ansys 永磁电机算例

基于Ansys的三相永磁无刷直流电机设计

陈治宇;田燕飞;陈风凯;何建源

【摘 要】根据Maxwell 2D有限元分析软件设计的一款150W 8p 600r/min的三相永磁无刷直流电机,论述了这种三相永磁无刷直流电机主要尺寸的确定、永磁材料的选取和计算方法,对其静态和动态性能进行分析,试制了样机;最后通过样机试验验证仿真结果的各项性能指标,误差在6％以内,验证了仿真设计的合理性和准确性.

【期刊名称】《防爆电机》

【年(卷),期】2013(048)004

【总页数】4页(P5-7,13)

【关键词】Ansys仿真;三相永磁无刷直流电机;设计

【作 者】陈治宇;田燕飞;陈风凯;何建源

【作者单位】广东工业大学,广东广州510006;广东工业大学,广东广州510006;广东工业大学,广东广州510006;苇源电机有限公司,广东佛山528300

【正文语种】中 文

【中图分类】TM33

0 引言

永磁无刷直流电机具有结构简单、输出转矩大、调速范围宽、效率高、噪声低、可靠性高、使用寿命长、无滑动接触和换相火花等优点。现已发展为集特种电机、微处理器，控制软件和硬件等于一体的机电一体化的高科技产品［1］。 近年来，随着三相永磁无刷直流电机应用的电压及功率范围的扩大，在交流供电的家用电器中的应用已经越来越受到人们的关注。为了满足家用电器的新需求，对三相永磁无刷直流电机的尺寸、齿槽转矩、电磁噪声、运行性能等提出了新的要求。因此，合理的电机设计对较高电压或较大功率的三相永磁无刷直流电机有重要的意义。本文以设计的一款150W 8p 600r/min 的三相永磁无刷直流电机为实例，利用Maxwell 2D 建立了这款电机的二维有限元仿真模型，给出电机反电势、气隙磁密和电磁场的分布情况，分析齿槽转矩、输出转矩，计算空载永磁体磁场谐波等。并在此基础上试制了样机，完成了有关性能的测试，验证了电磁设计和仿真分析的正确性，为三相永磁无刷直流电机的分析与设计提供了参考。

手工输入公式计算，不可改．

关键判定，提示说明．数据引用

序号名称符号或算式单位一额定数据1额定功率PNW

2额定电压UNV

额定转速n Nrpm

额定电流INA

额定转矩TN=9.549*PN/nNN.m

起动转矩倍数TstN

二主要尺寸及永磁体尺寸选择额定效率ηN =PN/(UN*IN*COSØ)*100%

计算功率P'=((1+2η/100)/(3ηN/100))*PNW

感应电势E'a=((1+(2ηN/100))/3)*UNV极对数p永磁材料类型预计永磁体工作温度t℃永磁体剩磁密度Bt20T

工作时永磁体剩磁密度Br =(1-(t-20)*αBr/100)*(1-IL/100)*Bt20T

剩磁温度系数αBr%K-1剩磁温度不可逆损失率IL%永磁体计算矫顽力Hc20KA/M

工作时永磁体计算矫顽力Hc=(1-(t-20)*αBr/100)*(1-IL/100)*Hc20KA/M

永磁体相对回复磁导率μr=Br/(μ0*Hc)/1000

真空磁导率μ0=4*PI*10-7

工作温度下退磁曲线的拐点bk电枢铁心材料铁芯叠加系数KFe电负荷预估值A'A/cm气隙磁密预估值B'δ=(0.60-0.85)Br =0.8BrT永磁直流电机电磁计算程序和算例:计算极弧系数αi=0.6-0.75长径比预估值λ=0.6-1.5电枢直径Da=(6.1*P'*104/α'*A'*B'δ*nN*λ)1/3cm电枢直径圆整cm电枢长度La=λDacm电枢长度圆整cm极距τ=PI*Da/(2p)cm气隙长度δcm永磁体结构型式极弧系数αP, αP=αI磁瓦圆心角θP, θP=αP*180(°)

永磁体厚度hM永磁体轴向长度LM, LM=LacmLM, LM=(1.1-1.2)Lacm

电枢计算长度Lef,Lef=La+2δcmLef,Lef=La+△L'a(hM+δ)cm△L'a=(0.45-0.5)((LM-La)/(hM+δ))永磁体内径Dmi=Da+2δcm永磁体外径Dmo=Dmi+2hMcm

齿槽转矩、一、问题描述

1.齿槽转矩Tcog：当永

产生的转矩即为Tcog，它是是永磁电机特有的问题之关键问题。

2.饱和电感：绕组存在

导致绕组电感变化。考虑

高电机模型精度有重要意

3.饱和磁链：绕组交链

存在饱和现象。

二、基于Maxwell 2d的求

Maxwell 2D可以有效

对于求Tcog，方法很多

为模板，介绍3种方法。

打开该案例后，首先

Settings中设置“Fract

算例，将新算例的类型修

例，删除RMxprt算例，按

1.静磁场扫描转子旋转角

首先，选中转子轭和4

在弹出窗口中将旋转角度

弹出的窗口中，定义变量

磁链等随电流变化的规律

ANSYS Maxwell求解

、饱和电感、饱和磁链

永磁电机绕组不通电时，永磁体和定子

是永磁体与电枢齿之间相互作用力的

之一，是高性能永磁电机设计和制造中

在电感，当电机负载不同时，铁心的

虑不同负载电流、不同转子角度下的绕

意义。

链有磁链，跟电感一样，磁链也受电流

求解Tcog的方法

仿真得出永磁电机电磁方案的齿槽转

多。本文以R17.2 RMxprt中的自带案例

先将系统中的案例另存到工作目录

ions 1”，计算并生成Maxwell 2D

修改为静磁场算例，并分别再复制一

按照图1重命名各个算例。

图1 算例重命名

角度的方法

个永磁体，做旋转操作（选菜单Edit

度设置为一个新变量“my_ang”（如图

量“my_ang”的初值为“0 deg”。

律，则类似地在输入电流的地方，将电链的方法

子铁芯之间相互作用

的切向分量引起的。Tcog中必须考虑和解决的

的磁饱程度会有差异，

绕组电感变化，对提

流、转子角度的影响，

转矩、电感、磁链。

例4极24槽“assm-1”

录下，然后在Design

瞬态场算例。复制该

一次静磁场和瞬态场算

t->Arrange->Rotate），

图2），并确定；在新

（如要求转矩、电感、

电流定义为新变量。）

图2 旋转转子

然后，选中模型中的“Band”区域，选菜单“Maxwell2D->Parameters->Assign->

基于ANSYS8.0的永磁直线电机的有限元分析及计算

摘 要

永磁直线电机是一种具有很高定位精度的新型电机。不同与其他励磁的直线电机，它采用永磁体作为励磁源。研究其磁场分布及力特性具有重要意义。相对于传统的解析法，有限元数值分析可以缩短电机的设计周期及减少设计成本，可对直线电机的磁场及力得出精确的分析。ANSYS8.0是一种在工程中广泛使用的有限元分析软件，采用该软件中的电磁场分析功能对永磁直线电机的磁场进行有限元的分析和计算，并在此分析的基础上对永磁直线电机的力场做进一步的计算和分析，对永磁直线电机的设计具有重要的工程意义。

通过电磁场的有限元数值分析方法，利用通用有限元分析软件ANSYS8.0建立平板型单边永磁直线电机的有限元模型，分析其2维静态磁场，得到初步的分析结果，并在这个分析的基础上对永磁直线电机的力场进行了进一步的分析，计算直线电机的推力和法向力，结合永磁直线电机的静态磁场，研究了永磁直线电机推力及法向力和电流变化的相互关系，对今后永磁直线电机的设计和研究具有一定的参考意义。

关键词

永磁直线电机、有限元、ANSYS、电磁场、推力、法向力

Finite Element Analysis and Calcultation of a Permanent Magnet

Linear Motor Based on ANSYS8.0

Abstract

The permanent magnet linear motor is a kind of new electrical engineering that has

the very high fixed position accuracy.The differents between the permanent linear motor

and the type of non-permanent is that it adopts thepermanent be the source of dlux