永磁无刷直流电机电磁设计

论文总字数：19862字

目 录

1.绪论 1

1.1永磁无刷直流电机的主要特点及其应用 1

1.2永磁无刷直流电机的发展概况 2

1.3国内外的研究现状 3

2.永磁无刷直流电机的结构及工作特性 3

2.1永磁无刷直流电机的基本结构 3

2.1.1电机本体 4

2.1.2转子位置传感器 4

2.1.3电子换相电路 5

2.2永磁无刷直流电机的工作特性 5

2.2.1永磁无刷直流电机的原理 5

2.2.2永磁无刷直流电机的运行方式 6

3.永磁无刷直流电机的电磁仿真 7

3.1有限元法 7

3.1.1有限元法的原理 7

3.1.2有限元法的求解步骤和特点 7

3.1.3有限元分析软件Ansoft 8

3.2永磁无刷直流电机的建模 9

3.2.1电机设计 9

3.2.2设计步骤 9

3.2.3主要尺寸的确定 10

3.2.4材料分配 11

3.2.5电机本体模型的建立 11

3.2.6网格剖分 12

3.2.7求解 13

3.3永磁无刷直流电机的电磁分析 13

3.3.1电机的空载仿真 13

3.3.2电机的负载瞬态仿真 16

3.4本章小结 21

4.总结和展望 22

4.1总结 22

4.2展望 22

参考文献 23

致谢 24

永磁无刷直流电机电磁设计

张文凤

,China

Abstract:In this paper, the main features of the motor and its development research are introduced. Then, the structure and working principle of the motor are described and analyzed. Finally, the design scheme of this paper is designed, and a 220V and 550W Motor, mainly on the motor body design. The magnetic field of the motor is studied. Through a small permanent magnet brushless DC motor body design, determine the motor parameters, such as motor stator and rotor parameters, motor shaft length and so on. And then the finite element method for learning, the use of Ansoft software to simulate the motor within the magnetic field, the main use of the software is the 2D simulation module and external circuit drawing module. The distribution of the electromagnetic field in the motor and the reasonable structure of the motor are obtained by analyzing the obtained air gap, back EMF, magnetic flux and magnetic field lines. The results of the analysis are conducive to the optimization of the parameters of the motor design.

Key words:Permanent magnet brushless DC motor electromagnetic;Ontology design;The motor magnetic field;Ansoft software

1.绪论

1.1永磁无刷直流电机的主要特点及其应用

永磁无刷直流电机是一种新型机电一体化电机，它伴随着半导体电子技术的发展而不断

更新，是现代电子技术(包括电力电子、微电子技术)、控制理论和电机技术结合的产物^[1]。通过对永磁直流电机中的定转子位置的改变就可以得到永磁无刷直流电机。它继承了有刷直流电动机的优势，另外它没有换向器和电刷组成的机械接触结构，这有助于增加电机的使用寿命并且减少噪声和电磁的干扰。虽然它叫直流，但它并不是指直流电机，因为它采用的是交流方波供电，因此，也可以称它为永磁无刷方波电机。因为传统的直流电动机是利用电刷，按照机械的方法进行换向的，所以就有了机械摩擦损耗，产生了噪音、火花和无线电的干扰，减少了使用时间，并且经常需要维护^[2]。永磁无刷直流电动机的转速能够很方便的调节，可以在使用的时候根据要求确定它的转速，因而它转矩特性比较好，并且它的热阻较小，散热容易。同时该电机也有交流电动机的各种优点，例如运行可靠等。由电机使用的永磁体材料的差异，可以把电机归为不同的种类。常见的有铝镍钻永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机还有稀土永磁直流电动机。铝镍钻永磁无刷直流电动机对高温有良好的适应性，通常应用于对温度稳定性要求较高的场合，但是它对贵重金属的消耗大，因此价格昂贵。而铁氧体的就比较便宜，它的性能也好，可以应用在很多个领域，像是各种家用电器等方面。因为稀土的价格比较高，所以对用稀土材料作磁极的稀土永磁无刷直流电动机来说它的价格也很高，它主要用在像航天、精密仪器这些高端的领域。钕铁硼永磁无刷直流电动机是现在应用较广的一种电动机。因为我国拥有世界80%以上蕴藏量的钕矿资源，所以它的价格比较低廉，而且它不需要电源励磁，没有励磁损耗，这样效率就得到了很大的提高。另外它的体积小重量轻，结构简单，同时减少了铁铜材料的使用，可靠性和动态性能都比较好。

该电机在与异步电机相比时它的特点如下:

1. 效率提高，铁耗低。因为稀土电机转子利用永磁体来励磁，它没有铜滞损耗所以定子绕 组的电流也就减小了。这样电机的效率就变得高了。
2. 气隙磁通的密度也得到了提高，这样能够节约很多铜铁金属材料。
3. 更容易实现调速和控制。
4. 体积更小、重量更轻。

该电机在与永磁同步电机相比时它的特点如下:

1. 永磁无刷直流电机它的转矩脉动较大，同步电机的转矩脉动小。
2. 永磁无刷直流电机一般在对功率要求大、而对转动的平稳性要求不打的情况下使用。另 外一个则主要在功率小、转动的平稳性要求高情况下使用。
3. 该电机的转矩比永磁同步电机要高，导致它的能量密度也更高、体积变小，这样对减少成本非常有利。
4. 该电机比永磁同步电机的控制操作更加容易，而且它的控制系统的花费不高。对同步的它在调速的时候需要采用矢量控制或直接转矩控制，但是这两个方式下的坐标都要变换一下，不过永磁体电机的控制只需按找一般方式就可以。

在现代生活中该电机凭借其众多的优良性能，在很多的方面都被广泛的利用。例如在在汽车中的应用有助于汽车的高速运行而且也不会在汽车更换轮胎的时候对汽电机本体产生影响；应用了该电机的电动自行车免维护、可靠性强、节能还能增加使用寿命，优势明显；在工业自动化设备领域中的应用实现了机械的高精度、高效率的进行运行；另外，它在精密的电子设备和器械中的应用可适应各种持续或可变负载的要求，灵活运行^[3]。虽然这种电机在应用上有很多优越的地方，但是在应用它的时候还应该注意:如果产品没有其它特别的说明，在一般情况下很多的电动机要想在反接制动的条件下工作都是不被同意的，否则就会造成永磁体退磁;如果必须要采取这样的方法工作的话就要有限流的电阻来避免过大的电流的产生。另外还要对电机好坏进行初步的检查:

1. 检查电机的外观:需要没有划痕、损坏还有涂镀层掉落的情况;
2. 转动的转轴时应能够快速的运动，并且没有突然卡住的情况出现；
3. 看好电动机的接线是不是坚固，并且要在通电的情况下工作。看电动机在旋转的过程中是否存在摩擦，注意是否有由于摩擦而发出的不正常声响；
4. 要时刻注意防止出现局部温度过高的现象；
5. 要防止因为电流过大、温度快速变化和磁路断开而导致的永磁体磁性消失的情况，特别是对铝镍钻的永磁无刷电动机，在装卸的时候要防止永磁体磁路发生短路故障，否则在磁路退磁后就要另外对其充磁，这样就会影响到使用效率和电机的使用寿命。

1.2永磁无刷直流电机的发展概况

磁电机利用永磁体来建立磁场，这样不但可以使电机的结构更加简单还可以节省能量，其中，这种材料的快速进步对永磁无刷直流电机的发展起着至关重要的作用。

1821年9月，法拉第设计出世界上首台永磁电机，自此形成了大众对电机知识的基本理解。但是那个时候的永磁体都是由普通矿石生产的，磁性非常微弱，所以就导致了电机个头非常大但是性能却不好的结果。

到了1845年出现了用电磁铁代替了永久磁铁的方法，继而永磁电机在各方面都可以快速的发展。到了1930年以后，铝镍钻永磁材质开始显现并应用，永磁体的磁性能取得了很大提高。

再然后铁氧体永磁原料出现，该材质的矫顽力比较高，重点的退磁曲线的部分都为直线，因而也不需要对它进行稳磁化的处理。但是它的弊端是剩余磁密度不理想，而温度系数较强。主要是它比较便宜，所以也只是汽车用的小型的电机上用比较多的应用。

到了1960年以后，制作告成的高机能的衫钻永磁质料。一方面它的剩余磁感应强度和矫顽力都比较高，剩磁温度系数又很低，退磁曲线就是直线；另一方面稀土钻永磁材质的质量好、不变性都比较好，可以做电机的永磁材质^[4]。但因为该原料的价钱很高，以是通常只用在条件严格的场合.好比像飞机用的电机和一些不在乎价钱只想要高品质的高科技范畴。

钕铁硼永磁材料是在二十世纪八十年代由日本住友公司和美国通用公司分别研发完成的。该材质的剩余磁感应强度和矫顽力都比较高，但是它的不足之处在于居里温度和剩磁温度系数都比较低，由于钕铁硼永磁体材料的磁性能比其他的永磁材料要高而且它的价格又低，大量的存在于稀土矿里面，所以一经问世就得到了极大的关注。

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