基于Ansoft的永磁無刷直流電動機(jī)磁場有限元分析
朱彩紅
（蘇州市職業(yè)大學(xué)，蘇州215104）
摘要：基于有限元分析軟件Ansof，采用全場域二維磁場有限元分析方法；對永磁尤刷直流電動機(jī)的磁場分布等進(jìn)行了計(jì)算。這些工作為分析永磁無刷直流電動機(jī)的工作原理及永磁兀刷直流電動機(jī)的進(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用，建立水磁無刷直流電動機(jī)合理的非線性模型提供了理論基礎(chǔ)和可靠依據(jù)。
關(guān)鍵詞：有限元分析；Ansoft永磁電動機(jī)；無刷直流電動機(jī)
中圈分類號：TM351：TM36 +1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-6848(2010}06-0103-03
0引 言
永磁無刷直流電動機(jī)廣泛應(yīng)用于精密電子儀器與設(shè)備、工業(yè)自動化和現(xiàn)代家用電器等領(lǐng)域，對永磁死刷電機(jī)的性能分析的研究成為電機(jī)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。在永磁無刷直流電動機(jī)性能分析方法中，有直流電機(jī)分析法、狀態(tài)方程仿真法、電磁場解析計(jì)算法和電磁場有限元數(shù)值計(jì)算法。電磁場有限元數(shù)值計(jì)算被廣泛地應(yīng)用于分析各種電氣設(shè)備的分析計(jì)算，它可以綜合考慮鐵磁材料的非線性，以及電機(jī)參數(shù)的變化。本支采用Ansof對磁場分布和變化比較復(fù)雜的永磁無刷直流電動機(jī)樣機(jī)進(jìn)行分析，并通過Ansof的分析結(jié)果對應(yīng)關(guān)系反映電機(jī)的運(yùn)行原理。
1永磁無刷直流電動機(jī)磁場有限元分析模型
1.1永磁無刷直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)
永磁無刷直流電動機(jī)運(yùn)行時(shí)，電動機(jī)內(nèi)部的電磁場分布較為復(fù)雜，計(jì)算這種非線性磁場，可以采用有限元法通過計(jì)算磁場中的矢量磁位A來完成。
本文所分析的樣機(jī)參數(shù)如表l所示。
1.2基本假設(shè)
由于磁場隨轉(zhuǎn)子位置而時(shí)刻變化，采用部分場域分析的方法，邊界條件較難確定，因此本文采用全場域分析的方法。為了建立永磁無刷直流電動機(jī)內(nèi)部磁場的微分方程，確定求解區(qū)域和有限元求解的邊界條件，作如下假設(shè)；
①忽略電機(jī)端部磁場效應(yīng)，磁場沿軸向均勻分布，矢量磁位A和電流密度，只有軸向分量Az和Jz，故磁感應(yīng)強(qiáng)度只有Bx和By分量；
②忽略轉(zhuǎn)子鐵心中的渦流、磁滯損耗；
③磁場僅被限制于電機(jī)的內(nèi)部，定子的外部邊界及轉(zhuǎn)子的內(nèi)部邊界認(rèn)為是零矢量磁位線；
④不計(jì)交變磁場在導(dǎo)電材料中如定子繞組及機(jī)座中的渦流反應(yīng)。
1.3數(shù)學(xué)模型及邊界條件
根據(jù)以上假設(shè)，針對永磁無刷直流電動機(jī)的全場域二維平面磁場，用矢量磁位表述邊值問題：
上式等價(jià)于以下變分問題：
式中，Ω為電機(jī)的求解場域。
1.4基于Ansoft的電機(jī)有限元模型建立與求解
本文采用ANSOFT對一臺50W的三相9/6極永磁直流無刷電機(jī)樣機(jī)進(jìn)行計(jì)算。利用Maxwell 2D建立二維電機(jī)有限元模型，建模過程如下：①選擇求解器；②確定電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)，畫出電機(jī)模型；③確定電機(jī)材料屬性；④確定有限元計(jì)算的邊界條件和載荷；⑤確定剖分；⑥確定動態(tài)參量，求解分析。
在Ansoft環(huán)境中建立的永磁直流無刷電機(jī)二維求解場域如圖1所示。
1 4.1電機(jī)物理模型的建立
永磁直流無刷電機(jī)的二維物理模型的建立如圖1所示。由于所分析的電機(jī)為6極結(jié)構(gòu)，在Ansoft軟件環(huán)境下創(chuàng)建物理模型時(shí)，可對轉(zhuǎn)子建立1/6模型，定子建立1/9模型，利用銃像復(fù)制和旋轉(zhuǎn)復(fù)制命令即可得到全場域的模型，并通過采用坐標(biāo)系的變換對轉(zhuǎn)子進(jìn)行方便的旋轉(zhuǎn)，得到各個(gè)轉(zhuǎn)子位置角度的電機(jī)模型。
1.4 2電機(jī)材料特性的確定
在Ansoft軟件環(huán)境下，模型可以有以下一種或多種材料區(qū)域分別為空氣、導(dǎo)磁材料、導(dǎo)電材料和永磁材料。建立模型時(shí)，要求每種材料區(qū)都要輸入相應(yīng)的材料特性，材 |
