定子齿槽对永磁直流无刷电动机的影响分析①

张新明， 关丽雅

(北京青云航空仪表有限公司，北京 100086)

0 引言

永磁直流无刷电动机具有效率高、功率密度高及控制简单等特点，被广泛应用于各种驱动装置和伺服系统中.近年来随着电子技术、磁性材料和微机控制技术的发展，永磁直流无刷电动机技术发展迅速[1].

永磁直流无刷电动机结构多样，电机定子常见的是有齿槽结构，因而存在齿槽转矩，齿槽转矩给电动机性能带来不利的影响，国内外学者对此进行了大量的研究[2～5].本文利用 Ansoft Maxwell 2D 对有齿槽和无齿槽的永磁直流无刷电动机的磁场进行了二维分析，绘出了磁力线分布图及反电势波形图，比较分析了齿槽对电动机的影响，为永磁直流无刷电动机的设计和优化提供了理论依据.

1 有限元分析模型的建立

1.1 永磁直流无刷电动机基本参数

额定功率2KW，定子齿数18，电动机转速1200r/min，磁钢材料为钐钴合金，贴于转子表面，绕组为星形连接.

1.2 基本假设

1.3 电动机的二维建模

在Maxwell 2D中创建电动机的二维几何模型，加载各个部分的材料，设置边界条件.图1为有齿槽和无齿槽的永磁直流无刷电动机的二维几何模型.

图1 永磁直流无刷电动机二维几何模型

1.4 网格划分

电动机气隙和齿部由于矢量磁位变化梯度大，因此网格划分较密;轭部、定子铁芯和转子铁芯部位由于矢量磁位变化梯度小，网格划分则较疏，图2为剖分后的网格.图中最大剖分单元长度为4mm.

图2 永磁直流无刷电动机网格剖分图

图3 空载时永磁直流无刷电动机磁力线分布图

1.5 激励源和边界条件定义及加载

对定子绕组分相，加载的激励源为电流源，由于空载时电流较小，施加电流0.1A，边界条件为平行磁通.设置求解参数为终止时间为0.2s，步长0.001s.设置完成后进行自检、求解及后处理.

2 仿真结果及分析

在永磁直流无刷电动机定子端添加激励源为三相对称的电流源，利用Maxwell 2D的瞬态求解器模拟启动过程中某一时刻的电机磁场分布，图3为电动机空载磁力线分布图，图中中部显示的是磁力线在电动机模型中的分布，蓝色磁力线为负向极值，红色磁力线为正向极值.左上角显示的是磁力线及等A线的A值大小，其中单位是Wb/m，

图4为空载时的感应电动势曲线，由图可见感应电动势波形近似为正弦波形，定子无齿槽的反电势幅值为30V，波形更接近于正弦波.而有齿槽电动机反电势幅值高，达到100V.

从图4的反电势波形还可以看出，无齿槽的反电势幅值小，但波形平稳.而有齿槽的反电势幅值高，但波形变化梯度大，并且存在突变.这种情况可引起转矩波动，在电动机高速运转时产生振动和噪声，对电动机性能产生不利的影响.

产生这种状况的原因是由于齿槽效应的存在而引起气隙磁场畸变，进而引起转矩波动.而无齿槽的电动机由于定子绕组均匀分布于定子铁芯内表面的气隙中，无定子齿，不产生齿槽转矩.但气隙大，气隙磁密低，因而反电势也低.从图4可以看出无齿槽反电势幅值只有30V，而有齿槽的反电势幅值为100V.

从分析结果看，定子无齿槽结构由于无齿槽转矩，适用于对转速稳定性和振动、噪声要求较高、对功率密度要求不高的场合.而定子有齿槽的电动机适用于对功率密度要求高的场合.

3 结论

利用ansoft Maxwell 2D对不同定子结构的永磁直流无刷电动机磁场分布情况进行分析，得到了磁力线分布图及反电势波形图，通过这些分析结果可以看出定子齿槽结构对电机性能的影响，有齿槽的结构，由于齿槽效应的存在，造成转矩脉动，对电机性能产生不利影响，但电动机转矩大，适合于功率密度要求高场合.而无齿槽结构，由于无定子齿槽，不产生齿槽转矩，适合于对转矩稳定性和振动噪声要求高的场合.分析结果为电动机的设计提供理论基础和依据.

图4 永磁直流无刷电动机空载时感应电动势

[1]胡文静.永磁无刷直流电动机的发展及展望[J]，微电机－2002，35(4):37 －38.

[2]黄越，唐任远，韩霄岩，基于ANSOFT的永磁交流伺服电动机转矩波动分析[J].电气技术，2008，(4):15 －18，22.

[3]王兴华，励庆孚，王曙鸿.永磁无刷直流电机磁阻转矩的解析计算方法[J].中国电机工程学报，2002，22(10):104 －108.

[4]王道涵，王秀和，丁婷婷，等.基于磁极不对称角度优化的内置式永磁无刷直流电动机齿槽转矩削弱方法[J].中国电机工程学报，2008，28(9):66 －70.

[5]关丽雅，臧宏伟，张新明，基于Ansoft的永磁无刷直流电动机的有限元分析[J].佳木斯大学学报，2013，31(4):530－532.