基于Ansoft的永磁无刷直流电动机磁场有限元分析
朱彩红
（苏州市职业大学，苏州215104）
摘要：基于有限元分析软件Ansof，采用全场域二维磁场有限元分析方法；对永磁尤刷直流电动机的磁场分布等进行了计算。这些工作为分析永磁无刷直流电动机的工作原理及永磁兀刷直流电动机的进一步开发和应用，建立水磁无刷直流电动机合理的非线性模型提供了理论基础和可靠依据。
关键词：有限元分析；Ansoft永磁电动机；无刷直流电动机
中圈分类号：TM351：TM36 +1 文献标志码：A 文章编号：1001-6848(2010}06-0103-03
0引 言
永磁无刷直流电动机广泛应用于精密电子仪器与设备、工业自动化和现代家用电器等领域，对永磁死刷电机的性能分析的研究成为电机领域的热点问题。在永磁无刷直流电动机性能分析方法中，有直流电机分析法、状态方程仿真法、电磁场解析计算法和电磁场有限元数值计算法。电磁场有限元数值计算被广泛地应用于分析各种电气设备的分析计算，它可以综合考虑铁磁材料的非线性，以及电机参数的变化。本支采用Ansof对磁场分布和变化比较复杂的永磁无刷直流电动机样机进行分析，并通过Ansof的分析结果对应关系反映电机的运行原理。
1永磁无刷直流电动机磁场有限元分析模型
1.1永磁无刷直流电动机的结构和设计参数
永磁无刷直流电动机运行时，电动机内部的电磁场分布较为复杂，计算这种非线性磁场，可以采用有限元法通过计算磁场中的矢量磁位A来完成。
本文所分析的样机参数如表l所示。
1.2基本假设
由于磁场随转子位置而时刻变化，采用部分场域分析的方法，边界条件较难确定，因此本文采用全场域分析的方法。为了建立永磁无刷直流电动机内部磁场的微分方程，确定求解区域和有限元求解的边界条件，作如下假设；
①忽略电机端部磁场效应，磁场沿轴向均匀分布，矢量磁位A和电流密度，只有轴向分量Az和Jz，故磁感应强度只有Bx和By分量；
②忽略转子铁心中的涡流、磁滞损耗；
③磁场仅被限制于电机的内部，定子的外部边界及转子的内部边界认为是零矢量磁位线；
④不计交变磁场在导电材料中如定子绕组及机座中的涡流反应。
1.3数学模型及边界条件
根据以上假设，针对永磁无刷直流电动机的全场域二维平面磁场，用矢量磁位表述边值问题：
上式等价于以下变分问题：
式中，Ω为电机的求解场域。
1.4基于Ansoft的电机有限元模型建立与求解
本文采用ANSOFT对一台50W的三相9/6极永磁直流无刷电机样机进行计算。利用Maxwell 2D建立二维电机有限元模型，建模过程如下：①选择求解器；②确定电机结构尺寸数据，画出电机模型；③确定电机材料属性；④确定有限元计算的边界条件和载荷；⑤确定剖分；⑥确定动态参量，求解分析。
在Ansoft环境中建立的永磁直流无刷电机二维求解场域如图1所示。
1 4.1电机物理模型的建立
永磁直流无刷电机的二维物理模型的建立如图1所示。由于所分析的电机为6极结构，在Ansoft软件环境下创建物理模型时，可对转子建立1/6模型，定子建立1/9模型，利用铳像复制和旋转复制命令即可得到全场域的模型，并通过采用坐标系的变换对转子进行方便的旋转，得到各个转子位置角度的电机模型。
1.4 2电机材料特性的确定
在Ansoft软件环境下，模型可以有以下一种或多种材料区域分别为空气、导磁材料、导电材料和永磁材料。建立模型时，要求每种材料区都要输入相应的材料特性，材 |
