基于Ansoft的无刷直流电机设计与分析

基于 Ansoft的无刷直流电机设计与分析

米广庆

中国航发哈尔滨东安发动机有限公司 黑龙江省哈尔滨市 150066

摘要：无刷直流电机集各种相关科技的发展成果于一身，克服了电刷和换向器带来的缺点，保留了良好的机械特性与调节特性，使之逐渐在各领域崭露头角。利用 Ansoft 软件，设计一款额定转速 5200 r /min，12 槽 16 极三相永磁无刷直流电机，从电机的结构尺寸、永磁材料方面分析了电机的设计要求。利用软件中的 ＲMxprt 和 Maxwell 模块建立了电机的仿真模型，得到了空载和负载情况下电机性能曲线。最后制造出原理样机并搭建了测试平台进行试验，获得了电机的机械特性曲线。结果表明: 电机工作稳定满足设计要求。

关键词：Ansoft; 无刷直流电机; 电机设计

我国的风机数量巨大,耗电量惊人,风机节能越 来越受到大家的关注,而变速节能是风机节能领域 的重要环节。永磁无刷直流电机可以通过控制电路 的占空比来进行无极调速,且调速范围宽,还有具有 不失步、功率密度高和高效节能等优点,特别适合 在通风机等风机节能领域中使用。永磁无刷直流电机是一种不需要机械电刷的新型电机，因其结构简单、可靠性好、效率高，在工业领域得到广泛应用，近些年，出现了无位置传感器的无刷直流电机，由于不需要传感器检测转子的位置，使得电机的结构更加简单，进一步增强了电机的可靠性，扩大了电机的使用范围。

一、永磁无刷直流电机

从发明至今，直流电机不论是在家用电器还是工业通用领域都有着广泛的应用。然而，由于直流电机的换相均通过电流换相完成，传统的直流电机的换相都是通过机械电刷和换向器完成，在其接触面上不可避免地存在摩擦，这些摩擦就造成了火花产生、噪音出现、维修困难的缺点，除此之外，制造成本也限制了其发展。半导体技术的兴起推动了电力电子技术的发展，大功率电子开关器件得到广泛应用，经过长期的应用，这种电机的优点逐渐体现出来，比如：更加优秀的转矩转速特性、高速动态响应、高效率、长寿命、低噪声、高转速、无换向火花、运行可靠和易于维修等[1]。

永磁无刷直流电机应用，BLDCM 在做电动机使用时表现出的种种优势，使研究学者们更加热情地投入到它的研究中，这也促进的它在工业领域更广泛的应用。它的主要应用有如下方向：家用电器中的应用：随着能源资源的日益匮乏，现在广大消费者们的注意力已经从家电的使用状态转移到了节能、智能等方面，比如变频空调的出现；办公自动化领域的应用：在办公室随处可见的激光打印机、电脑的机械硬盘、传真机等办公设备，BLDCM 正在逐步改变我们的生活；汽车用永磁无刷直流电机：随着环境污染的日益严重，越来越多大型汽车企业将重心放在了电动汽车的研究中，无疑 BLDCM 在此方面有很好的应用前景； 航空航天用永磁无刷直流电机：高速离心泵、高速摄像枪以及无人机的动力马达等，这对 BLDCM 的性能要求极高。

二、电机结构设计

本设计是外转子无刷直流电机，主要应用于各种小型轿车。这种电机体积小、重量轻、转速高、功率密度高。为了满足要求，电机采用的是分数槽集中绕组利于无刷电机的小型化、轻量化，同时研究表明对于小功率的电机一般选用的槽数和极对数都比较小，而且槽数和极数大致相等的情况下，电机的性能更好。因此，本文设计的外转子电机相数m = 3，槽数 S = 12，极对数 P = 8。

1、主要的性能参数。表给出的是电机设计的技术要求，这些参数是仿真分析和样机测试结果的验证参照。

2、主要的结构尺寸。电机的主要结构尺寸主要是指定子铁心的外径及其有效长度，它决定了电机的外形、体积、重量及经济成本，主要尺寸的确定不仅受限于电机的技术参数，还受限于用户提出的具体应用场合及其安装位置。在电机设计中，主要尺寸与电机功率、永磁体极弧系数、电负荷、磁负荷等有关系，具体主要尺寸的确定按下列公式进行:

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之间浮动［3］。在外转子无刷直流电动机设计过程中，考虑到电机工作环境的尺寸限制，外转子电机长径比会适当选择小一些。可确定电机的主要尺寸: Da = 36. 4 mm，Lef = 15. 6 mm。

3、定子铁芯的冲片结构。无刷直流电机铁芯的冲片结构对电机的性能有十分重大的影响。冲片的结构决定着铁芯齿的形状，绕组线圈是缠绕在齿上，磁力线的分布走向跟槽型结构关系巨大。同时槽型结构也决定着线圈绕组的匝数，决定着旋转磁场的大小，而且不同的槽型结构也决定着加工生产的难度。一般小功率无刷直流电机多选用斜肩圆底槽、梨形槽、半梨形槽等结构。

4、永磁材料和安装结构的选择。目前无刷直流电机常用的永磁材料有 :铝镍钴、铁氧体、钐钴及钕铁硼。本设计的电机是用于汽车内部，要求体积小重量轻功率密度高。所以选择高性能的永磁材料对电机的性能、体积、重量都有很大的影响，因此选择粘结的钕铁硼材料。对于小功率的外转子无刷直流电机，常用的磁极结构都采用表贴式，表贴式结构有其自身特殊优点: 结构简单、容易生产制造，永磁体容易进行优化设计等。本设计的电机转子结构直径较小，厚度较薄，磁极对数较多，故采用圆环式磁极结构更容易安装固定，获得精确的结构尺寸。

三、 Maxwell 2D 有限元分析

在 Ansoft 软件中 RMxprt 模块Analysis Setup 下有直接一键生成 Maxwell 2D 模型的功能，直接转换的电机模型包括边界条件、激励源、网格剖分以及仿真设置都非常完整。

1、磁场分布。电机空载时瞬态磁密云图的分布，磁密最大在定子齿部为 1. 9 T 左右而定转子选择的铁磁材料为 DW310－35，该材料的饱和点为 2. 25 T 左右，因此磁路未饱和; 图是磁力线回路分布，说明磁路的运动也是合理的。

2、气隙磁密。电机径向气隙磁密的分布，是通过Maxwell calculator 得到气隙磁密的大小在 1.0T 左右; 是满足电机额定工作的运行要求。

3、反电势波形。空载时电机三相的反电势波其有效值约为 22 V，符合无刷直流电机最佳工作性能范围是额定点空载反电势/额定电压 = ( 0. 88 ～0. 92) ［1］，同时无刷直流电机是进行方波控制的，三相反电势呈梯形状符合控制的要求。

4、启动特性

图是仿真电机从启动开始到电机稳定工作时的电磁转矩波形图，从图中可以看出电磁转矩的工作稳定值约为 0. 125 N·m 左右，符合额定扭矩的要求，电机从启动开始到电机稳定工作时的转速，启动时电机转速迅速上升，到正常工作时逐渐稳定在 5250 r /min 左右，也满足要求。

3、原理样机制造与测试。本电机的测试平台是由阻尼器、示波器、霍尔传感器、控制器、联轴器、电机、电源、固定架等搭建构成。通过阻尼器加载，测试电机从最大转速到发生堵转时的电流、输出功率、效率的变化。

该电机的机械特性曲线图如图所示，在图中可以看出在最大效率点 a处约为 85%，所对应的转速 b 点约为 5250 r /min，输出功率 c 点约为 70 W，工作电流 d 点约为 3. 5 A，工作扭矩约为 0. 13 N·m，这与电机设计的额定工作点基本一致，说明通过实际测试该电机工作性能达到要求，同时与仿真软件分析的结果相同，也验证了软件仿真分析的合理性。

基于Ansoft 软件设 计了一 款额定转速5200 r /min，12 槽 16 极的三相无刷直流电机，利用软件 Ansoft 进行电机设计和仿真分析，制造了原理样机并搭建测试装置进行了试验，最后得出电机实际工作平稳运行，性能符合各项技术参数要求。

参考文献：

［1］韦忠朝，高信迈，孙剑波.基于Ansoft外转子无刷直流电机设计［J］.湖北工业大学学报，2019（1）：58-61.

［2］黄坚，郭中醒.风机用无刷直流电机设计与驱动控制研究［M］.上海：上海科学技术出版社，2019.

［3］朱慧清.轧钢辊道用永磁无刷直流电机的有限元分析［D］.广州：华南理工大学，2019.