基于ANSYS Maxwell的外转子无刷直流电动机分析与设计-田燕飞

基于ANSYS Maxwell的外转子无刷直流电动机分析与
设计
[田燕飞，黄开胜，陈治宇，陈风凯，何建源]
[1.广东工业大学，广东广州510006；
2.苇源电机有限公司，广东佛山528300]
[ 摘要] 为配套中央空调外部风机，本文设计了一款910r/min、9槽10极三相无刷直流电动机，从电动机结构、永磁材料、磁体结构等方面分析了外转子永磁无刷直流电机的设计要求。

利用
ANSYS Maxwell建立了这款电动机的二维有限元仿真模型，对其性能进行了仿真。

最后进行
了试制、调试及试验。

结果表明：外转子永磁无刷直流电动机驱动风机，性能良好，验证了软
件仿真的准确性。

[ 关键词]三相无刷直流电动机；外转子；ANSYS Maxwell；模型；仿真
Analysis and Design of External Rotor BLDCMs Using
ANSYS Maxwell
[TIAN Yan-fei, HUANG Kai-sheng, CHEN Zhi-yu,CHEN Feng-kai]
[1. Faculty of Automation, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China;
2. IVY Motor Limited Company, Foshan 528300, China]
[ Abstract ] A three phase brushless DC motor of 910r/min, 10poles, 9slots, was designed to form a complete set of central air conditioning external air-pumps. The motor structure, material,
magnet structure was designed. A 2D finite element analysis model was established with
Maxwell of ANSYS. The motor performances were simulated. The design scheme was
tested and the sample was manufactured. The external rotor BLDCM was used to drive the
air-pumps. The measured data show that the motor is more advantage for industrialization,
which confirmed the accuracy of the 2D finite element model.
[ Keyword ] three-phase brushless DC motor; external rotor; ANSYS Maxwell; model; simulation
1 前言
外转子三相无刷直流电动机体积小、重量也轻、调速性能好、效率高、输出转矩大，在价格和可靠性方面也有明显的优势。

实践表明：外转子三相无刷直流电动机带动的调速空调风机比普通感应电机带动的空调风机节能20%左右。

由于外转子三相无刷直流电动机效率也有很大的提高，使风机的耗能明显下降；同时这一功率等级的外转子三相无刷直流电动机及其驱动系统的成本很低，其应用前景为广大的家用空调制造厂看好[1]。

对三相无刷直流电动机的尺寸、耐压程度、齿槽转矩等提出新的要求。

因此，合理的电机设计对于三相无刷直流电动机有重要意义。

本文研究的外转子三相无刷直流电动机用于驱动中央空调外部风机，设计了一款9槽10极、910r/min 的三相无刷直流电动机，给出了设计思路，并且利用ANSYS Maxwell 建立了这款电动机的二维有限元仿真模型，对模型的定转子磁场、气隙磁场谐波次数及幅值、磁力线分布情况、齿槽转矩大小、输出转矩大小等进行仿真，并在此基础上制造出了样机，完成了测功试验，验证了Maxwell2D 有限元仿真分析的准确性。

2 三相无刷直流电动机电磁设计
2.1 主要技术指标
本方案的电动机额定功率P N =1600W ，额定电流I N =3.5A ，额定转速n N =910r/min ，输出转矩T=17N*m ，电机效率η=85%以上。

2.2 三相无刷直流电动机主要尺寸的确定
外转子永磁无刷直流电机的设计过程中，需要考考的主要尺寸是电枢直径D f1以及铁芯长度L 、长直径比1
L
f D =
λ由电动机主要尺寸[2]关系可知： δ
AB K K P L n D W i N i φ2
1α1
.6= 其中，n N 为额定转速，取为910r/min ，L 为铁芯长度；P 为计算功率，K φ为极弧系数；
K W 为基波绕组系数，A 为电负荷；B δ为气隙磁密平均值。

电动机的性能和成本的影响主要在于电动机的长径比，一般情况下，电动机的长径比在0.7～1.5左右浮动。

在设计外转子无刷直流电机过程中，考虑到风机尺寸限制及惯性大的特点，外转子电机长径比会适当选择小一些[3]。

2.3 磁性材料的选择
铁氧体和钕铁硼是最常用的永磁材料，钕铁硼磁能积的平方根接近铁氧体的3倍，在电机设计过程中，铁氧体的使用的重量大很多，但钕铁硼磁体的价格昂贵。

对于外转子永磁无刷直流电机，铁氧体磁密值提高主要在于增加磁体的供磁面积和磁体厚度；因此铁氧体永磁电机的体积增加主要是转子外径的增加，所以本设计磁体材料的最理想选择是铁氧体永磁材料。

2.4永磁体结构的选择
表贴式外转子永磁无刷直流电动机常用的磁极结构有瓦片状和圆筒状，如图1所示。

（a）瓦片状 （b）圆筒状
图1 常用磁极形状
本方案设计的电动机采用瓦片状磁极，具有以下优点：
(1)磁体结构是瓦片式更能产生永磁无刷直流电动机所需要的均匀的气隙磁密波形。

(2) 方便对永磁体内圆进行、厚度和极弧宽度进行优化，可以抑制齿槽转矩[3]。

2.5永磁体厚度的选择
永磁体是永磁电机的磁动势源，外转子表贴式结构的永磁体厚度h m按需要的气隙磁通密度通过磁路计算来选择，此外还要考虑抑制最大过流时的去磁能力。

利用ANSYS软件设计电机过程中，可以根据经验预估永磁体的磁化方向长度，从而计算校验出永磁体的空载工作点，使得Bδ=(0.6～0.85)Br[4]。

2.6电枢有效铁芯长度的选择
铁氧体永磁无刷直流电机电负荷大，降低电动机制造成本的关键在于降低铜的用量。

电动机设计中采用较大的铁心长度可以有效的提高电动机铜的利用率，降低电动机的制造成本[5]。

3基于ANSYS Maxwell无刷直流电机的设计及有限元分析
外转子三相无刷直流电动机结构示意图如图2所示，主要结构参数如表1所示:
表1 电动机主要参数表
转子外径：190mm 转子结构：外转子
转子内径：151mm 定子外径：150mm
定子槽数：9 磁钢类型：瓦片状
电枢叠厚：105mm 磁钢材料：铁氧体
极对数：5 磁钢厚度：12mm
气隙结构：均匀气隙单边气隙长度：0.5mm
在CAD中画好电动机定转子冲片和磁极图形，再导入ansys/Maxwell2D中，建立模型，通过定义电动机各部分材料和边界条件，施加激励源和进行网格剖分等步骤[6]。

建立外转子三相无刷直流电动机的二维有限元模型，如图2所示，建模过程如下:
（1）根据已知参数在CAD中画好模型图；
（2）导入Maxwell 2D ，建立三相无刷直流电动机的二维有限元模型；
（3）确定定子、转子冲片材料属性，并且添加磁性材料的B-H 曲线数据，确定永磁体的剩磁Br 和矫顽力Hc ；
（4）确定有限元计算的剖分、激励源及边界条件；确定电动机求解过程中的各种损耗； （
5）确定电动机额定负载、求解时间的步长、运动边界条件等。

图2电动机二维模型
4 电动机有限元仿真结果及分析
4.1 磁场分布
给三相电枢绕组施加3.5A 电流，仿真电动机切向磁云密度分布，如图3所示，从图中可以看出电机磁密最大值为1.6T ，满足设计要求。

图3电机切向磁云密度分布
给三相电枢绕组施加3.5A 电流，仿真电动机在不同位置下的磁场分布，如图4所示。

从图4中可以看出，不同时刻的负载磁场分布图。

主磁通跟转子磁极交链，参与机电能量转换；从图中还可以看出转子磁极漏磁通经过气隙、定子齿后回到转子磁极，不跟定子绕组交链，不参与机电能量转换。

（a ）t=0s （b ）t=0.012s
图4 不同位置电动机磁场分布
4.2 反电势波形
电动机的反电势波形如图5所示，一般情况下电机的反电动势只是接近梯形，该反电势有效值为
154.1V 。

图5 电动机的反电势波形图
4.3 齿槽转矩
在Maxwell 2D 模型中，用电压源计算，电阻设为无穷大，计算后得到电动机的齿槽转矩如图6所示。

从图中可测出齿槽转矩的最大值为0.051N*m 。

图6 电动机齿槽转矩
4.4 气隙磁密
图7 气隙磁密图
利用Ansys 软件的Maxwell 2D 静磁场求解，得到样机气隙磁密的波形图如图7所示，求得静磁场气隙最大磁密B δmax =0.39T ，对气隙磁密傅里叶分解成各次谐波，如图8所示。

图8 气隙磁密FFT 分解图 表2 磁场谐波次数及幅值
谐波次数 3 5 7 9 谐波幅值/T 0.1028 0.0467 0.0254 0.0153 谐波次数 11 13 15 17 谐波幅值/T 0.0095 0.0058 0.0042
0.0032
从图8中求得各次谐波幅值如表2所示。

从表2中求出谐波畸变率为26.92%。

4.5 输出转矩
外转子永磁无刷直流电机在施加410V 电压时，电动机在额定转速n=910r/min 时的电磁转矩曲线如图9所示，其电磁转矩平均值为17.2N.m ，最高点和最低点相差0.64N.m ，输出转矩比较平稳。

图9 电动机输出转矩
5 制作样机试验验证
用测功机对样机进行测试，电机转速调到910r/min ，然后缓慢的人工增加负载，具体实验数据如表3所示。

表3 样机测试值
U（V） I（A） P1（W） M（N.m） Nrpm P2（W） EFF（%） 410.3 0.22 81.65 0.68 910 64.78 79.3 410.7 0.25 93.82 0.80 910 77.06 82.1 411.0
0.33
130.2
1.12
910
107.0
82.2
408.7 0.53 244.8 2.14 910 204.4 83.5
410.5 0.68 323.8 2.86 910 273.0 84.3
410.4 0.85 415.9 3.69 910 351.9 84.6
409.7 1.24 635.1 5.66 910 540.4 85.1
408.8 1.47 762.5 6.82 910 649.7 85.2
409.5 1.94 1032 9.26 910 881.4 85.4
410.9 2.23 1180 10.6 910 1013 85.8
409.5 2.51 1336 12.1 910 1148 85.9
409.2 2.80 1500 13.6 910 1293 86.2
409.5 3.16 1673 15.1 910 1439 86.0
409.1 3.48 1855 16.7 910 1592 85.8
从表3可以看出，样机进行试验，在额定转速910r/min时，随着电动机负载的增加，电动机输入功率也随之增加，电动机的效率一直在79.3%~86.2%之间，这就体现了无刷直流电动机的优势，无论空载还是负载，无刷直流电动机都有较高的效率。

在流体力学原理中，风机负载与转速的立方成正比，通过调节电机的转速可以调节风机的风量，本文的风机常常在50％~60％额定负荷下运行。

传统的感应电机，每时每刻都需要励磁电流，所以风机轻载、低速运行时比满载额定运行时的输入功率减小不多，轻载时效率比较低。

而外转子无刷直流电机，当风机负荷变化时，可以调节转子的转速，能大大减少电机的输入功率，从而达到节约能源的目的。

表4为风机带同一负载，不同转速时电机性能测试值。

从表中可以看出风机带同一负载，在不同转速时电机的效率在75.3%到85.8%之间，这体现了无刷直流电动机节能、高效的优点。

表4 样机测试值
U（V） I（A） P1（W） MN.m Nrpm P2（W） EFF（%）
410.3 0.15 40.65 0.68 150 30.1 75.3
410.7 0.25 150.4 0.80 270 120.1 80.1
411.0 0.74 410.3 1.12 441 107.0 82.2
408.7 1.45 750.3 6.14 590 623.2 83.1
410.5 2.15 1104 10.1 719 931.6 84.5
410.4 2.48 1350 12.1 790 1140 84.5
409.7 2.88 1520 13.2 840 1294 85.1
408.8 3.15 1650 14.9 887 1410 85.5
409.5 3.48 1854 16.7 910 1590 85.8
在额定负载情况下，用Maxwell 2D计算的理论值跟样机的实验值进行对比，如表5所示，从表中可以看出样机理论值跟实测值误差都在3%以内，验证了本设计方案的可靠性。

表5 计算值和测试值
比较项目Maxwell 2D计算值样机测试值误差
电压(V) 410 409.1 0.22%
电流(A) 3.5 3.483 0.48%
转速(r/min) 910 910 0
输出转矩(Nm) 17.2 16.7 2.9%
输入功率(W) 1828 1855 1.48%
输出功率(W) 1600 1592 0.5%
效率(%) 87.5 85.8 1.94%
6结论
本文设计了一款910r/min、9槽10极、1600W外转子三相无刷直流电动机，利用Maxwell 2D软件对该电动机进行了仿真，分析，并与实验值进行了对比，验证了仿真的可靠性。

该电动机已经成功应用于驱动一款中央空调外部风机，并且批量生产，节能效果显著。

[参考文献]
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[2]唐任远．现代永磁电机理论与设[M]．北京：机械工业出版社，199712，113，133
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