基于Ansoft Maxwell的永磁直流空心杯电机有限元分析
摘 要：永磁直流空心杯电机是空心杯电机的一种，体积小重量轻、转动惯量小、工作效率高、功率密度高，在航空航天及国防军事装备领域得到广泛的应用。以永磁直流空心杯电机为模型，运用Ansoft Maxwell软件搭建仿真模型，进行网格剖分、材料赋予及激励源等设置。求解并分析模型在稳态的磁场分布及瞬态的输出特性，为电机的设计与优化提供参考依据。
关键词：空心杯电机;Ansoft Maxwell;有限元分析;
0 引 言
永磁直流空心杯电机是空心杯电机的一种，其因为体积小重量轻、转动惯量小、工作效率高等优点被广泛应用于军事国防领域[1]。瑞士Maxon集团研制的空心杯电机，在2004年随美国航空航天局的火星探测器出色地完成了任务。2012年美国私人航天公司SpaceX的天龙号同样配置了空心杯电机。与国外电机制造业相比，国内在设计专业程度方面和制造良品率方面有一定的差距，导致国内生产的空心杯电机不及国外知名企业的同类型电机。本文介绍了永磁直流空心杯电机工作的原理，基于Maxwell仿真软件对“二极九槽”永磁直流空心杯电机进行二维建模、划分网格、赋予材料属性及设置激励源，对电机稳态磁场情况及瞬态工作情况进行分析，确定电机磁场强度、气隙磁密、输出转矩、转速等情况。
1 永磁直流空心杯电机的结构与原理
永磁直流空心杯电机的特点是转子无铁心，也称为空心杯转子。该类电机带有电刷、换向器，定子采用稀土磁钢产生激磁磁场，当给电机施加直流电压后，通过电刷与换向器的换向绕组中的电流方向保持不变[2],该电流与定子激磁磁场相互作用，形成方向始终不变的电磁转矩，从而使电机以一定的转速工作。
2 基于Ansoft Maxwell的有限元分析
2.1 有限元仿真模型的建立
永磁直流空心杯电机具有系统多变量、非线性及较强的耦合性的特点，故文中简化了不必要的分析计算过程，对电机系统作出如下假设条件[3]:
(1)不计电机中的涡流效应与磁滞效应。
(2)忽略空间谐波对电机磁场的影响。
(3)电机所采用的材料均为各向同性。
永磁直流空心杯电机的结构尺寸与相关参数如表1所示，空心杯电机的结构模型与有限元网格划分如图1、2所示。
图1 永磁直流空心杯电机结构模型图
图2 有限元网格剖分图
表1 电机结构尺寸与相关参数 导出到EXCEL
技术参数 |
参数值 |
技术参数 |
参数值 |
机壳外径/mm |
25 |
额定电压/V |
24 |
机壳内径/mm |
21.2 |
额定转矩/N·m |
0.03 |
电枢杯外径/mm |
19.7 |
额定电流/A |
1.45 |
电枢杯内径/mm |
15.7 |
输出功率/W |
≮24 |
磁钢外径/mm |
15.1 |
极数 |
2 |
磁钢内径/mm |
6 |
绕组数 |
9 |
2.2 磁场计算的数学模型
在Ansof Maxwell软件中，采用如下方程组来求解电磁场问题：
式中，H为磁场强度，A/m; J 为电流密度，A/m2;D为电位移矢量，无量纲；E为电场强度，V/m ;B为磁感应强度，T;ρ为电荷密度，C/m3。
式中，H为磁场强度，A/m; J 为电流密度，A/m2;D为电位移矢量，无量纲；E为电场强度，V/m ;B为磁感应强度，T;ρ为电荷密度，C/m3。
本文利用Maxwell中的二维模块进行仿真，仅考虑电位移矢量的轴向分量，只需研究与永磁直流空心杯电机轴线垂直的界面磁场分布[4]。
2.3 材料赋予与激励源设置
永磁直流空心杯电机转子导体绕组的材料为铜，定子机壳的材料为钢，磁钢的材料为钕铁硼磁钢。
由技术参数知，电机可等效为“2极9槽”的有槽永磁直流电机，绕组节距为4,其外加激励电路如图3所示。
图3 电机外加激励电路
2.4 仿真结果与分析
2.4.1 电机静磁场分析及结果
电机静磁场分析是指仅有永磁体作为励磁激励条件下的分析方式，此时外电路不参与分析。
永磁直流空心杯电机静磁场分析得到的磁力线分布云图与磁感应强度云图如图4、图5所示。
图4 静态下电机磁力线分布
图5 静态下电机磁感应强度云图
由于空气的磁导率远小于选用机壳材料的磁导率，故认为磁力线仅在于电机系统中流通，可以忽略流向空气中的漏磁[5]。在设置仿真的边界条件时，采用狄里克莱边界条件。由图6、图7所示可看出，电机的内外边界边缘处没有磁力线穿越。
图6 机壳外边缘磁力线分布图
图7 机壳内边缘磁力线分布图
2.4.2 电机瞬态磁场分析及结果
Maxwell在瞬态磁场仿真中需要将运动部分与静止部分利用一个特定的区域分开[6]。因此需要添加运动(Band)模块的设置，为简化计算域的划分，Band域设置为电机的磁场及内磁路。激励绕组的设置与静态磁场类似。通过瞬态仿真，可以精确的分析电机在不同时刻的输出特性以及特性曲线。仿真结束时电机的输出转矩曲线、输出转速曲线和输入电流曲线如图8至图10所示。
图8 输出转矩曲线
图9 输出转速曲线
图10 输入电流曲线
从图8至图10中可以看，电机稳态输出转矩大小为0.032 N·m, 稳态输出转速大小为8009 r/min, 输入电流大小为1.49A,整机输出功率大小为26.84 W,满足要求输出参数。
2.4.3 电机机械特性
机械特性曲线主要是用描述电机的输出情况。一般情况下，其Y轴截距点表示电机在堵转状态下的转矩，X轴截距点表示电机空载运行时的空载转速情况以及为零的转矩。本电机的空载机械特性曲线如图11所示，该曲线清晰地描述了电机在空载状态运行过程中转速与转矩变化过程。
图11 电机空载特性曲线
3 结 论
运用Ansoft Maxwell仿真软件对永磁直流空心杯电机进行磁场分布和输出特性仿真，分别研究稳态运行磁场磁力线和磁场强度分布和瞬态输出特性，得到永磁直流空心杯电机输出转矩、输出转速和输入电流等曲线，这有利于永磁直流空心杯电机的设计与优化，并对后续设计人员提供有效的参考。
文章来源：微电机
