永磁直流无刷电机设计之路（四）——仿真计算分析

在数学中，有限元法（FEM，Finite Element Method）是一种为求解偏微分方程边值问题近似解的数值技术。求解时对整个问题区域进行分解，每个子区域都成为简单的部分，这种简单部分就称作有限元。
它通过变分方法，使得误差函数达到最小值并产生稳定解。类比于连接多段微小直线逼近圆的思想，有限元法包含了一切可能的方法，这些方法将许多被称为有限元的小区域上的简单方程联系起来，并用其去估计更大区域上的复杂方程。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。

对电机进行分析时，主要使用了Ansoft中搭载的RMxprt模块和Maxwell 2D模块。对其电力磁场进行计算的时候选择使用 Maxwell 2D 模块，不仅仅是因为它计算出来的数值比较准确，耗费时间比较短，更是因为在进行多方面的电机数据计算时表现比较出色。此次设计通过此模块的强大模拟功能对永磁无刷直流的电机在静态场和瞬态场的性能表现进行了测试。

1.机械特性曲线

• 电机模型
  在进行模型选择的时候，选择 RMxprt 板块中的永磁无刷直流电机的模型。
  
• 参数设置

1.电机基本参数设置

控制电路参数设置

定子参数设置

转子参数设置

绕组参数设置

电机仿真参数设置

• 电机模型建立完成
  

电机仿真模型

• 仿真结果分析

通过 RMxprt 功能对其电机数据进行全方位分析之后，可以得到电机在运行时候的曲线特性，电机在运行时的详细仿真数值，以及电机在全满载状态下的数据参数。

永磁无刷直流电机满载运行时部分参数

参数	数值	参数	数值
输出功率(W)	136.793	输入电流(A)	7.114
输入功率(W)	170.738	相有效电流(A)	6.694
效率(%)	80.119%	电流密度(A/mm2)	7.711
额定转速(rpm)	500	槽满率(%)	74.681
额定转矩(Nm)	2.613	电压(V)	24

• 根据仿真所得结果设置横纵坐标轴，绘制机械特性曲线。

2.稳态分析

首先从RMxprtDesign创建Maxwell 2D Design(RMprt→Analysis→create MaxwellDesign2D)。

得到Maxwell二维仿真界面。

选择分析类型稳态分析(solution type→Magnetostatic→OK)

添加分析(Analysis→Add Solution Setup→Done)

运行分析，查看结果。(Fields→B→Mag_B)

3.瞬态分析

选择分析类型瞬态分析(solution type→Transient→OK)

运行分析，查看结果。(Fields→B→Mag_B)

瞬态分析可通过Felids→Animation查看分析动画。

结语

无刷直流电机的效率一般能达到90%以上，此次设计存在缺陷，此设计流程为初步设计不包括优化过程。