基于Ansoft的永磁无刷直流电机性能分析
摘 要：永磁无刷直流电机（BLDC）具有体积小、起动转矩大、温升低、高功率等诸多优点。在微电机领域，永磁无刷直流电机颇具潜力和优势，随着相关技术的不断发展其必将在小电机领域占据主导地位。文章运用有限元软件Ansoft Maxwell，在Maxwell 2D环境下建立BLDC模型，对BLDC空载及负载时的磁场及电机性能进行了仿真分析。其次，使用等效磁路软件RMxprt，利用参数变量分析法，完成了齿槽转矩的优化分析；同时，研究分析了定子槽型、导线直径、气隙长度、极弧系数对永磁无刷直流电机某些性能的影响，通过RMxprt仿真分析结果，可以为优化电机设计参数提供依据。
关键词：永磁无刷直流电机；有限元分析；优化分析
引言
永磁无刷直流电机是一种新型电机，是电机技术、电力电子技术、微电子技术与控制理论相结合的一体化电机，具有结构简单、单位出力大、易于控制、较广的调速范围、效率高、损耗小等优点，被广泛应用于国防、航空航天、工农业、医疗设备和日常生活领域[1-3]。对于永磁无刷直流电机性能的分析仿真已经成为了电机领域热点研究问题。在永磁无刷直流电机的性能分析法中，常用的有状态方程仿真法、直流电机分析法、等效磁路法、电磁场有限元法等。由于电磁场有限元分析法能够综合考虑铁磁材料的非线性及参数的变化，被广泛应用与电机分析。文章采用Ansoft Maxwell对电机磁场分布和变化比较复杂的永磁无刷直流电机进行分析，同时运用RMxprt分析电机参数变化对电机性能的影响。
1 永磁无刷直流电机有限元分析模型
文章所研究电机为内转子结构，所分析电机参数如表1所示[8-9]。由于磁场随转子位置而时刻变化，采用部分场域分析的方法，边界条件较难确定，因此文章采用全场域分析的方法[5-6]。为了建立永磁无刷直流电动机内部磁场的微分方程，确定求解区域和有限元求解的边界条件，作如下假设：（1）忽略电机端部磁场效应， 磁场沿轴向均匀分布， 矢量磁位A和电流密度J只有轴向分量Az和Jz，故磁感应强度只有Bx和By分量；（2）忽略转子铁心中的涡流、磁滞损耗；（3）磁场仅被限制于电机的内部， 定子的外部边界及转子的内部边界认为是零矢量磁位线；（4）不计交变磁场在导电材料中如定子绕组及机座中的涡流反应。
表1 BLDC主要技术参数
文章对一台500W两相4极永磁无刷直流电机进行仿真分析。在Maxwell 2D下建立仿真模型，建模过程如下：选择求解器类型；建立模型；设置材料属性；设置激...
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