基于 Ansoft 多极多相永磁无刷直流电动机的仿真

邹根华梁得亮

（西安交通大学陕西西安 710049）

摘要:借助于仿真技术指导电机的设计过程，利用Ansoft软件对磁场分布和电枢反应进行了分析，调整电机设计参数，对电机的高密度性能进行理论分析，给出电机仿真结果。

【关键字】高功率密度、电机仿真、永磁电机

Simulation of Multi-pole and Multi-phase Permanent Magenetic BLDC motor Based On Ansoft

Zou genhua, Liang deliang

(Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

Abstract: With the technique of simulation, the design process of motor can be directed in effect. In this paper, the distribution of magnetic field and the reaction of armature can be analysed using Ansoft. The parameter of motor can be regulated through simulation. This paper analyses the theory of multi-phase and multi-pole high power density motor, the result of simulation is given.

Key words: high power density; simulation of motor; permanent magnet motor

1．引言

仿真就是建立系统模型并对模型进行实验。计算机仿真则是借助计算机，用系统模型对真实系统或者设想的系统进行实验的一门综合性技术。计算机不能完全代替实验，却可以逼近实验结果，指导科研过程。Ansoft 是目前分析电机性能实用且有效的方法，能对电机二维、三维场进行准确的分析计算，仿真出电机的磁场分布、速度曲线、转矩曲线等等电机的性能曲线【1】。

下面介绍一种用Ansoft进行仿真的高密度永磁无刷直流电动机，与常规永磁无刷直流电动机相比，其特点如下：

（1）多极磁路可以增加电机磁负荷，减少磁轭，因而可以减小电机的体积和重量；（2）采用五相绕组，并用特殊的供电方式，增加电机的绕组利用率，从而增加电机

的输出功率密度。

2．A nsoft简介

Ansoft Transient仿真环境是Ansoft 公司专门为工程技术人员进行电机电磁场分析以及新型电磁装置电磁场分析所开发的。Ansoft为当今的电磁装置研制人员提供了强大的磁场分析工具，缩短了研制开发的时间，并验证开发方案的可行性。在低频范围内，Ansoft对低频装置，例如，电机的仿真、优化及内部磁场的分析提供强有力的工具。

用Ansoft进行电机仿真具有如下优点：（1）Ansoft拥有强大的材料库，也可以自定义材料，以函数的形式给定激励源的

特性；

（2）系统模型的分析可以通过易用的Windows用户界面来进行，在设计环境

中，工程人员可以快速方便的建立模型

参数；

（3）Ansoft可以与来自测试仪器和数学程序中的数字相结合在一起进行仿真，例

如利用Matlab强大的数算功能，来

增加仿真的精确性和灵活性。

3．运行原理

研制的实验样机为5相4极无刷直流电动机。电机有20个槽，每极每相是1个槽，两相邻槽距是1/4极距。如图（1），在所述定子槽数和转子极数情况下，任何时候都有4相绕组处于通电状态，而另一项不通电。当转子处于图一所示位置时，此时A相不通电，当转子转过36o电角度时，B相将不通电，余类推。图（2）给出了5相绕组的电压波形【2】。

图（1）5相4极电动机

图（2）电压波形

正转和反转时每相绕住均导通144o，关断36o，相邻两相的角差为36o，通断状态取决于转子位置传感器的信号，该传感器由固定在电机端部的霍尔位置传感器器件组成，所产生的信号的作用，给出转子的位置以决定各绕组的通电顺序。电机的换向过程由转子位置传感器和一些电子开关完成，转向由切换逻辑所决定【3】、【4】。

4．样机

实验样机主要数据列于表（1）。

表（1）技术数据

功率 240w 相数 5

额定电压 45V 额定转速 3000r/min 槽数 20 极数 4

绕组形式单层定子外径 7.1cm 转子外径 3.88cm 电机轴上长 2.8cm

5．Ansoft仿真过程及结果

利用Ansoft软件建立电机的模型，对电机的电磁场进行分析，仿真出电机起动过程、稳态过程。Ansoft软件可以准确建立一个电机的物理模型，它提供了一个强大的材料库，可以给模型的各个部分准确的赋予相应的材料，并可以以函数的形式表达每相的激励源，并可模拟无刷直流电机的换向过程。

5．1磁场分析

图（3）为从Ansoft导出的实验样机的二维有限元剖分图：

图（3）电机二维剖分图

由于横截面的磁通分布基本上是一致的，两端部的漏磁可以忽略，电机是用Ansoft二维电磁场分析软件进行计算，图（4）为计算所得的加负载的磁通情况，利用Ansoft软件分析，还可以得到电机的转速、转矩、电流、磁链、损耗、磁场分布、磁感应强度分布、磁场强度分布、电流密度等。

图（4）满载磁通分布

5．2仿真结果分析

图（5）、（6）、（7）给出了电机稳定运行后A相的几个周波电流值及电机起动到稳定后的转矩、转速图。从图中看出，电机运行道0.02秒左右，电机达到稳定状态。

图（5）电机的A相电流波形

图（6）输出转矩图

图（7）电机转速图

6．结论

永磁直流电动机有着不同的结构，本文所述的电机为表面粘贴永磁体，与其他特殊的高密度电机相比，其优点结构和所用的材料均为普通的，因此不需要特殊加工技术，采用常规的设备容易制造出来。直流无刷电机主要采用方波供电，方波具有较高的力密度和功率密度。

利用Ansoft对电机进行磁场分析可验证所设计的电机参数，并且可以调整电机部分参数，例如，转子冲片的形状及磁极的形状、大小，得到较好的电机内部磁场分布，使电机的性能达到最佳，确保电机加工完后运行的可靠性，性能的准确性。

参考文献：

[1] 杨士杰. 用Ansoft Serenade进行通信系统的

仿真，系统工程与电子技术，2001.

[2] C.C.Chan,J.Z.Jiang. A novel high power

density permanent magnet variable-speed motor, IEEE, 1993.

[3] Jinyun Gan,K.T.Chau. A new surface-inset,

permanent-magnet, brushless DC motor drive

for electric vehicles, IEEE, 2000.

[4] K.Sakai,T.Hattori. High efficiency and

high performance motor for energy saving in

systems,IEEE,2001.

作者简介：邹根华（1980－），男，硕士，研究方向为新型高功率密度无刷直流电机及其系统。