永磁無刷直流電機的原理

無刷直流電動機是利用電子開關電路代替有刷直流電動機得機械換向。無刷直流電動機為了實現無機械接觸換相，取消了電刷，將電樞繞組和永磁磁鋼分別放在定子和轉子上。

為了實現對電動機轉速和轉動方向的控制，無刷直流電動機必須具有由轉子位置傳感器、控制電路及功率器件共同構成的換相裝置。所以無刷直流電動機是一種典型的機電一體化產品。

無刷直流電動機由電動機和電子驅動器兩部分組成，如圖１所示。永磁無刷直流電動機的位置傳感器與電動機轉子同軸，控制電路對位置信號進行邏輯變換后產生驅動信號，驅動信號經功率開關器件，使電動機的各相繞組按一定的順序工作。

 永磁無刷直流電動機的設計

主要性能指標

永磁無刷直流電動機設計的指標是，額定功率為 100 Ｗ，標稱電壓為 115 V，相數為3，額定轉速為4000 r/min，兩相導通三相六狀態方波設計，電機使用環境溫度≤８０℃。

電機主要尺寸的確定

電機的主要尺寸有經驗公式為：

Ｄ_ｉｌ為電樞內徑，Ｌ_ｅｆ為電動機長度，Ｐ為計算電磁功率，α 為極弧系數，Ａ為電負荷，Ｂ_δ 為磁負荷，ｎ_Ｎ為額定轉速。

永磁無刷直流電動機的設計流程主要包括 ：主要尺寸、長徑比、齒寬和軛高的計算、永磁體尺寸和繞組參數的確定等。

通過對電動機參數的計算、校驗，最終確定電動各個部分的參數。

定子設計：槽數為９；定子的內徑為 30 ｍｍ；槽口寬為 2.5 ｍｍ；槽口深為 0.5 ｍｍ；槽深為 10.5 ｍｍ；定子齒寬為５ｍｍ。

轉子設計：外徑為 29 ｍｍ；永磁體厚度為３ｍｍ；轉子內孔直徑為 10 ｍｍ，轉子磁環為５對極，粘接釹鐵硼，15℃下剩磁通密度 0.654Ｔ，矯頑力為421ｋＡ/ｍ；

繞組：每槽匝數為 45 匝；線徑為 0.62 ｍｍ。

 

電機有限元模型的建立

根據上面初步設計的數據，電機的主要參數是：定子內徑為 30 ｍｍ；轉子外徑為 29 ｍｍ；轉子內徑為 10 ｍｍ；永磁體厚度為３ｍｍ；定子槽數為９；電機極數為 10 ；鐵芯長度 為  50 ｍｍ。

利用 軟 件  An-soft  /  Maxwell 2D 模塊進行無刷直流電機模型的建立的步驟為：
①打開 Maxwell 2D 模塊界面，確定電機的求解環境。
②利用 AutoCAD 作圖軟件，畫出電機的模型 ( 包括定子、轉子、永磁體、繞組等），將畫好的模型導入到 Maxwell 2D中，如圖２所示。

③利用軟件的自帶材料或者自定義材料給電機的各部分添加材料。

④建立各相繞組，并對電機各部分進行剖分，使之達到合理的剖分效果，如圖３所示。

⑤確定電機求解過程中的邊界條件、激勵、損耗等。
⑥確定求解時間、負載轉矩等。

基于 Simplorer 電機的建模

Simplorer 是功能強大的多域機電系統設計與仿真分析軟件，可以對機電驅動系統、熱力系統、傳動系統、傳感器設備、電磁場領域和電力電子系統進行仿真分析。

Simplorer 建模的基本步驟為：查找、放置所需要元件，元件連接，元件屬性設置，輸出變量設置，求解屬性設置，仿真結果顯示設置。

將 Maxwell 2D導入到軟件Simplorer 中，可建立基于Simplorer 的永磁無刷直流電機的模型。

仿真結果分析

設計的聯合仿真部分結果如圖４～圖６所示。

從圖４，可以看出電機穩定之后，平均轉速為 4166ｒ/ min。與理論額定轉速 4000ｒ/ min相差在誤差范圍之內，是符合設計要求的。 

通過添加輸出變量的方式，＝Moving 1 ．Torque ×4166 / 9.55 ，可以從輸出功率曲線中看出，電機穩定之后輸出功率的平均值為 101.52 Ｗ。

同樣，輸入功率＝輸出＋機械損耗＋鐵耗＋銅耗＋附加損耗＋開關管損耗，可以從輸入曲線圖中得出，穩定之后的輸入功率平均值為 119.43 Ｗ。從而可計算出該電機的平均效率為 85 ％，是符合基本設計要求的。

樣機實驗數據與仿真數據對比

根據上述的設計，試制了一款樣機，給電機加 115 Ｖ的直流電壓，調速到 6000 ｒ/ min，用測功機測試。樣機與仿真的數據對比如表１所示。

通過表１的對比可知， Maxwell 軟件的仿真值與樣機的實測數據比較接近，在誤差的允許范圍之內，電機性能滿足設計的要求。