基于Ansoft的无刷电机内转子结构分析

王　典

（ 上海电动工具研究所（集团）有限公司　上海电动工具工程技术研究中心，上海　200233 ）

·开发设计·

基于Ansoft的无刷电机内转子结构分析

王典

（ 上海电动工具研究所（集团）有限公司上海电动工具工程技术研究中心，上海200233 ）

基于三种传统永磁无刷电机内转子结构，通过Ansoft有限元分析软件，在电磁磁路和扭矩数值两方面，分析其因转子采用稀土磁钢结构不同所产生的差异性，得出转子结构的优缺点。

无刷电机；有限元分析；电动工具；稀土磁钢

0　引言

永磁无刷直流电机效率高、寿命长、无火花、噪音小，因其维护成本低、节能环保等优点，越来越多地应用在充电式电动工具、园林工具以及医疗器械等领域中。随着企业信息化技术的不断发展，各种有限元分析软件已经成为支持工程行业和制造企业信息化的主导技术，在提高工程、产品的设计质量，降低研究开发成本，缩短开发周期等方面都发挥了重要作用，成为实现工程和产品创新的支撑技术。本文采用Ansoft电机电磁有限元软件，从电磁磁路、扭矩数值等方面，对市场上常见的无刷电机内转子类型进行分析与比较。

1　电机建模

对于电动工具行业较多采用的六槽四极稀土无刷电机而言，其转子的结构形式主要有三种。一种是采用矩形的稀土永磁体，插入转子槽内并进行轴向固定，如图1（a）所示；第二种结构采用扇形的稀土永磁体，插入转子槽内并进行轴向固定，如图1（b）所示；第三种结构采用环形稀土磁钢，充磁成四个极，俗称磁环，粘接在转子表面，如图1（c）所示。在Ansoft软件中，将三种不同结构的转子置于相同的定子参数环境，在相同电流的作用下，分析电机中磁路的情况和扭矩的差异。

首先，在Ansoft软件中绘制无刷电机的2D图，以定子外径50mm，转子外径26mm的永磁无刷直流电机为参考对象，定转子间隙为0.5mm，稀土磁钢选择2mm的常规厚度，充磁方向为直线，中间轴孔径设为8mm。

图1 转子结构

2　材料选择

在二维模型建立后，对各个部件的材料种类进行定义。

2.1 稀土磁钢

Ansoft软件中自带电机材料库，对于稀土磁钢，选用牌号为XG196/96的磁性材料，其材料的磁化曲线和相关性能参数如图2所示，可以看到，其最大剩磁是0.96T，最大矫顽力为690000A/m。

图2 稀土磁钢材料磁化曲线与参数

2.2 矽钢片

选用牌号为M19_24G的矽钢片材料，该材料的磁化曲线和性能参数如图3所示。

2.3 其他

对于其他部件，我们将电磁线材质定义为铜线，将其他空余部分定义为真空，整体的边界条件定义为定子外径轮廓（仅考虑电机内部的情况）。另外，需要定义的还有无刷电机的连接方式。在本次模拟中，采用的是三角形连接，如图4所示，即将各相电源或负载依次首尾相连，并将每个相连的点引出，作为三相电的三个相线。同时，确定电流参数。考虑到是永磁无刷直流电机，参考额定负载时的情况，将电流值设定为25A，另外两条相电流设定为12.5A。最后，使用Ansoft软件的内部工具，将三种无刷电机整体自动划分网格，经过计算，输出结果。

图3 矽钢片材料磁化曲线与参数

图4 三角形连接

3　输出结果分析

3.1 磁路分析

在电机设计中，电机静态的磁感应强度和磁力线流向是考量电机冲片设计是否合理的重要参数之一。图5～图7分别为三种不同转子形式的电机磁路分析。

图5 矩形插片式稀土磁钢的无刷电机磁感应强度和磁力线分布

矩形插片式稀土磁钢的无刷电机磁感应强度和磁力线分布如图5所示。通过查看磁力线的流向，可以清晰发现，在两片矩形磁钢的交接处，产生了漏磁的现象，不少磁力线并未经过定子。在磁感应强度分布上，设置1.5T为坐标上限，可以看到整个电机的磁感应强度为0.5T～0.8T左右。最高的磁感应强度积聚在转子两片磁钢的交界处。

图6 扇形插片式稀土磁钢的无刷电机磁感应强度和磁力线分布

扇形插片式稀土磁钢的无刷电机磁感应强度和磁力线分布如图6所示。通过查看磁力线的流向，可以看到，只有些许的漏磁现象，大部分磁力线经过定子。在磁感应强度分布上，我们设置1.5T为坐标上限，可以看到整个电机的磁感应强度为0.7T～1.3T左右。在转子表面部分位置磁感应强度高。

图7 环形稀土磁钢的无刷电机磁感应强度和磁力线分布

环形稀土磁钢的无刷电机磁感应强度和磁力线分布如图7所示。通过查看磁力线的流向，可以看到，并未发生漏磁现象，全部磁力线经过定子。在磁感应强度分布上，设置1.5T为坐标上限，可以看到整个电机的磁感应强度为0.8T～1.4T左右。

3.2 扭矩分析

在电机性能中，扭矩是考量电机性能优劣的一个重要指标。在电流设置在25A，Ansoft软件默认铁芯长度为1m的情况下，采用矩形磁钢转子、扇形磁钢转子和环形磁钢转子的扭矩数值，依次分别为0.599N·m、1.240N·m和1.354N·m，如图8所示。

图8 扭矩数值

通过磁路分析和扭矩分析两项参数比较，无论在磁路合理性和扭矩数值上，采用矩形磁钢转子的结果都不如采用扇形磁钢转子和采用环形磁钢转子，而扇形磁钢转子和环形磁钢转子的比对结果差距不大，扭矩数值差异在10%以内。另一方面，在电机制造成本和制造工艺难度上，矩形磁钢转子的成本最为低廉，加工也较为便利，扇形磁钢转子其次，环形磁钢转子的成本最高。

4　结语

本文以Ansoft有限元分析软件为工具，对永磁直流无刷电机通常采用的内转子结构进行了分析比较，得出了三种转子结构在性能上的电磁磁路和扭矩数值的差异。在实际电机设计制造中，设计工程师还能通过有限元软件模拟电机的转速，电动势等其他参数，改善电机结构设计以获得更好的性能，进而节省整个产品的设计周期。

［1］杨闯. 基于ADAMS的修枝机变速箱机械传动结构仿真分析研究［J］.电动工具，2015（2）.

［2］王广生，黄守道，高剑. 基于Ansoft软件设计分析内置式永磁同步电机［J］.微电机，2011（2）.

［3］赵博，张洪亮等. Ansoft12在工程电磁场中的应用［M］.北京：中国水利水电出版社，2013.

Analysis of Rotor Structure in Brushless DC Motor based on Ansoft

Wang Dian
SETRI（Group）Co.，Ltd. Shanghai Electric Tools Engineering Center， Shanghai 200233， China

Based on three kinds of structure of traditional permanent magnet brushless motor rotor， through the finite element analysis software Ansoft， this paper analyzes the differences produced by different rare earth permanent magnet structure of rotor in the aspects of electromagnetic circuit and torque， and concludes the advantages and disadvantages of various rotor structures.

Brushless motor； Finite element analysis； Electric tools；Rare earthpermanent magnet

TM930.1

A

1674-2796（2016）03-0001-04

2016-04-10

王典（1989—），男，大学本科，工程师，主要从事充电式电动工具及电机本体研发工作。