【《无刷直流电机的设计与ANSYS有限元仿真研究》15000字】

无刷直流电机的设计与ANSYS有限元仿真研究摘要永磁无刷直流电动机是由一个或多个永磁体建立磁场的直流电动机。其性能类似于恒励磁分励直流电动机，通过改变电枢电压可以方便地调节转速。与单独励磁直流电动机相比，具有体积小、效率高、结构简单、耗铜少等优点，是低功率直流电动机的主要类型。本文论述了永磁无刷电机的基本原理，包括其结构、分类和运行性能。给出了电机设计的一般过程。根据电机设计的要求和指标，采用传统的解析法对电机进行初步设计。用电机本体的设计来提高了无刷直流电机的性能。利用Ansys/Maxwell分析软件中的电磁仿真模块建立了无刷直流电动机的有限元模型，研究了电机内部的电磁场分布。同时，对无刷电机的结构参数进行了准确的仿真验证，研究了结构参数对电机性能的相关影响。根据仿真得到的样本数据，相关优化算法不断为电机设计提供理论依据。关键词：无刷直流电机；有限元分析；参数设计；磁路计算目录TOC\o"1-3"\h\u13895第一章绪论 第一章绪论1.1课题背景永磁无刷直流电动机是由一块或多块永磁体建立起一个磁场的直流电动机，永磁无刷直流电动机的恒励磁电流性能与其他直流电动机相似，可以使电枢电压发生变化，便于调速。与其它励磁直流电动机相比，具有体积小、效率高、结构简单、含铜量少等优点。它是小功率直流电动机的主要类型。第一台直流电动机是在第一次工业革命末期发明的。19世纪70年代，电刷直流电动机正式投入商业应用。自此，有刷直流电动机以其优异的转矩特性在运动控制领域占据了领先地位。随着工业生产的发展，对DC电机的需求越来越高。然而，无刷DC电机一直存在一个问题，即其电刷换向器结构通过机械接触，容易造成电刷磨损，为了解决传统有刷电机的缺点，人们进行了长期的研究和探索。1917年，博尔乔尔提出用整流管代替无刷DC电机的机械电刷，从而诞生了永磁无刷DC电机的基本思想。在20世纪30年代，有人建议用离子装置根据转子的位置更换换向器电机的定子绕组。其电机原理与现代永磁无刷电机相似。随着半导体技术的发展，在20世纪40年代，开关晶体管的成功推动了永磁无刷DC电机的发展。国内外研究现状：1955年，美国的D.Harrison首次申请专利，用晶体管换向电路代替有刷DC电机的机械刷，标志着现代无刷DC电机的诞生。经过多年的努力，科学技术的快速发展带来了半导体技术的飞跃，开关晶体管的成功发展为新型无刷DC电机的创造带来了活力。目前，无刷DC电机集电机、变速机构、检测元件、控制软硬件于一体，形成新一代电动调速系统，使电机驱动电路体积更小，设计更简化。无刷DC电机优越的调速性能(主要表现在:调速方便、调速范围宽、低速性能好、运行平稳、噪音低、效率高)将使无刷DC电机的应用更加普及。由于无刷直流电动机的广泛应用前景，世界各国都在加快开发无刷直流电动机的新产品并占领市场，特别是美国、日本和西方国家都有先进的无刷直流电动机的制造和控制技术。因此，在2004年的国际电机大会上，提出了无刷电机将取代无刷电机。在我国，无刷直流电动机的发展时间相对较短，但随着技术的成熟和完善，发展迅速。我国对无刷直流电动机的研究和开发始于20世纪70年代初，主要集中在一些科研院所和高校。但是，由于我国零部件制造工艺能力水平较低，与国际相比还有很大差距，所以目前我国还不是无刷直流电动机领域的技术强国。无刷直流电机在我国已广泛应用于航空航天、电动汽车、家用电器等领域，并在深圳、长沙、上海形成了初步的产业链。此外，中国目前是世界上最大的永磁体(无刷电机的主要原材料)生产和供应基地，中国也将成为世界上最大的无刷电机生产国。并不断推动行业在技术上的发展。然而，我国在发展无刷直流电动机产业的过程中，出现了很多问题，如产业结构不合理，产业以劳动密集型产品为主，技术密集型产品明显滞后于发达工业国家，产业能耗大，环境污染严重，企业整体规模小，技术创新能力弱等。因此，研究一种新型的直流电机具有重要的意义。无刷直流电机不仅具有一系列的优点,如结构简单、运行可靠、维修方便的交流电动机,还具有运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好和直流电机一样,所以它广泛应用于各个领域,如仪器仪表、化工、纺织、医疗器械、家用电器，特别是高科技领域。永磁无刷直流电动机的驱动电压和电流是非正弦波的，这使得无刷直流电动机的电磁设计不同于正弦波驱动的交流电机。目前国内关于永磁无刷直流电动机的电磁设计计算数据较少，因此有必要对无刷直流电动机的电磁设计进行研究和优化。这对于无刷直流电动机的设计和分析具有重要的理论意义和实用价值。1.2无刷直流电机的发展趋势无刷直流电机拥有者机电一体化的特点，除了电动机自身外，还必须具有传感器，传感器的作用是测出定子与转子之间的相对位置。同时它的运行离不开驱动电路。同样，电力电子技术和电子与器件的发展又进一步推动无刷直流电机的发展。1.2.1正弦波电流驱动的电动机随着高速微处理器和DSP器件的出现，电机运行速度更快，处理能力更强，出现了特殊的控制芯片。随着这些设备的广泛应用，设备的成本大大降低。所以正弦波电流驱动的电机比方波驱动的电机功率更大。西门子早期开发的1F5系列是方波电流驱动，现已停产，换成正弦波电流驱动的1F6系列。当然，正弦波电流驱动的电机需要一个精度好的传感器，成本会更高，所以在任何情况下都无法替代。在一些应用中，由于需要控制成本，所以添加位置传感器非常困难。利用DSP强大的计算能力，可以实现无刷电机的无传感器控制。在无刷直流电动机中，可以有一种无传感器控制算法，只需要4个电阻就可以从获得的位置、速度和扰动转矩信息分配网络。此外，该算法可以获得瞬态位置和速度信息，而传统算法采用过零算法。大约需要500条DSP指令(因此程序内存为500字)，在20兆IPS控制器上执行时间约为13μs。低成本的数字信号处理器设备为压缩机、洗衣机、风扇和高压交流驱动器中的无刷DC电机提供了高效率的方案。低成本数字信号处理器电机控制器的应用展示了DC电机无刷无传感器控制的前景，随着工业驱动设备的需求，一种新型高性能设备被推向市场。1.2.2PWM技术当原装无刷直流电动机使用双极功率晶体管时，电机电路的开关频率一般为(2-5)KHz，相对于人耳来说是噪声。同时，当绕组电感不够大时，绕组电流波形不够稳定，波动较大。电路中采用功率场效应晶体管和绝缘栅晶体管后，开关频率可达到10KHz以上。这样，电磁噪声和电流波形都得到了改善。1.2.3新型材料的改进无刷电机的效率与磁性材料的发展密切相关。磁性材料的发展经历了以下几个阶段。最早的是铝镍钴，这种磁性材料磁能低，价格昂贵，但温度性能好，所以仍用于一些电机。后来发展了铁氧体磁性材料，这种磁性材料磁能量不高，但价格低，所以在很长一段时间内被广泛使用。然后又出现了钐钴合金磁性材料，这种磁性材料的磁能产品比以前的材料提高了一倍，但由于钐是稀土元素，价格昂贵，又是战略控制材料，所以这种高性能的磁性材料并没有得到广泛的应用。1983年，日本人发明了钕铁硼(NdFeB)，导致了磁性材料的一场大革命。钕铁硼是一种具有高磁能的磁性材料。钐和钕都是稀土元素，但钕更便宜，使马达更有效率和更小。由于钕铁硼材料的磁能高，因而不需要大量的软磁和励磁绕组封装。因此，可以大大减少电机的体积和重量，生产更加方便。由于磁性材料性能的改善，电机电枢绕组的绕组线圈也大大减少。1.2.4无刷电机向高压低电流方向发展一般来说，在电子元器件特别是功率场效应晶体管中，容易实现高电压、低电流。在大电流下，晶体管的压降增大，上层损耗也增大。同时，在高电压低电流的情况下，功率场效应晶体管上的管压降与母线电压的比值也较小，因此效率会得到提高。1.2.5性能的改进和新品种的开发在无刷DC电机中，首先要改善的问题是转矩脉动，尤其是用于视听设备、电影机械、计算机等要求运行稳定、无噪声的无刷DC电机。这些场合使用的电机大多是小功率、小尺寸的电机，紧凑的尺寸使得更换更加困难。为了提高电机性能，采用计算机仿真、分析、计算和比较的方法，研究气隙磁场的形状和磁极结构，选择合适的极数、槽数和槽尺寸。为了满足未来发展的要求，各种类型的无刷DC电机正在不断发展。如:无槽电机，定子铁芯没有齿槽，只有磁轭，定子绕组直接放在定子铁芯磁轭上；盘式电机有两个轴向气隙。这种电机在小容量的情况下，容易实现低噪声、低振动、低转矩脉动、高效率、高功率密度，非常实用。与有刷DC电机相对应的新品种还包括:无刷DC力矩电机、无刷DC直线电机、无刷DC限角电机、低惯量无刷DC电机等。1.3本文研究的主要内容第一章介绍了无刷直流电机的历史发展和国内外发展现状，同时也介绍了无刷直流电机的发展趋势。第二章首先分析了无刷直流电动机的基本结构，包括电机本体、电子开关电路、位置传感器的类型，然后分析了绕组的基本结构，包括单层绕组、双层绕组和整数分数层绕组。然后通过三相半控制桥式电路重点介绍了无刷直流电机的工作原理。最后，以三相桥接y型BLCDM为例，给出了数学模型。第三章先列举了无刷直流电机的设计所需的参数，包括永磁材料的选择、电机的尺寸设计、相数奇数槽数的确定、定子铁心等，然后根据这些公式的计算以及根据参考文献的估算给出了本次样机的参数。第四章先介绍了ANSYS软件，然后在ANSYS上对无刷直流电机进行建模，给出了定子、转子、绕组、以及电机整体的图形，再根据网格、电机磁场磁密的云图、气隙磁密等分析了电机静态磁场的性能。最后根据转速、转矩、相电流、反电动势等与时间的关系分析了电机磁场的瞬态空载和负载性能，并作出总结。第二章无刷直流电机的基本理论及数学模型2.1无刷直流电机的基本结构永磁无刷直流电动机主要由电机本体、电子开关电路和位置传感器组成。无刷直流电动机结构示意图如图2.1所示。下面对这三部分进行简单的介绍。图2.1无刷直流电机结构原理图（1）无刷直流电动机与传统直流电动机最大的区别在于，永磁钢嵌在转子中，主要是在气隙中产生磁通量，电枢绕组绕在定子周围。永磁无刷直流电动机在结构上类似于永磁同步电动机。无刷直流电机定子的结构与感应电机定子相同。多相绕组(三相、四相、五相等)嵌在硅钢片堆叠的铁芯内。绕组的连接形式分为星形或三角形，绕组的每一相与逆变器的每一功率管相连，从而进行合理的换向。转子磁钢主要由钐、钴或钕、铁、硼等稀土材料制成。（2）电子开关线路电子开关线路主要有功率逻辑开关和位置信号处理两部分，其结构框图如图2.2所示。功率逻辑开关的主要功能是将电源的功率按一定顺序分配给定子绕组，而信号处理主要是将位置传感器检测到的转子位置信号转换成电信号并发送给逻辑开关，使相绕组按一定顺序接通。图2.2无刷直流电机的结构框图（3）位置传感器转子位置传感器的作用是在电机中随时检测转子位置信息，将位置信号转换成电信号并发送给控制器，然后由控制器确定定子绕组的导通情况。位置传感器在无刷DC电机中起着重要的作用。根据其工作原理，可分为电磁感应式、光电式和磁敏式。位置传感器一般由定子和转子组成。位置传感器的转子与电机的转子同轴连接，其主要功能是确定转子磁极的位置，而定子的主要功能是检测和输出转子的位置信号。传感器有很多种，其中以下形式常用于无刷DC电机:电磁位置传感器。该原理是基于电磁效应来测量的。虽然它具有结构简单、输出信号大、环境要求低的特点，但由于体积大、信噪比低，其应用受到一定限制，输出的交流信号必须经过整流滤波后才能使用。磁位置传感器是一种半导体敏感元件，其电气参数随周围磁场的变化而按一定的规律变化。其基本原理是利用霍尔效应和磁阻效应。目前常用的磁传感器是霍尔元件或霍尔集成电路。当霍尔元件位于磁场中时，其输出端将产生电动势。由于电动势小且不规则，经过整形放大后可得到所需的电平信号，该电平信号可作为转子的位置信号。一个无刷直流电动机通常安装三个霍尔传感器，电气角度一般以60度或120度的间隔围绕圆周分布。如果间隔为120度，输出波形的相位差也为120度，输出信号中的高电平和低电平各占一半周期。如果规定输出信号为高电平时为“1”，为低电平时为“0”，则三个输出信号可以用3位二进制码表示，这样三个霍尔的状态就可以将转子信息传递给控制器，从而可以决定哪个相绕组导通。从图2.3可以看出，当作用在霍尔元件上的磁场达到其“作用点”时，输出一个低电平；当施加的磁场降低到其“释放点”时，它输出高电平。图2.3霍尔传感器的开关输出特性2.2电机绕组的结构及连接方式无刷直流电动机的绕组结构类似于一般的多相交流电机。线圈是绕组的基本单元，每一个都有两个边，一个在定子的两个槽中。与两个绕组边相连的部分是绕组的末端，其主要作用是保证电路的连通性。绕组边的直线部分置于定子槽内，受到磁场力的影响，称为有效部分。如图2.4所示。图2.4绕组基本结构在无刷直流电动机中，绕组可分为单层绕组和双层绕组。单层绕组置于具有绕组边的槽中;双层绕组在每个槽中有两个绕组边。双层绕组一般采用短距离绕组，螺距为0.8τ(τ为极距)左右，可减少5次和7次谐波的影响，从而节约成本，提高电机性能。无刷直流电动机绕组连接方式是指各相绕组各线圈之间的连接方式。比较常见的无刷直流电动机绕组连接方式有星形连接和三角形连接。电机在运行过程中可能在三角连接处产生循环，增加电机损耗，降低电机效率，所以常用的是星形连接；从绕组的相数看，可以分为单相、二相和三相，但是应用最普遍的是三相；根据每级每相分配的槽数，可分为整数槽绕组组和分数槽绕组组。根据每个槽中的线圈数量可分为单层绕组和双层绕组。这里主要介绍单层和双层的特点。所谓单层绕组，是在每个定子槽内放置一个绕组边，具有嵌线方便，效率提高的优点，层间绝缘不会击穿。然而，存在一个缺点，即不能选择音调来抑制谐波。由于双层绕组是放置在每个槽中的两个线圈边缘的上下侧，绕组的数量等于定子槽的数量。双层绕组的特点一般采用短距离绕组，既节省了铜的末端，又在很大程度上削弱了高次谐波转矩，基波没有被削弱太多，从而对电机转矩波形产生有利的改善。2.3无刷直流电机的工作原理所谓直流电动机，虽然直流电作为电机电枢电源，但实际流过电枢绕组的电流是交流的，它是利用机械电刷和换向器将电流从直流电源转移到绕组，然后进行换向。当定子的电枢绕组的磁通转为直流时，在定子绕组的感应磁场和转子磁钢产生的磁场的相互作用下，转子会转动起来，当转子转动一定角度后，由于定子磁场是固定的，这样就可以保证电枢磁场和磁钢产生的气隙磁场始终相互垂直，电机就不能继续转动。所以，也需要通过转子位置传感器的检测和电子开关电路作为电机换向装置，通过转子位置传感器信号的时间检测，传感器转换成电信号给位置信号控制器，控制器控制功率管的导通顺序，这将使电枢绕组不断地反过来通电，电枢绕组磁场和气隙磁场始终相互垂直，从而使电机保持旋转，这就是无刷DC电机电子换向的本质。因为控制器保证绕组能在正确的时间换向，使电机能继续转动，起到机械换向器的作用。下面以三相半控桥星形接线为例进行说明，原理图见2.1。在图中，三个霍尔元件以一定的电角度安装在位置传感器上。三个霍尔传感器H1、H2和H3的输出信号如图2.5所示。图2.5三相半控桥电路中位置传感器信号波形由图2.5所示的传感器波形可以看出，每个位置传感器的输出信号1/3周期是高电平，2/3周期是低电平，而且三个传感器信号的相位差也是1/3周期。图2.6定子绕组同磁钢位置关系无刷直流电机的工作原理如图2.6所示。假设转子到达如图A所示位置时，位置传感器H1的输出处于高电平，H2和H3的输出处于低电平。然后，高电平输出传感器使功率管VT1打开。此时，u相绕组通电。在转子的永磁钢和绕组的电磁力的共同作用下，转子顺时针旋转。当转子转到图B所示位置时，高电平输出传感器H2使功率管VT2开启。此时v相绕组通电，a相绕组断电。当到达图C时，位置传感器H3处于高电平，其他位置传感器处于低电平。此时，VT3接通，w相绕组接通。在电磁力的作用下，转子继续顺时针旋转。然后它返回到图D所示的位置，这个过程一遍又一遍地重复，电机的工作原理就是如此。2.4无刷直流电机的数学模型以三相桥式Y接BLCDM为例，电机定子绕组为星形连接的集中分数槽绕组，空间120°间隔对称放置三个霍尔元件。为便于分析，请进行以下设置:1)不考虑涡流损耗和磁滞损耗，忽略铁芯饱和和温度对电机参数的影响；2)三相绕组的背电势为梯形波，电角度为120°，平顶宽度为120°；3)三相定子绕组对称，忽略齿槽效应，电枢导体在电枢表面连续均匀分布。2.4.1定子电压平衡方程基于以上假设，无刷直流电动机各相绕组的相电压由绕组的电阻电压降和感应电位两部分组成。定子电压平衡方程为:QUOTEUaUbUcUaUbUc=QUOTERa000Rb000Rciaibi式（2-1）中，ea、eb、ec为各相定子反电动势，ia、ib、ic为各相定子电流，Ua、Ub、Uc为各定子相电压，Ra、Rb、Rc为定子各相绕组电阻，La、Lb、Lc为定子各相绕组自感，Lab、Lac、Lba、Lbc、Lca、Lcb为定子间各相绕组的互感，由于无刷直流电机的转子为永磁体。假设无刷直流电机三相绕组对称，忽略磁阻之间的影响，则可以认为定子各相绕组间互感为常数，即式（2-1）可改写为：QUOTEUaUbUcUaUbUc=QUOTER000R000RiaibicR由ia+ib+ic=0，Mia+Mib+Mic=0，带入式（2-2），整理可得：QUOTEUaUbUcUaUbUc=QUOTER000R000RiaibicR00由式（2-3）可以构建直流无刷电机的等效电路如图2.7所示：图2.7无刷直流电机的等效模型2.4.2电磁转矩方程DC电机的电磁转矩是指电机正常运行时，载流导体在磁场中受力时，流经电枢绕组的电流所形成的总转矩。假设无刷DC电机的峰值电流为IP，峰值电动势为EP，绕组只有两相同时导通。从IPM的DC侧看，两相串联，所以电磁功率为PM=2EIP。忽略换向过程的影响，无刷DC电机的电磁转矩为:QUOTETe=Pmω1/np=2npEpIpω1式(2-8)中，Ψp为电机电磁磁链的峰值。由(2-8)式可知，无刷直流电机的电磁转矩与电流Ip成正比关系，与普通的直流电机的关系一样2.4.3运动方程Te−TL−Zω=J式(2-9)中，Te、TL分别为电磁转矩和负载转矩(Nm)，ω为电机角速度，Z为黏滞摩擦系数(N·m·s)，J为电机转子的转动惯量(kg·m2)。2.4.4反电动势方程在磁场中单根导体切割磁力线运动产生的电动势e为：ⅇ=BLv(2-4)其中B、L分别为磁场强度和导体在磁场中运动有效长度，v为导体在垂直于磁感线运动的线速度。在无刷直流电机中，转速n与v的关系为式(2-5)，QUOTER'R'为绕组旋转半径。v=2πR'n60假设直流电机绕组每一相的匝数为WΦ，由于每一相有两根导体，所以每一绕组的总感应电动势为：EΦ=2ⅇWΦ将式(2-4)(2-5)代入式(2-6)，则转速n与总感应电动势EΦ的关系为：EΦ=BLπR'W直流无刷电机的定子绕组反电动势梯形波形如图2.8所示图2.8定子绕组反电动势波形第三章无刷直流电机的设计与参数计算3.1电机主要结构的选择与参数计算3.1.1电机永磁材料的选择通常情况下，永磁电机的转子磁钢有：铝镍钴磁钢，铁氧体磁钢，钐钴磁钢钕铁硼磁钢和钕铁硼磁钢。铁氧体永磁体材料，具有显著的特点，其剩磁低、矫顽力高，剩磁一般在0.2T~0.44T，矫顽力在128~264kA/m。但对于EPS用电动机而言，要求电机的功率密度高，即便是高性能铁氧体永磁材料，其剩磁也难以满足电机磁性能的要求。对几种永磁材料进行比对，可以看到铝镍钴磁钢的矫顽力较低，且充磁方式为安装后充磁，退磁曲线成非线性，不适合大批量生产使用；而钐钴磁钢固然性能很好，耐高温，稳定性好，但是考虑到其价格昂贵；于是钕铁硼便成为了EPS用电动机永磁材料的首选。钕铁硼永磁材料是目前磁性能最强的永磁材料，其不但具有较高的剩磁，矫顽力最高也可超过1000kA/m，价格也相对便宜，是理想的永磁材料，其根据制作工艺又分为粘接钕铁硼和烧结钕铁硼，粘接钕铁硼具有可以制成形状复杂的永磁体，力学特性好，尺寸精度高等优点，但是在制造过程中混合其了他材料，其中粘结剂的大约占体积的40%，对比相应的烧结钕铁硼永磁材料可以看到，其磁性能成倍的下降[27]，同时其允许使用的温度也比烧结钕铁硼低许多。考虑多种因素的综合影响，选用烧结钕铁硼作为本次电机设计的永磁体材料。3.1.2电机尺寸的确定电机的主要尺寸包括电枢铁心的直径和长度，它决定着电机的性能、重量、体积和成本等，故主要尺寸设计在电机设计工作中起着重要作用，是电机的设计过程中非常重要的一个环节。根据电机设计原理，电机主要尺寸应满足：D2lefnp'=式中D为电枢直径；lef为电枢的计算长度；n为电机的额定转速；p´为电机计算功率；αp为计算极弧系数；KNm、Kdp分别为气隙磁场波形系数和电枢绕组系数。对应于断续工作制的小功率电动机而言，可以估算：p'≈1+3η4ηpH（3-式中，n为电机的效率，一般取值0.6～0.85；PH为电机额定的输出功率。对于无刷直流电机来说，要求电机的转动惯量比较小，以减小电机起动和运行时的能量损耗，缩短电机的响应时间，提高电机工作效率。通过转动惯量J的表达式：J=mR22（3式中，m为电机的质量；R为电机的尺寸半径。可以看出相同质量的电机，转动惯量的大小与电机的尺寸半径R有很大的关系。3.1.3相数与级数的选择永磁无刷直流电机的本质是交流电机，定子中带有多相交流绕组，由于运行机理与普通交流电机有着根本的不同，所以无刷直流电机定子绕组的相数有多种选择，两相、三相、四相，目前最常用的绕组形式为三相绕组。极对数与电机的主要尺寸关系如式所示：2pΦ=παδBLaD级数应该在综合考虑电机的运行性能和经济指标的基础上，再结合已知的经验，可以根据式子取值，电机的磁通QUOTEΦΦ为固定值，而且在电机的转子外径、定子铁心长度、气隙磁感应强度确定之后，就可以确定极对数了。由此式可以看出：1）如果转子的极对数增加，每级磁通可以减少，同时定子轭和机座的面积也会减少。总的来说，极对数增加，可以减小电动机的体积，节约材料，降低成本。2）级数增加后，也带来了一些问题，比如：制造上会麻烦，而且在级数增加的同时，为了让漏磁不会太大，那么就要使极弧系数较小，这就会是原材料利用率变低；极对数增加的同时，在同样转速的条件下，功率管换相的次数就会增加，从而增大了功率器件的消耗，铁芯磁场交变的频率增加，铁耗增加。一般来说，电动机的效率也会随着极对数的增加而下降。3）电感方面：随着极对数的增加，电枢绕组每相的电感会有所减少，对于换相是有利的。3.1.4定子铁心内径无刷直流电动机定子内径Da(由于无刷直流电动机的气隙一般较小，粗略估计可以认为定子内径等于转子外径)一般随单位转速输出功率p的增大而增大，也就是说，当电机单位转速输出功率p相同时，定子铁芯内径Da大致相等。Da确定后，可参照所给p值，参照已制作同类电机的值进行选择。根据已知功率和额定转速，得到单位转速的输出功率，然后根据该值确定电机定子内径范围，即最大值和最小值。受试者要求功率为37W，额定转速为1500r/min，由此可以计算出定子内径范围为20mm。这只是一个一般范围，具体数值还应根据电负载a、磁负载B、铁芯有效长度L、机身长度与定子内径之比λ来计算。3.1.5电负荷与磁负荷的选取无刷直流电动机的电负载(又称线负载)是指每单位长度沿定子内径圆周方向的总安培导体数。电机负载的选择与电机的运行特性、效率和温升有很大关系。其数学表达式为:A=mNaiaπD式中QUOTENaNa每相的导体数；QUOTEDaDa是定子内径（由于气隙很小，可以认为与转子外径相等）；QUOTEiaia是定子的相电流；m是电动机的相数；直流无刷电动机的磁负荷是指气隙磁感应强度的最大值，磁负荷的定义式为：Bδ=ϕτrl式中QUOTEτrτr是转子极距；QUOTElala是电机铁心长度；QUOTEϕϕ是每极磁通；式（3-5）、（3-6）只是电负荷和磁负荷的理论表达式，而在实际电机设计时，它们的取值会受到多方面因素的影响。A一般取15000～50000A/m，B一般取0.3～0.6T。3.1.6电流密度与槽满率槽满流量一般为0.35~0.5。在允许绕组间距且保证额定输出功率的情况下，绕组的峰值电流会随着匝数的增加而减小，匝数越多，开关功率管的伏安电压越低容量。确定绕组匝数后，首先检查导线的电流密度，然后确定导线的截面积。（一般J=4～5.5A/mm2）3,1,7气隙与弧级系数选取气隙是指电机定子和转子之间的间隙。气隙的大小对电机的性能和制造工艺有很大的影响。如果气隙过大，磁阻会很大，增加电机的损耗，降低电机的功率因数。但气隙太小，容易造成定子和转子扫膛。如果气隙不均匀，转子会产生磁拉力，容易引起电机振动。根据经验，一般选择气隙在3~5mm左右。计算极弧系数可根据图3.1选取。图3.1定子内径与极弧系数的关系极弧系数αi的大小主要体现在电机的大小上。值越大，电机的尺寸越小。但极弧系数越大，电机两级之间的空间越窄，从而增加了磁极的漏磁，影响电机的性能。然而，直流无刷电机的极距一般较短，其值应较小。3.1.8每相绕组匝数的选取绕组匝数是电机设计中的重要参数之一。其选择与电机的输出转矩和启动电流有关。大致按照以下公式选择:w'φ=7.5α式中，QUOTEΦδ0Φδ0是空载气隙磁通；U是电源电压；QUOTEn'n'是预取空载转速；QUOTEΔUΔU是功率管管压降；QUOTEαiαi是极弧系数。3.1.9电机绕组的设计一、分数槽与整数槽绕组对比在电机设计中Z代表定子槽数，m代表相数，P代表永磁体极对数，根据公式可求得每极每相的槽数q：q=Z2mp（3-当q是整数时，电机绕组称为整数槽绕组；当q是不为整数时，电机绕组称为分数槽绕组。由于电机的体积较小，而设计的时候极数较多，采用分数槽形式可以有效的解决极数多，极距小的问题，此外，分数槽绕组也具有整数槽绕组不具有的分布效应，能够有效削弱齿谐波对感应电势的影响，同时对降低电机齿槽转矩也有一定效果[28]。对比整数槽绕组，采用分数槽绕组具有以下好处：（1）以较少的大槽代替了较多的小槽，减少了槽绝缘，提高了槽满率，简化了下线难度，降低了人工成本。（2）提高槽满率，减少了电机绕组，降低了铜耗和温升，提高了功率密度和转矩密度，提高了电机的综合性能。（3）分数槽绕组可以实现集中绕组（极距y=1），即一个线圈绕在一个齿上，减小了绕组端部，降低了用铜量，同时集中绕组结构可用机器代为绕线，降低了人工成本，提高了生产效率。（4）电机绕组改善了短距系数和分布系数，提高了电动势波形的正弦性。（5）分数槽的齿槽转矩幅值通常小于整数槽绕组，有利于电机的稳定性和降低振动噪声。二、单层绕组和双层绕组的选择电机绕组一般有单层绕组和双层绕组两种。单层绕组顾名思义就是每个槽中只放置一个线圈侧，对于三相电机，至少有六个线圈侧，这就要求电机槽数是六的倍数。如图4.2所示，双层绕组每个槽可以放两个线圈边，电机槽数是三的倍数。与两者相比，单层绕组只能选择全程，端部延伸比较长，绕组电阻和铜耗比较大。同时，双层绕组可以通过短距离系数改善电动势和磁动势的波形，削弱磁动势的谐波，降低转矩波动和振动噪声。考虑到小型无刷直流电机的设计特点，电机的定子齿较少，而且是低压供电且电机体积比较小，在输出功率相同的条件下，功率密度较大，这会导致电机电流很大，为了减小绕组电流大小，选取绕组并联支路数a=4，即采用4路并联的方法，来降低设计时每条支路上的电流值。图4.2双层绕组示意图3.1.10磁钢尺寸的确定永磁直流无刷电机的永磁体通常价格昂贵，因此为了降低制造成本，提高电机的利用率，有必要在满足性能指标的前提下合理设计磁钢尺寸。如果确定了电机结构，就确定了磁路。磁负荷由磁钢的尺寸和材料决定。此时可假定合理的气隙磁密度B，利用气隙磁密度B可计算气隙磁密度、定子轭架磁势和定子齿形磁势。最后，利用该公式计算永磁体的磁势f。F'=F'所以有，永磁体的厚度：h'm=F'Hδ这时，由永磁体去磁曲线上的两个点（Fc,0）和（F´,QUOTEΦ'δΦ'δ），最后由式子（3-13）可以确定永磁体的宽度。Fc=HΦ'δ=B'Sbm=Φ'3.2样机的参数设定根据以上电机参数的设计方法，可以得出样机参数的设定如下表：表3.1样机的参数定子定子槽数12定子铁心外径80定子铁心内径45定子铁心长度30定子槽型硅钢片牌号B50A350定子冲片材料密度7.8定子冲片叠压系数0.95定子绕组形式集中绕组每槽匝数36线圈平均跨距1并绕根数1漆包线的双边漆皮厚度0.12导线直径0.4转子转子结构表贴转子外径44转子内径20转子铁心长度30永磁体极对数10永磁体型号N35永磁体的剩磁1.23永磁体的矫顽力890000永磁体的相对回复磁导率1.099极弧系数0.9转轴材料名45#转轴材料密度7.8其他定子绕组系数0.866理想反电动势常数0.125772额定转矩常数0.125772定子齿磁密1.6定子轭磁密0.67转子轭磁密0.58气隙磁密0.86硅钢密度7.8空载转速1636齿槽转矩0.06电枢线负荷5.22电枢电流密度2.26风摩损耗5.85铁心损耗3.8电枢铜损1.5开关管损耗2.8二极管损耗0.1总损耗14输入功率52输出功率38效率72.9额定转速1500第4章基于ANSYS永磁无刷直流电机的有限元分析4.1ANSYS软件的介绍Maxwell是ANSYS中的电磁场有限元分析软件，在电子产品设计过程中被工程师和研究人员广泛使用。随着麦克斯韦版本的不断更新，它已广泛应用于电源、电力系统、汽车、航空航天、生物医药、石油化工、国防、电力、电子、电力电子技术、交直流传输等领域，广泛应用于通用汽车、宝马、NASA、通用电气、罗克韦尔、ABB、西门子等世界知名企业和机构。由于电磁场数值分析和计算机仿真可以为产品的设计和优化提供可靠的依据，许多昂贵的仿真试验可以用数值仿真代替。因此，它被广泛应用于企业、科研院所和大学，成为提升产品竞争力的主要手段。Maxwell2D是ANSYS在机电系统设计解决方案中的重要组成部分。Maxwell2D是一款结果准确、功能强大、人机交互方便的二维电磁场有限元分析软件。包括涡流场、瞬态场、电场、静磁场和温度场分析模块，可对电机、传感器、变压器、永磁设备和执行器等电磁设备进行静态、稳态、瞬态、正常和故障状态分析。人性化的人机界面、先进的自适应网格生成技术和自定义素材库是其最大的特点。在使用ANSYS进行仿真模拟时，一般需要做以下工作：（1）创建或者读入有限元几何模型；（2）定义材料属性和参数；（3）网格剖分（节点和单元）；（4）施加负载及负载选项，设置约束条件，然后求解；4.2电机的建模及参数的设计1）先进行电机整体参数设置。其中包括级数、转子类型、摩擦损耗、参考转速、控制电路类型等的设置，如图4.1。图4.1电机整体参数设计2）控制回路参数设置。其中包括超前触发角、触发脉冲宽度、晶闸管管压降、二极管管压降，设置如图4.2。图4.2控制回路参数设置3）定子参数设置涵盖了定子内外直径、定子铁芯长度、槽数、覆盖系数等。转子参数的设定包括转子内径和外径的设定、转子长度、覆盖系数等。仿真参数包括额定电压、额定转速等。具体设置如图4.3、图4.4、图4.5所示。图4.3定子参数图4.4转子参数图4.5仿真参数设计参数设置完了，可以得到无刷直流电机的仿真模型如图4.6。（a）电机定子模型（b）电机转子模型（c）电机绕组分布图 （d）电机组装模型4.6电机的仿真模型4.3划分网格网格生成是有限元分析中非常重要的一步。有限元分析的精度直接受到网格生成质量的影响。网孔越密，磁通密度越强。如果使用默认细分，细分的质量将受到限制。为了提高求解精度和速度，需要手动细分，根据实际情况对电机的不同部位设置不同的网格尺寸。该方案的网格生成模型如图4.7所示。图4.7网格的剖分4.4电机静态磁场分析本节的电机静磁场分布主要讨论了空载时的情况，应用的有限元软件的分析步骤为求解类型选择、建模、给定材料、激励源和边界条件的加载、建立求解步骤以及后处理。本设计的建模和添加材料比较简单，在这里忽略。电机的激励源理论上有永磁体和绕组电流源，永磁体的激励源在建模时已经给定，空载分析时绕组电流为零，但是必须对绕组进行正确分相，电流激励源的给定。模型包括三个绕组，逆时针方向分别是A相正向线圈、C相负向线圈以及B相正向线圈，电流源加载时注意正负，值都为零。边界条件为：模型的两个侧边加载主从边界条件，弧形边为高导磁介质和非导磁介质的分解，因此加载磁通平行边界条件。仿真图形如图4.8。电机的漏磁系数可以由图4.8中电机的磁通分布计算出来，通过图4.9中电机的磁通密度分布云图可以检查电机是否存在过饱和点，有利于电机设计参数的调整和优化；永磁体的空载工作点可以从图4.10中各极下的气隙磁通密度，以及本次设计的空载磁路数据得到:定子齿磁通密度（特斯拉）：1.60736定子磁轭磁通密度（特斯拉）：1.468951转子磁轭磁通密度（特斯拉）：1.581987气隙磁通密度（特斯拉）：0.864892磁通密度（特斯拉）：0.957559图4.8电机磁力线分布图4.9电机磁通密度云图分布图4.10气隙磁密分布图通过Maxwell静磁场可以求出空载气隙磁密幅值0.86T。通过分析磁场分布图可以检查各块永磁体充磁设置是否有误，通过电动机磁密度云图可以校验电动机的局部是否存在饱和点，以便于及时调整参数。从图来看，该电动机并没有出现饱和点，图4.11空载反电势波形为接近正弦波。图4.11空载反电动势波形4,5电机瞬态性能分析电机的瞬态性能分析分为空载和负载两种情况，空载性能分析又分为空载起动工况和空载稳态工况；负载性能分析又分为负载起动工况和负载稳态工况。对于永磁直流无刷电机来说，空载和负载的区别就是，电枢绕组的电流是空载电流还是额定电流。4.5.1空载瞬态性能分析应用电磁场有限元分析软件分析电机空载时的瞬态性能时，不仅要设定电机空载时的电磁条件，主要是励磁源的加入和边界的设定，还要设定电机空载时的机械条件，主要是初始转速和负载转矩的设定。对于空载起动性能仿真时，电流激励源为零，电机的初始速度设定为零，转矩为额定空载转矩。求得对应的仿真曲线如图4.12至4.15所示。图4.12空载瞬态仿真时的转矩曲线图4.13空载瞬态仿真时的转速曲线图4.14空载瞬态仿真时的电流曲线图4.15空载瞬态仿真时的反电动势曲线4.5.2负载瞬态性能分析负载瞬态分析时，外加激励源电路，分别设置好电机的控制电压电路、驱动主回路和电机电路后，可得到控制总电路。然后将电路和有限元连接，并将机械运动设置中的初始速度设为0rpm，负载转矩设置为电机的额定转矩，负载瞬态仿真结果如图4.16至4.19所示。图4.16负载瞬态仿真时的转矩曲线图4.17负载瞬态仿真时的转速曲线图4.18负载瞬态仿真时的电流曲线图4,19负载瞬态仿真时的反电动势曲线结束语永磁无刷直流电机凭