基于 Simplorer 和 Maxwell 的永磁无刷直流电动机的设计仿真

永磁无刷直流电机的原理

无刷直流电动机是利用电子开关电路代替有刷直流电动机得机械换向。无刷直流电动机为了实现无机械接触换相，取消了电刷，将电枢绕组和永磁磁钢分别放在定子和转子上。

为了实现对电动机转速和转动方向的控制，无刷直流电动机必须具有由转子位置传感器、控制电路及功率器件共同构成的换相装置。所以无刷直流电动机是一种典型的机电一体化产品。

无刷直流电动机由电动机和电子驱动器两部分组成，如图１所示。永磁无刷直流电动机的位置传感器与电动机转子同轴，控制电路对位置信号进行逻辑变换后产生驱动信号，驱动信号经功率开关器件，使电动机的各相绕组按一定的顺序工作。

 永磁无刷直流电动机的设计

主要性能指标

永磁无刷直流电动机设计的指标是，额定功率为 100 Ｗ，标称电压为 115 V，相数为3，额定转速为4000 r/min，两相导通三相六状态方波设计，电机使用环境温度≤８０℃。

电机主要尺寸的确定

电机的主要尺寸有经验公式为：

Ｄ_ｉｌ为电枢内径，Ｌ_ｅｆ为电动机长度，Ｐ为计算电磁功率，α 为极弧系数，Ａ为电负荷，Ｂ_δ 为磁负荷，ｎ_Ｎ为额定转速。

永磁无刷直流电动机的设计流程主要包括 ：主要尺寸、长径比、齿宽和轭高的计算、永磁体尺寸和绕组参数的确定等。

通过对电动机参数的计算、校验，最终确定电动各个部分的参数。

定子设计：槽数为９；定子的内径为 30 ｍｍ；槽口宽为 2.5 ｍｍ；槽口深为 0.5 ｍｍ；槽深为 10.5 ｍｍ；定子齿宽为５ｍｍ。

转子设计：外径为 29 ｍｍ；永磁体厚度为３ｍｍ；转子内孔直径为 10 ｍｍ，转子磁环为５对极，粘接钕铁硼，15℃下剩磁通密度 0.654Ｔ，矫顽力为421ｋＡ/ｍ；

绕组：每槽匝数为 45 匝；线径为 0.62 ｍｍ。

 

电机有限元模型的建立

根据上面初步设计的数据，电机的主要参数是：定子内径为 30 ｍｍ；转子外径为 29 ｍｍ；转子内径为 10 ｍｍ；永磁体厚度为３ｍｍ；定子槽数为９；电机极数为 10 ；铁芯长度 为  50 ｍｍ。

利用 软 件  An-soft  /  Maxwell 2D 模块进行无刷直流电机模型的建立的步骤为：
①打开 Maxwell 2D 模块界面，确定电机的求解环境。
②利用 AutoCAD 作图软件，画出电机的模型 ( 包括定子、转子、永磁体、绕组等），将画好的模型导入到 Maxwell 2D中，如图２所示。

③利用软件的自带材料或者自定义材料给电机的各部分添加材料。

④建立各相绕组，并对电机各部分进行剖分，使之达到合理的剖分效果，如图３所示。

⑤确定电机求解过程中的边界条件、激励、损耗等。
⑥确定求解时间、负载转矩等。

基于 Simplorer 电机的建模

Simplorer 是功能强大的多域机电系统设计与仿真分析软件，可以对机电驱动系统、热力系统、传动系统、传感器设备、电磁场领域和电力电子系统进行仿真分析。

Simplorer 建模的基本步骤为：查找、放置所需要元件，元件连接，元件属性设置，输出变量设置，求解属性设置，仿真结果显示设置。

将 Maxwell 2D导入到软件Simplorer 中，可建立基于Simplorer 的永磁无刷直流电机的模型。

仿真结果分析

设计的联合仿真部分结果如图４～图６所示。

从图４，可以看出电机稳定之后，平均转速为 4166ｒ/ min。与理论额定转速 4000ｒ/ min相差在误差范围之内，是符合设计要求的。 

通过添加输出变量的方式，＝Moving 1 ．Torque ×4166 / 9.55 ，可以从输出功率曲线中看出，电机稳定之后输出功率的平均值为 101.52 Ｗ。

同样，输入功率＝输出＋机械损耗＋铁耗＋铜耗＋附加损耗＋开关管损耗，可以从输入曲线图中得出，稳定之后的输入功率平均值为 119.43 Ｗ。从而可计算出该电机的平均效率为 85 ％，是符合基本设计要求的。

样机实验数据与仿真数据对比

根据上述的设计，试制了一款样机，给电机加 115 Ｖ的直流电压，调速到 6000 ｒ/ min，用测功机测试。样机与仿真的数据对比如表１所示。

通过表１的对比可知， Maxwell 软件的仿真值与样机的实测数据比较接近，在误差的允许范围之内，电机性能满足设计的要求。