永磁直流电机的有限元仿真设计分析

永磁直流电机的有限元仿真设计分析
摘要：永磁直流电机具有调速范围宽和便于控制的特点外，还具有体积小、效率高、用铜少、结构简单、运行可靠等特点因而在家用电器、医疗设备、汽车电器、音像器具及电动工具等方面具有广泛的用途。

由于存在换向器件及永磁体，永磁直流电机的分析变得比较复杂，借助于电机有限元软件可以方便的更加贴近实际的分析永磁直流电机工作特性，对于设计、改进电机结构，提高电机的运行性能可以提供参考。

关键词：永磁直流电机有限元仿真设计
1 永磁直流电机的结构特点
永磁直流电机的电枢与普通的直流电机的电枢是一致的，永磁体安放在定子上形成定子磁极。

考虑到实际的应用环境，现在的永磁直流电机的体积较小，转子叠片的尺寸比较小，所以永磁体往往采用剩磁较低的铁氧体材料，直接安装在精钢材质的机壳上，这样可以取得比较理想的电磁负荷[1]，如图1所示。

2 永磁直流电机的分析特点
在进行永磁直流电机的设计时，尤其是换向结构的设计决定了电机的工作性能，大多数实际上主要依赖人员的经验和实验反复校正来保证电机性能，延长了产品的开发周期和增大了开发成本。

由于来自成本、质量、开发周期等等因素日益紧迫的要求，迫切需要一种能够对直流电机快速、准确分析的解决方法。

1988年m. marinescu提出了一种永磁有刷直流电机的数学模型，这种数学模
型假设气隙磁场分布呈矩形分布。

这种假设将导致在预测感应电压、磁链、转矩等等方面出现明显的偏差[2]。

有学者通过建立电枢表面气隙磁场的解析表达式，据此计算电机的工作特性，使快速分析电机的性能问题的解决成为可能[3]。

这种解析计算较经典换向理论有了很大的发展，但是解析式过于复杂难以直接应用与实际操作中。

近年来电机分析软件快速发展，尤其是电机电磁场有限元分析软件ansoft maxwell 2d以其操作方便快捷、结果准确可靠得到了广泛的应用。

ansoft maxwell2d的瞬态场功能采用先进的运动表面算法，无论分析或计算物体移动到任何时刻和角度都无需对模型进行重新剖分就可以快速精确的仿真电磁场二维时变问题。

在较新的ansoft maxwell 2d 版本中，其自带的circuit editor 中包含了commutator bar（换向器模型）和commutator bar model （换向器参数设定模块）元件，如图2所示。

运用commutator bar可以方便的来连接外部电源与电机转子绕组的接口；commutator bar model用以设置换向器的参数，如滑环、电刷的几何尺寸，两者之间的接触电阻等，通过修改该模块的参数可以分析不同的换向器对电机运行性能的影响。

在连接外电路时候，需要把绕组电阻和端部漏感同绕组本身的电感一同串联接入。

绕组的电阻和端部电抗值可以通过常规电机设计公式计算出来。

端部漏感值会随着电流变化而发生改变，表现为随外电路电压源变化而变。

端部漏感与绕组电阻的准确性将对结
果电流的波形产生一定影响。

这个外电路主要用以控制各绕组通电顺序，实际上实现了电刷的换向职能。

如图3所示。

3 仿真分析结果
在circuit editor中完成外电路设置后，通过其maxwell circuit 菜单下的export netlist选项导出sph文件；在ansoft maxwell 2d 中将激励方式设置为external并通过external circuit下的edit external circuit导入之前生成的sph文件。

在设置运算步长时要根据电机的转速来确定，一般在转子每转过1°计算一次。

空载时的结果曲线如图4所示。

空载启动并在0.5s时突加0.23n的负载转矩时，速度及转矩的结果曲线如图5、6所示。

同时还可以通过查看不同时刻，即不同转子位置的电机磁场分布，以确定电机的电磁负荷是否合理，某时刻的电机磁场分布如图7所示。

4 结论
利用ansoft maxwell 2d结合其circuit editor可以方便的对永磁直流电机进行完整的仿真，通过查看分析其输出曲线及电机本体的磁场分布情况，可以分析电机设计的数据是否合理，为该类电机的设计分析提供了有益的参考。

参考文献：
[1]方一鸣.小功率永磁电动机对铁氧体永磁材料的要求.电器新技术，1989年01期48-51.
[2]h am eyer k.，b elm ans r.j.m.perm anen t m agnet excitedb rushed dc m otors[j].ieee t ran s.industrial e lectron ics，1996，43（2）：247-255.
[3]王秀和，张端桥，唐任远.永磁直流电动机气隙磁场的解析计算[j].电工技术学报，1999，14（5）.
[4]崔淑梅，陈钊，宋立伟.直流电机换向有限元仿真模型的研究[j].微电机，2011，44（2）：1-5.。