基于Ansoft外轉(zhuǎn)子無(wú)刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)

摘 要：無(wú)刷直流電機(jī)因其良好的調(diào)速特性、系統(tǒng)魯棒性得到了多個(gè)領(lǐng)域的關(guān)注，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有全面且穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，對(duì)諸多行業(yè)的發(fā)展具有重要影響。本文首先提出了電機(jī)所要達(dá)到的基本性能參數(shù)，初步確定此外轉(zhuǎn)子無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，基于Ansoft Maxwell有限元仿真軟件，對(duì)電機(jī)性能做了初步分析，并描述了電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能之間的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流;外轉(zhuǎn)子;Ansoft Maxwell

中圖分類(lèi)號(hào)：TM302 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）25-0042-02

無(wú)刷直流電機(jī)集各種相關(guān)科技的發(fā)展成果于一身，克服了電刷和換向器帶來(lái)的缺點(diǎn)，保留了良好的機(jī)械特性與調(diào)節(jié)特性，使之逐漸在各領(lǐng)域嶄露頭角。本文應(yīng)用Ansoft Maxwell有限元分析軟件設(shè)計(jì)外轉(zhuǎn)子無(wú)刷直流電機(jī)方案，并對(duì)其進(jìn)行有限元分析，得出外轉(zhuǎn)子無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)與電機(jī)性能之間的關(guān)系。

1 電機(jī)主要參數(shù)確定

因外轉(zhuǎn)子電機(jī)普遍為分?jǐn)?shù)槽結(jié)構(gòu)，本文選擇電機(jī)齒槽數(shù)為Z=36，Z/p=12/7，則極對(duì)數(shù)p=21，極距[τ]隨之確定。電機(jī)選用梯形槽結(jié)構(gòu)，齒槽數(shù)確定為Z=36，則可以得到電機(jī)齒距與電機(jī)齒距角，由槽參數(shù)可得齒高與槽面積，齒寬也可近似求得[1]。轉(zhuǎn)子與定子間通過(guò)氣隙隔開(kāi)，確定氣隙長(zhǎng)度、磁鋼厚度與機(jī)殼厚度，則可求得永磁體內(nèi)徑、永磁體外徑以及機(jī)殼外徑。

2 Ansoft Maxwell有限元

Ansoft Maxwell能從有限元分析角度分析二維和三維電磁場(chǎng)具體情況，通過(guò)分析模型的建立與網(wǎng)格劃分，邊界條件與激勵(lì)條件的設(shè)定，能方便快捷地實(shí)現(xiàn)電機(jī)模型的仿真計(jì)算，在后處理中，也能清晰得出電機(jī)性能參數(shù)以及各參數(shù)之間的關(guān)系[2]。

經(jīng)過(guò)上述參數(shù)計(jì)算，可以應(yīng)用Ansoft RMxprt對(duì)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行初步校驗(yàn)。電機(jī)性能受電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響巨大。外轉(zhuǎn)子無(wú)刷直流電機(jī)中結(jié)構(gòu)參數(shù)眾多，永磁體磁化方向長(zhǎng)度、氣隙長(zhǎng)度、極弧系數(shù)等對(duì)電機(jī)性能的影響都不可忽略。外轉(zhuǎn)子無(wú)刷直流電機(jī)永磁體的磁化方向長(zhǎng)度對(duì)電機(jī)氣隙磁密、負(fù)載反電動(dòng)勢(shì)的性能影響較大。研究永磁體磁化方向長(zhǎng)度對(duì)電機(jī)各性能的影響，有助于充分利用永磁材料。氣隙長(zhǎng)度是電機(jī)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)，在普通電機(jī)設(shè)計(jì)中一般有經(jīng)驗(yàn)公式或者結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際給出氣隙長(zhǎng)度，但在永磁電機(jī)中，由于永磁體代替轉(zhuǎn)子繞組后，磁路結(jié)構(gòu)負(fù)載、氣隙長(zhǎng)度難以準(zhǔn)確給出。因此，需要在進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)中研究電機(jī)氣隙長(zhǎng)度對(duì)其他性能參數(shù)的影響，以確定電機(jī)氣隙長(zhǎng)度的最優(yōu)值[3]。極弧系數(shù)是電機(jī)電路、磁路中一個(gè)重要的參數(shù)，特別對(duì)于外轉(zhuǎn)子無(wú)刷直流電機(jī)，該參數(shù)涉及永磁材料的使用，以及反電勢(shì)頂部寬度的大小，影響電機(jī)換相的性能[4]。轉(zhuǎn)子無(wú)刷直流電機(jī)2D建模如圖1所示，有36槽42極。

由圖2和圖3可以看出，所設(shè)計(jì)電機(jī)在局部未達(dá)到磁路最優(yōu)，有一定磁路溢出，造成磁通飽和，分析認(rèn)為定子繞組漏磁通是主要成因;而磁極間的漏磁又造成氣隙磁通局部飽和以及轉(zhuǎn)子軛部局部磁飽和，在實(shí)際制造過(guò)程中可減小極弧系數(shù)或者加入相應(yīng)隔磁介[5]。定子相電流如圖4所示。

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于Ansoft Maxwell有限元分析軟件，結(jié)合理論計(jì)算，兩者結(jié)合驗(yàn)證了電機(jī)機(jī)構(gòu)參數(shù)與性能之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了外轉(zhuǎn)子無(wú)刷電機(jī)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。外轉(zhuǎn)子無(wú)刷直流電機(jī)作為永磁電機(jī)，在引入永磁后，磁路變得復(fù)雜很多，在后面的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，有限元分析可方便查看電機(jī)磁場(chǎng)分布，調(diào)整電機(jī)機(jī)械參數(shù)，防止電機(jī)磁路局部過(guò)飽和，減小電機(jī)氣隙磁密諧波，提高電機(jī)的性能指標(biāo)。

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