無刷直流電機的性能分析

劉慧博+鄧冬梅

摘 要：在對電機進行設計的過程中主要是運用傳統的場路耦合法，但這種方法會使所設計的無刷直流電機的磁路計算不準確，使用ANSYS公司的Maxwell電機設計軟件可以避免這個問題，并完成對無刷直流電機的性能分析與優化。首先用該軟件中的Rmxprt模塊所包含的磁路法進行電機模型的確立，并對其中永磁體充磁厚度和氣隙長度等數據對電機本體所造成的性能影響進行分析；然后再利用基于有限元法的Maxwell軟件的2D單元對所生成的電機本體的完成電磁場仿真，同時對電機進行更為完整的性能分析；最后整理兩者所得結果實現對電機最終的優化設計。

關鍵詞：無刷直流電機 有限元法 性能分析 優化設計

中圖分類號：TM30 文獻標識碼：A 文章編號：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

無刷直流電機的基本構造是由電動機本體、功率驅動電路以及位置傳感器三者共同組成。無刷直流電機具備結構簡單、控制容易和使用效率高等優點。隨著電機設計技術、電力電子技術及控制理論的研究與應用，無刷直流電機的一些相關技術已逐漸完善，基于無刷直流電機的設計制造工藝和控制技術也均實現了國際規范化。

而且，相關聯的電機優化設計、轉矩波動的降低、無位置傳感器控制、容錯控制等專業型問題也得到了很好的研究和解決。現今，無刷直流電機已經在國防、航空航天、機器人、家用家電、工業自動化以及生產過程控制等范圍取得了廣泛的普及。

該文首先介紹了無刷直流電機的基本工作原理，利用ANSYS公司的電力電子仿真軟件Maxwell建立了無刷直流電機的控制系統的仿真分析模型，對其中氣隙長度和永磁體充磁厚度對電機的性能所帶來的變化進行了解和分析[1]，建立出電機的仿真模型，對其的各項功能進行驗證，最后根據所建模型完成整體的仿真試驗。

1 基本結構和工作特點

無刷直流電機在其結構中為了實現無機械接觸式的換相，去掉了電刷，并且分別將電樞繞組和永磁磁鋼放在定子和轉子側，形成了與傳統的直流電動機相反的結構。為了控制電機轉速和轉向，形成了由位置傳感器、控制電路和逆變器等組成的換相單元，如圖1所示[2]。

無刷直流電機的定子結構與普通同步電機或感應電機類似。對普遍的無刷直流電機來說，電樞繞組的連接方式主要有兩種：星形聯結和三角形聯結，但由于對系統的性能和成本的要求，現今應用廣泛的是電樞繞組三相對稱、星形聯結的方式。無刷直流電機主要有整距集中式繞組、整距分布式繞組以及短距分布式繞組等線圈繞組形式。使用不同的繞組形式會改變電機的反電動勢波形，從而使電機的性能發生變化。普遍情況下，整距集中式繞組能產生較平滑的梯形反電動勢波形，短距繞組則能夠對轉矩波動產生抑制。

轉子的結構根據永磁體的放置不同有3種表現形態：表面粘貼式、嵌入式和環形。永磁材料發展至今，主要有釹鐵硼、鐵氧體和鋁鎳鈷等類型，許多新開發的復合式永磁材料也正慢慢被運用到電機的制造中。

無刷直流電機經常使用的傳感器分別有電磁式、光電式和磁敏式等。霍爾傳感器是磁敏式傳感器的一種，因為它的體積小、使用方便且價格低廉等特點，進而被普遍應用在電機的控制系統中。特殊的集成電路還可以將使霍爾傳感器所得到的位置信號轉換成數字信號，更好地完成對電機控制的數字化與智能化。

2 氣隙長度

氣隙長度δ在對電機進行設計的過程中是一個非常關鍵的環節。對無刷直流電機尤其重要，它不僅影響電動機的電氣性能，而且對制造成本也同樣會有影響[3]。δ值上升，會對氣隙磁場的諧波分量和雜散損耗產生變化，但是卻會導致極間的漏磁通增加，使氣隙所產生的有效磁通減小，進而減小永磁體的利用率，致使電機的整體性能變差。降低δ值，雖然能夠增加無刷直流電動機的抗去磁的能力，極間產生的漏磁通也會減小，同時有效地提高氣隙磁通和反電動勢，降低成本，但是氣隙磁場的諧波分量卻會增大，制造和裝配的難度也會加大，會產生不小的噪聲。δ的取值范圍還與永磁體的內稟矯頑力Hc成正比，Hc值較大，δ值可以取較大點；Hc值較小，δ值要取小點。δ的確定還與電機自身的額定功率P的取值相關，功率值越大，δ值也會變大。根據實踐的經驗可知，當δ值增大0.01 cm，雜散損耗隨之減少1.5%～1.7%左右，因此，δ的選取是需要方面綜合考慮的。一般無刷直流電機取：

在保證其他數據不變的情況下，改變氣隙長度δ，使用Maxwell軟件中的RMxprt模塊來對電機進行仿真觀察性能參數的變化，如表1所示。

從表1可以知道在保證電機直徑、槽數和極數等參數不變的情況下，δ值改變，輸入電流、氣隙磁密、定子軛磁密等也會隨之改變。

3 永磁體尺寸

永磁體的尺寸也是影響電機設計的一個重要的參數。永磁體尺寸主要是指永磁體充磁方向厚度、永磁體極弧寬度和磁極軸向長度，其中最主要的是永磁體充磁厚度的取值，它是能夠直接影響到電機磁路磁動勢平衡，理論上來說，永磁體的充磁厚度越大越好，磁體越大，電機輸出的機械特性就越硬，抗去磁能力就越強，但是卻會造成材料的浪費，而且永磁材料的價格高昂，相應的成本也會增加[4]。通常情況下，根據工程經驗，永磁體的充磁厚度取7～10倍的氣隙長度。

由式2可知，氣隙磁密與永磁體充磁厚度的取值成正比，增加磁極厚度隨之氣隙磁密也會增大，因此，在對磁路結構進行設計中更好地完善電機各項性能的變化性。在保證其他數據不變的情況下，改變永磁體的厚度，使用Maxwell軟件中的RMxprt模塊來對電機進行仿真觀察性能參數的變化，如表2所示[5]。

由表2可看出，磁化厚度的變化對電動機的性能有很大的影響。其中氣隙磁密會隨著磁化厚度的增加而變大，這與式2所得到的結論一致，而且還可以看出定子齒和軛的磁密也是與磁極的厚度成正比的。因此，在確定永磁體的充磁厚度時，既要保證氣隙磁密足夠大，又要減小定子齒軛磁密使電機工作在最佳工作點。

4 無刷電機的Ansoft軟件建模

基于磁路法的電機設計工具RMxprt是Ansys公司的一款專用于電機設計的軟件。運用RMxprt模塊能夠快速地完成對電機設計方案的評估和對設計的優化，縮短電機設計所用時間，并且還可以輸出電機的有限元模型以及電機整體的仿真模型，還可以計算出各種電機（同步電機、感應電機、電子或機械換向電機等）的多項性能指標。

該文設計的電機RMxprt模型的定子沖片及槽型和轉子橫截面如圖2所示[6]。

將RMxprt所設計出來的無刷直流電機模型生成Maxwell 2D模型，圖3是所設計的電機的磁力線分布圖，無刷直流電機永磁體產生的磁通分為主磁通和漏磁通，主磁通是經過氣隙進行能量轉換，漏磁通則是經過漏磁路實現閉合，從圖3中能夠看出電機的漏磁鏈較小，所以，電機的設計還是比較合理的。

圖4是磁密云圖，無刷直流電機的磁勢主要是由永磁體勵磁，不像電磁式同步電機勵磁可任意調節，所以，它的工作點是由電機的磁路參數決定的。從圖4中可以看出，電機去磁最嚴重的時候，永磁體每一點的磁密值都比退磁曲線拐點處的磁密值高，所以，永磁體不會出現退磁。

圖5是氣隙磁密分布曲線，從圖中能夠看出電機的氣隙磁密諧波較為豐富，曲線有明顯的變化。但電機的氣隙磁場波形的各次諧波的幅值都較小，所以，波形近似為梯形波。

圖6為無刷直流電機電流與轉速關系波形圖，圖7為無刷直流電機效率與轉速關系波形圖。從仿真得出的結果能夠看出所設計的電機的內部磁場的分布情況及電機的各項運行特性，進而對電機設計的合理性進行驗證。

5 結語

該文主要是運用ANSYS Maxwell軟件先設計了一臺無刷直流電機，再通過改變永磁體磁化方向長度和氣隙來檢驗電機的性能，仿真結果比較準確地反映出無刷直流電機的磁場分布及反電動勢等特性，并得出以下結論。

（1）永磁體的選取和尺寸大小的確定能夠直接影響電機的性能和體積。

（2）無刷直流電機是由永磁體供應能量，再以氣隙磁場作為媒介實現能量的轉換，適當的氣隙長度能夠增加電機的效率。

（3）通過ANSYS軟件提供的氣隙磁密、磁力線分布等曲線，使電機的優化設計更為的便利。

所以，優化電機的設計（包括電磁和結構設計），可以提高電機的效能值，并減小電機的體積和重量，降低電機的生產成本。

參考文獻

[1] 趙強，趙爭鳴，高徐嬌.永磁電機中永磁體尺寸優化設計[J].電機電器技術，2001（3）：2-5.

[2] 薛勘申，方程，沈圍，等.定子槽數和氣隙長度對髙速永磁無刷電動機性能的影響[J].微特電機，2011（7）：21-24.

[3] 葉金虎.現代無刷直流永磁電動機的原理和設計[M].科學出版社，2007.

[4] 李鐘明，劉衛國.稀土永磁電機[M].國防工業出版社，1999.

[5] 劉慧娟，上官明珠，張穎超，等.Ansoft Maxwell 13電機電磁場實例分析[M].國防工業出版社，2014.

[6] 劉國強，趙凌志，蔣繼婭.Ansoft工程電磁場有限元分析軟件[M] 北京：電子工業出版社，2005（5）：93-94.