无刷直流电机的性能分析

无刷直流电机的性能分析

作者：刘慧博邓冬梅

来源：《科技资讯》2017年第16期

摘要：在对电机进行设计的过程中主要是运用传统的场路耦合法，但这种方法会使所设计的无刷直流电机的磁路计算不准确，使用ANSYS公司的Maxwell电机设计软件可以避免这个问题，并完成对无刷直流电机的性能分析与优化。首先用该软件中的Rmxprt模块所包含的磁路法进行电机模型的确立，并对其中永磁体充磁厚度和气隙长度等数据对电机本体所造成的性能影响进行分析；然后再利用基于有限元法的Maxwell软件的2D单元对所生成的电机本体的完成电磁场仿真，同时对电机进行更为完整的性能分析；最后整理两者所得结果实现对电机最终的优化设计。

关键词：无刷直流电机有限元法性能分析优化设计

中图分类号：TM30 文献标识码：A 文章编号：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

无刷直流电机的基本构造是由电动机本体、功率驱动电路以及位置传感器三者共同组成。无刷直流电机具备结构简单、控制容易和使用效率高等优点。随着电机设计技术、电力电子技术及控制理论的研究与应用，无刷直流电机的一些相关技术已逐渐完善，基于无刷直流电机的设计制造工艺和控制技术也均实现了国际规范化。

而且，相关联的电机优化设计、转矩波动的降低、无位置传感器控制、容错控制等专业型问题也得到了很好的研究和解决。现今，无刷直流电机已经在国防、航空航天、机器人、家用家电、工业自动化以及生产过程控制等范围取得了广泛的普及。

该文首先介绍了无刷直流电机的基本工作原理，利用ANSYS公司的电力电子仿真软件Maxwell建立了无刷直流电机的控制系统的仿真分析模型，对其中气隙长度和永磁体充磁厚度对电机的性能所带来的变化进行了解和分析[1]，建立出电机的仿真模型，对其的各项功能进行验证，最后根据所建模型完成整体的仿真试验。

1 基本结构和工作特点

无刷直流电机在其结构中为了实现无机械接触式的换相，去掉了电刷，并且分别将电枢绕组和永磁磁钢放在定子和转子侧，形成了与传统的直流电动机相反的结构。为了控制电机转速和转向，形成了由位置传感器、控制电路和逆变器等组成的换相单元，如图1所示[2]。

无刷直流电机的定子结构与普通同步电机或感应电机类似。对普遍的无刷直流电机来说，电枢绕组的连接方式主要有两种：星形联结和三角形联结，但由于对系统的性能和成本的要求，现今应用广泛的是电枢绕组三相对称、星形联结的方式。无刷直流电机主要有整距集中式绕组、整距分布式绕组以及短距分布式绕组等线圈绕组形式。使用不同的绕组形式会改变电机的反电动势波形，从而使电机的性能发生变化。普遍情况下，整距集中式绕组能产生较平滑的梯形反电动势波形，短距绕组则能够对转矩波动产生抑制。

转子的结构根据永磁体的放置不同有3种表现形态：表面粘贴式、嵌入式和环形。永磁材料发展至今，主要有钕铁硼、铁氧体和铝镍钴等类型，许多新开发的复合式永磁材料也正慢慢被运用到电机的制造中。

无刷直流电机经常使用的传感器分别有电磁式、光电式和磁敏式等。霍尔传感器是磁敏式传感器的一种，因为它的体积小、使用方便且价格低廉等特点，进而被普遍应用在电机的控制系统中。特殊的集成电路还可以将使霍尔传感器所得到的位置信号转换成数字信号，更好地完成对电机控制的数字化与智能化。

2 气隙长度

气隙长度δ在对电机进行设计的过程中是一个非常关键的环节。对无刷直流电机尤其重要，它不仅影响电动机的电气性能，而且对制造成本也同样会有影响[3]。δ值上升，会对气隙磁场的谐波分量和杂散损耗产生变化，但是却会导致极间的漏磁通增加，使气隙所产生的有效磁通减小，进而减小永磁体的利用率，致使电机的整体性能变差。降低δ值，虽然能够增加无刷直流电动机的抗去磁的能力，极间产生的漏磁通也会减小，同时有效地提高气隙磁通和反电动势，降低成本，但是气隙磁场的谐波分量却会增大，制造和装配的难度也会加大，会产生不小的噪声。δ的取值范围还与永磁体的内禀矫顽力Hc成正比，Hc值较大，δ值可以取较大点；Hc值较小，δ值要取小点。δ的确定还与电机自身的额定功率P的取值相关，功率值越大，δ值也会变大。根据实践的经验可知，当δ值增大0.01 cm，杂散损耗随之减少1.5%～1.7%左右，因此，δ的选取是需要方面综合考虑的。一般无刷直流电机取：