基于Maxwell的永磁直流电机磁场分布有限元分析

邱伟国　舒云峰　胡　瑞　赵修彬　高　原　尹春龙

(中钢集团安徽天源科技股份有限公司)



基于Maxwell的永磁直流电机磁场分布有限元分析

邱伟国舒云峰胡瑞赵修彬高原尹春龙

(中钢集团安徽天源科技股份有限公司)

摘要采用Maxwell 16.0有限元分析软件对永磁直流电机定子模型进行了二维和三维仿真，得到了永磁铁氧体磁瓦空载状态下的磁场分布曲线。将仿真结果与实际参数进行比较，验证了仿真方法的有效性。采用有限元分析软件改变磁瓦的机壳厚度、材料性能、磁瓦的角度、磁瓦的厚度及磁瓦的拱高尺寸等参数，可以得到各参数对磁瓦的磁场分布的影响，量化不同参数对磁场的影响程度，缩短永磁直流电机的开发与设计周期，降低研发成本。

关键词有限元分析永磁铁氧体磁场分布影响因素

永磁直流电机是用永磁体建立磁场的一种直流电机。永磁直流电机广泛应用于各种便携式的电子设备或器具中，也广泛应用于汽车、摩托车、家用电器等行业，在一些高精尖产品中也有广泛应用[1-2]。随着时代的发展，原先用交流电机的许多场合已被永磁直流电机替代，永磁直流电机应用领域逐渐增加。永磁直流电机磁瓦的磁场分布和中心磁密对永磁直流电机的开发和设计有着重要意义。本文建立了磁瓦的三维有限元模型，通过Maxwell有限元分析软件对磁瓦进行分析，得出了磁瓦的磁场分布和中心磁密度。

1　电机机构及工作原理

直流电机主要由定子、转子等组成，结构如图1所示。直流电机利用带电导体在磁场中受到电磁力的作用并形成电磁转矩，推动转子转动，实质上是一台装有换向装置的交流电动机[3]。直流电机的外加电压并非直接加于线圈，而是通过电刷和换向器再加到线圈，电枢导体中的电流方向随其所处磁极极性的改变而改变，从而保持电磁转矩的方向不变。

2　有限元分析原理

永磁直流电机具有调速范围宽、便于控制、体积小、效率高、铜耗低、结构简单、运行可靠等特点，因而在家用电器、医疗设备、汽车电器、音像器具及电动工具等方面应用广泛。由于其存在换向器件及永磁体，永磁直流电机的结构复杂，借助有限元分析软件可以方便地分析永磁直流电机工作特性，对电机结构设计、改进、运行性能提高提供参考。

图1　直流电机构造示意1—主磁极；2—换向磁极；3—机座；4—端盖；5—电刷装置； 6—电枢铁心；7—电枢绕组；8—换向装置；9—转轴

2.1二维恒定磁场有限元方程

求解上式方程即得各个节点的矢量磁位的纵向分量，各个单元上的磁感应强度为[4]

2.2有限元方法模块组成[5-7]

(1)前处理模块。前处理模块具备参数定义、实体建模与网格划分的功能，凭借这个模块用户可以建立有限元模型，主要数据包括坐标系统、单元剖分，单元和节点编号、定义实常数、材料参数、场源和边界条件的输入等。

(2)分析求解模块。在前处理的实体建模和网格划分后，就可以使用分析求解模块得到结果。分析求解模块主要包括结构分析、流体力学分析、电磁场分析等，即对模型进行单元分析、单元合成、边界条件处理和代数方程组求解。

(3)后处理模块。在前两个模块结束后，后处理模块对计算结果进行处理，直接将求解结果保存于数据库中，同时可以将梯度、矢量、粒子流及云图等计算结果以图形方式显示出来，也可以以图表或曲线的方式输出结果。

3　模型建立

永磁直流电机(型号385)的参数如表1所示。

表1　直流电机参数及模型

采用Maxwell 16.0有限元分析软件分析磁瓦参数，得到电机磁力线的二维和三维分布，如图2所示。同样，采用有限元分析软件得到磁瓦中间轴线的中心磁场磁通密度分布曲线，如图3。由图2和图3可知，通过采用Maxwell 16.0有限元分析，可以获得直流电机工作时其内部磁瓦的磁力线和中心磁场磁通密度分布情况。

4　验证模型分析结果

表2是采用有限元分析方法和实际测量得到的两种不同规格磁瓦参数时的中心磁感应强度分布。

图2　磁瓦在电机内部的磁力线分布

图3　磁瓦中间轴线的中心磁感应强度分布表2　轴高分别为20.8 mm和27 mm的 磁瓦参数及中心磁场强度

磁瓦外半径/mm磁瓦内半径/mm磁瓦圆心角/(°)磁瓦弦长/mm磁瓦轴高/mm磁瓦厚度/mm中心磁场强度/mT模拟实测13.28.913522.620.84.371.772.313.28.913522.627.04.375.376.1

从表2可知，相同的磁瓦，通过采用有限元分析方法得到的中心磁场强度的模拟值与实验值非常接近，因此，可以通过改变不同的磁瓦参数(机壳厚度、材料性能、磁瓦的角度、磁瓦的厚度及磁瓦的拱高尺寸)研究其对磁瓦的磁力线及中心磁场磁感应强度分布的影响。采用Maxwell 16.0有限元分析软件对电机进行优化设计，避免了使用繁琐的实物来验证，这样可以缩短设计和分析的周期，降低设计成本，加快该类产品的开发与设计，找出较优的电机永磁铁氧体磁瓦参数[8-9]。

5　结　论

建立了永磁直流电机定子及永磁铁氧体磁瓦尺寸模型，采用Maxwell16.0有限元分析软件对该模型进行有限元分析，得出了磁瓦在电机中的磁力线和中心磁感应强度分布。有限元软件模拟分析得到的数据与实测数据很接近，采用Maxwell16.0有限元分析软件可以分析磁瓦的磁感应强度分布。采用有限元分析软件改变磁瓦的各项参数(机壳厚度、材料性能、磁瓦的角度、磁瓦的厚度及磁瓦的拱高尺寸)可以得到各项参数对磁瓦的磁力线及中心磁感应强度分布的影响，从而量化了不同的参数对磁感应强度的影响程度，缩短了产品的开发与设计周期，降低成本。

参考文献

[1]赵博.Ansoft 12在工程电磁场中的应用 [M].北京:中国水利水电出版社, 2010.

[2]曹永娟,李强,余莉.基于ANSYS的永磁同步电动机磁场分析与计算[J].微电机, 2009, 49 (9):11-14.

[3]金建铭.电磁场有限元方法[M].西安:西安电子科技大学出版社,2001.

[4]张海军,张京军,高瑞贞.基于ANSYS的电机电磁场仿真分析[J].河北建筑科技学院学报,2006,23(4):73-77.

[5]徐海峰,辛慧源.ANSYS软件对电机磁场的分析[J].电子与封装,2013,3(2):40-44.

[6]谢江波,刘亚青,张鹏飞.有限元方法概述[J].设计与研究,2007(5):29-30.

[7]Badia S,Codina R,Stokes.Maxwell and Darcy: A single finite element approximation for three model problems[J].Appl. Numer.Math.,2012, 62:246-263.

[8]Zhu Z Q.Finite Element Analysis in the Design of Permanent Magnet Machine[J].Institution of Electrical Engineering,2000(13):1-7.

[9]唐任远，等.现代永磁电机理论与设计[M].1版. 北京: 机械工业出版社， 1997.

(收稿日期2016-05-05)

邱伟国(1978—)，男，高级工程师，硕士，243000 安徽省马鞍山市。