

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。

参考文献
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[9]朱彩虹.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.
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。