基于Ansoft Maxwell對永磁有刷直流電機的設計與分析

王洪申，徐鵬飛，汪雨蓉，豆永坤

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基于Ansoft Maxwell對永磁有刷直流電機的設計與分析

王洪申，徐鵬飛，汪雨蓉，豆永坤

(蘭州理工大學機電工程學院，甘肅蘭州 730050)

本文結合Ansoft Maxwell軟件，對永磁有刷直流電機主要參數進行計算，從而確定電機定轉子結構參數和繞組參數。利用Ansoft Maxwell中的RMxprt模塊對電機進行結構設計和性能分析，得到轉速和輸入電流、空載下氣隙磁通波形等之間的關系。根據RMxprt的設計數據可以在Maxwell 2D模塊中生成模型，可以對磁場進行進一步的有限元分析，得到磁通密度云圖，磁密矢量圖。

Ansoft maxwell；永磁有刷直流電機；性能分析；RMxprt

0 引言

永磁有刷直流電機是在直流電機的基礎上用永磁鐵替換原有磁體材料建立的主磁場。直流電動機采用永磁勵磁后，因省去了勵磁繞組，降低了勵磁損耗，使其具有結構簡單、體積小、效率高、結構簡單、用銅量少等優點。常用的永磁電機種類可分為以下幾種：永磁有刷直流電動機、永磁無刷直流電動機、永磁同步直流電動機、調速永磁同步直流電動機等四類，由于磁鋼內部的磁場相當復雜，電機漏磁場的分布和計算也很復雜，再考慮到磁鋼本身性能的實際數值與設計所依據的數值之間有一定的誤差，因此永磁電機的設計和計算誤差一般較大。在設計中常采用試探法，試探法就是利用經驗數據或經驗公式，初定一些尺寸和數據后，再進一步計算，然后根據計算的結果校驗這些試探的尺寸和數據是否合適，如果不合適再進行修改[1]，使得設計周期較長，經常重復操作。

Ansoft Maxwell是一種用于開發各種機電產品（如電機，作動器，電感器，變壓器，磁傳感器、導線）的電磁場分析軟件，并且可以直觀地顯示物體的電磁場分布。通過軟件分析得到的仿真結果，可以很容易地與實驗數據進行比較[2]。

Ansoft Maxwell具有直觀易用的GUI界面，自動自適應網格求解器，確保穩定性，高精度的解決方案，軟件的簡單易用使得初學者也可以使用相同的軟件達到與專家使用軟件分析后的結果類似，獲得準確的分析結果。在電機設計中，用該軟件作為輔助，可快速修改不合適的參數，提高效率[3]。

本文借助于Ansoft軟件中的RMxprt電機設計模塊，對永磁有刷直流電機進行結構設計，同時對電機在空載狀態下機械性能和效率進行了分析，再導入Maxwell 2D環境中，設置邊界條件，加載激勵源，建立一個完整的模擬仿真環境。通過對電機的瞬態模型進行有限元分析，得到了磁力線分布、磁密云圖和磁密矢量圖。

1 永磁電動機的設計

1.1 電機設計原理

永磁有刷直流電機的設計包括：電機的主要尺寸的確定、磁路計算、參數計算如繞組電阻的計算等、損耗和效率。

永磁鐵是永磁有刷直流電機中的一種磁源，也是磁路中不可或缺的的一部分。永磁鐵的磁性與永磁體的形狀和大小，導磁體的容量和磁化的強度有很大的關系，并且永磁體可以提供的磁通量和磁動勢，隨其余的材料屬性，尺寸和電機運行狀態而變化。此外，漏磁通路徑非常復雜，鐵磁材料部分相對飽和，磁導的變化又是非線性的，這些變化的環境和參數增加了對永磁電機的電磁計算的難度和復雜性，所以計算結果的準確性常常低于電勵磁電機的計算準確性[4]。

目前在很多電機工程計算問題中，仍采用“場化路”的方法簡化計算。簡而言之就是將磁場的計算轉化為磁路的計算，然后在計算過程中添加必要的修正系數進行修正，使得磁場中對應點之間的磁位差等于各段磁路的磁位差，這樣可以大大減少計算所需的時間[5]。上述方法雖然提高了效率，但采用了理想化的條件使得設計精度較低。Ansoft軟件采用有限差分法、積分方程法、邊界元法等提高了設計精度。

不同的環境，對電機的結構尺寸和性能的要求不一樣。因而在設計電機時，對永磁材料的選擇，槽數、級數、槽形等的設計都有很大的差異。

本文將根據某航空企業提供的永磁有刷直流電機的設計要求，結合Ansoft Maxwell軟件對永磁有刷直流電機進行設計和分析。

電機設計參數如表1所示。

表1 設計參數

Tab.1 Design Parameters

轉子沖片結構如圖1所示[6]，根據沖片尺寸確定永磁直流電機的槽形是圓形槽[7]，沖片的詳細尺寸如表2所示。

表2 沖片尺寸

Tab.2 Punch size

繞組數據如表3。

表3 繞組數據

Tab.3 Winding data

1.2 電樞外徑計算

由轉子外徑可知D=1.75 cm

式中

永磁電機的電負荷A的取值范圍通常為30~ 100 A/cm。對于小型電動機，一般取A=100~300 A/cm，當功率較小時，通常取最小值[8]。本文中：

A—電負荷，A=60 A/cm;

（3）

（4）

電樞計算長度：

1.3 定子尺寸

由于設計條件可知機殼外徑為27 mm.

磁鋼外徑：

磁鋼內徑：

（7）

1.3 電樞繞組計算

電樞繞組總導體數

（9）

式中：

a=1；P=1

每槽導體數

每線圈匝數

取; （11）

（13）

2 電機性能分析

2.1 電機二維模型的建立

RMxprt的仿真計算是基于電機等效電路、磁路法的計算方法，可以對三相異步電動機、直流電機、同步電機永磁無刷直流電機模型進行仿真，具有建立模型簡單快捷，參數調整方便等優點，同時還具有一定的精度和可靠性，可以快速生成2D和3D模型，為有限元求解奠定基礎。借助于Ansoft中RMxprt模塊可快速設計出永磁直流電機的二維模型，同時進行定子、轉子參數設計，永磁材料的B-H曲線如圖2所示等相關尺寸設計。通過Ansoft中的Create Maxwell 2D Design功能生成的2D模型如圖3所示。通過Create Maxwell 3D Design 生成如圖4的三維模型[9]。

圖2 永磁材料B-H曲線

圖3 永磁有刷直流電機二維模型

圖4 永磁有刷直流電機三維模型

2.2 電機性能曲線

電機的性能曲線包含了電機運行時的典型工作曲線，為方便觀察，選取了轉速與輸入相電流、轉速與效率、轉速與輸出功率、齒槽轉矩曲線、轉速與輸出轉矩、額定轉速下線圈感應電勢波形[10]、空載下氣隙磁通波形之間的關系分別對應圖5-圖11所示。通過曲線可以很直觀的看出電機的性能。

根據圖7中所示，當永磁有刷直流電機的轉速達到14000 r/min時效率達到70%符合設計要求。

從圖8中可以看出，當轉速達到8000 rpm時輸出功率最高。

圖5 轉速與輸入相電流曲線

圖6 轉速與效率曲線

圖7 轉速與輸出功率曲線

圖8 轉速與輸出轉矩曲線

圖9 齒槽轉矩曲線

圖10 額定轉速下線圈感應電勢波形曲線

圖11 空載下氣隙磁通波形曲線

3 電機有限元分析

3.1 電機有限元分析的步驟

通過圖12有限元分析流程圖可直觀的看出電機有限元分析的步驟和驗證檢查的重要性。通過驗證檢查可以檢查出需要設置的條件是否有遺漏，對設置合適運動條件、邊界和網格剖分是非常重要的一環。

圖12 有限元分析流程圖

3.2 網格剖分

網格劃分是進行有限元分析的前提，網格的質量和網格剖分的類型決定有限元計算的精度。一般來說，高質量的離散網格，不僅要求有足夠多的節點數，同時還必須保證單元網格大小的合理性[11]。

Ansoft中網格剖分采用了金字塔型剖分結構，進行網格剖分時，可以不需要用戶過多的參與，直接利用內置的自適應網格剖分功能，就可以得到正確的計算結果。網格剖分設置有如下三種：

（1）On Selection剖分設置

在On Selection剖分設置中分為Length Based Refinement和Skin Depth Based Refinement設置。On Selection剖分設置，主要作用在剖分模型邊界上，與Inside Selection形成鮮明的對比。

（2）Inside Selection剖分設置

Inside Selection與On Selection項相互對應，On Selection項設定的是模型的邊界層附近，相反Inside Selection項設定的是模型整個內部的剖分，這對于不同的網格剖分要求，其選擇的類型是不同的。

（3）Surface Approximation剖分設置

上述介紹的兩種剖分形式是對模型的外邊界和內部進行剖分設置。Surface Approximation，顧名思義，它所分割的物體是對邊界是曲線類的模型做進一步的細致剖分。

本文中采用Inside Selection剖分方法，對模型整個內部的剖分，模型剖分如圖13所示。

圖13 模型剖分圖

3.3 有限元分析結果及性能分析

對永磁直流電機進行分析計算時，分為空載和負載兩種環境[12]。空載和負載的最主要的區別是加載的激勵源是否為零，在進行空載特性分析時，只需將激勵源中的電流改為零即可。電機空載時定子繞組的等勢磁力線如圖14所示、磁通密度云圖如圖15所示，磁密矢量圖如圖16所示。通過磁密云圖可知，電機在空載運行模式下，磁密最大為1.2T，與設置的初值相符，符合要求。

4 結論

本文運用Ansoft Maxwell軟件，結合RMxprt同時運用RMxprt 模塊分析了對電機定子槽型、線電機快速求解模塊，完成了永磁直流電機的設計，圈繞組等影響電機性能的參數。運用Maxwell 2D環境對電機在空載運行環境下進行有限元分析，得到磁力線分布圖、磁密矢量圖等結果。Ansoft仿真結果能夠對電機參數和結構優化提供理論基礎，生成的3D模型對進一步的優化分析奠定了基礎，極大的縮短了電機設計和優化周期。

圖15 磁通密云分布圖

圖16 磁密矢量圖

[1] 戴文進. 電機設計[M]. 北京:清華大學出版社, 2010.

[2] 趙博. Ansoft 12在工程電磁場中的應用[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2013.

[3] ANSYS中國合作伙伴-恩碩科[EB/OL].技. http://www.aonesoft. net/ansys/maxwell.html

[4] 曾曉珊. 永磁直流電機的有限元分析[D]. 華南理工大學碩士學位論文, 2014.

[5] 周鳳爭, 劉寶成, 唐慶華等. 2_3 kW高速永磁無刷直流電機轉子動力學分析[J]. 軟件, 2009, 42(9): 9-14.

[6] 金鑫. 永磁無刷直流電機的設計與電磁分析[D]. 南京理工大學碩士學位論文, 2013.

[7] 閻治安, 崔新藝, 蘇少平等. 西安: 西安交通大學出版社[M], 2008.

[8] Ming Cheng, K. T. Chau, C. C. Chan. Static characteristics of a new doubly salient permanent magnet motor[J]. IEEE Trans on Energy Conversion 2001, 16(1): 20-25.

[9] 王廣生, 黃守道, 高劍. 基于Ansoft軟件設計分析內置式永磁同步電機[J]. 2011, 44(2): 70-73.

[10] RMxprt. 電機設計用戶手冊[Z]. Ansoft公司.

[11] 王瑋. 永磁電機的設計與分析[D]. 南京理工大學碩士學位論文, 2014.

[12] 崔天翔. 基于Ansoft的永磁啟動電機的建模與性能優化[D]. 西南交通大學碩士學位論文, 2015.

Design and Analysis of Permanent Magnet Brush DC Motor Based on Ansoft Maxwell

WANG Hong-shen, XU Peng-fei, Wang Yu-rong, Dou Yong-kun

(Collage of Electrical and Mechanical Engineering, Lanzhou University of Technology, Gansu Lanzhou 730050, China)

Combining with Ansoft Maxwell Solftware, this paper calculates the main parameters of Permanent magnet brush DC motor, then determines the structure parameters and winding parameters of motor stator and rotor. Then structure design and performance analysis of the motor are performed by using the RMxprt module in Ansoft Maxwell, which obtains the relationship among the rotational speed, the input current and the Air-Gap Flux Density under no-lood. According to the RMxprt design data, the Maxwell 2D module can generate modules and carry out a further finite element analysis for magnetic flux density map and flux vector diagram.

Ansoft maxwell; Permanent magnet brush DC motor; Performance analysis; RMxprt

TM302

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.04.005

國家自然科學基金資助項目(61262045)

王洪申(1969-)，男，甘肅籍，博士，教授，研究方向為CAD/CAM/CAE、微電機設計與性能分析；徐鵬飛(1992-)，碩士在讀，研究方向為CAD/CAM/CAE，微電機性能分析；汪雨蓉(1992-)碩士在讀，研究方向為CAD/CAM/CAE，計算機圖形學；豆永坤(1989-)，碩士在讀，研究方向為CAD/CAM/CAE，數字圖像處理。

本文著錄格式：王洪申，徐鵬飛，汪雨蓉，等. 基于Ansoft Maxwell對永磁有刷直流電機的設計與分析[J]. 軟件，2017，38（4）：26-31