基于Ansoft的永磁無刷直流電動機磁場有限元分析
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的磁場分布等進行了計算。這些工作為分析永磁無刷直流電動機的工作原理及永磁兀刷直流電動機的進一步開發(fā)和應(yīng)用，建立水磁無刷直流電動機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；無刷直流電動機
中圈分類號：TM351：TM36 +1 文獻標(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，對永磁死刷電機的性能分析的研究成為電機領(lǐng)域的熱點問題。在永磁無刷直流電動機性能分析方法中，有直流電機分析法、狀態(tài)方程仿真法、電磁場解析計算法和電磁場有限元數(shù)值計算法。電磁場有限元數(shù)值計算被廣泛地應(yīng)用于分析各種電氣設(shè)備的分析計算，它可以綜合考慮鐵磁材料的非線性，以及電機參數(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樣機進行分析，并通過Ansof的分析結(jié)果對應(yīng)關(guān)系反映電機的運行原理。
1永磁無刷直流電動機磁場有限元分析模型
1.1永磁無刷直流電動機的結(jié)構(gòu)和設(shè)計參數(shù)
永磁無刷直流電動機運行時，電動機內(nèi)部的電磁場分布較為復(fù)雜，計算這種非線性磁場，可以采用有限元法通過計算磁場中的矢量磁位A來完成。
本文所分析的樣機參數(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不計交變磁場在導(dǎo)電材料中如定子繞組及機座中的渦流反應(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：
上式等價于以下變分問題：
式中，Ω為電機的求解場域。
1.4基于Ansoft的電機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樣機進行計算。利用Maxwell 2D建立二維電機有限元模型，建模過程如下：①選擇求解器；②確定電機結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)，畫出電機模型；③確定電機材料屬性；④確定有限元計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二維求解場域如圖1所示。
1 4.1電機物理模型的建立
永磁直流無刷電機的二維物理模型的建立如圖1所示。由于所分析的電機為6極結(jié)構(gòu)，在Ansoft軟件環(huán)境下創(chuàng)建物理模型時，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)子進行方便的旋轉(zhuǎn)，得到各個轉(zhuǎn)子位置角度的電機模型。
1.4 2電機材料特性的確定
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，要求每種材料區(qū)都要輸入相應(yīng)的材料特性，材 |
