基于PCB绕组的永磁无刷电机有限元仿真

发布时间：2020-06-20 04:22

【摘要】：本文研究的是一种基于印制电路板(Printed Circuit Board,PCB)绕组的永磁无刷电机,该电机属于无铁心轴向磁场电机,是盘式电机的一种。这种类型的电机轴向结构紧密,气隙呈平面状,气隙磁场沿轴向,具有成本低、重量轻、功率密度高等特点,适用于有薄型安装要求的场合。PCB绕组,即将绕组印制在印制电路板上,这种绕组平整度高,绕组形状方便设计,安装灵活,并且易达到量产。PCB绕组具有扁平的形状,与无铁心轴向电机的特点吻合,因此这种定子绕组多应用于轴向磁场电机。本文主要基于PCB绕组的永磁无刷直流电机进行包括有限元建模、气隙磁密的分析与优化、联合仿真等方面的研究。首先,本文对盘式电机的典型结构、绕组类型及绕组形状进行介绍,并基于螺旋形PCB绕组进行参数化分析和绕组模型分析。本次设计采用的是中间定子、两边转子结构,PCB绕组采用圆形与梯形结合的螺旋形绕组,增加导体端部宽度,进一步降低绕组端部,降低绕组损耗,提高电机性能。其次,基于PCB绕组永磁无刷电机进行电磁场有限元方法的原理分析。由于其磁场沿轴向,选用ANSYS MAXWELL3D进行有限元电磁场分析,从电磁场分析数学模型及电磁场计算原理等方面分别进行理论概述,为后续的电机有限元模型搭建及优化做铺垫。然后,提取PCB绕组的永磁无刷电机的主要设计参数,于ANSYS MAXWELL3D中搭建三维模型。其中详细介绍了模型搭建的前处理和中处理过程,实现实体电机1:1模型搭建,提高仿真精度。最后,对建立的基于PCB绕组的永磁无刷电机的有限元模型进行电磁分析后处理,对电机的空载定、转子磁密分布、不同路径下的气隙磁密分布、绕组涡流损耗等性能进行分析。结果显示,普通N,S交叉排列的永磁体结构,其气隙磁密大致呈梯形波,在径向上呈圆弧状,靠近内径和外径处的气隙磁密偏低,中间半径处的气隙磁密偏高。为了优化电机的气隙磁场,将Halbach阵列应用于PCB绕组电机中,本文采用的是90°Halbach永磁体阵列。通过有限元仿真对比分析,该阵列的加入使电机的极对数减小一半,增加了辅助磁极,减少磁间漏磁,与此同时,主磁极下的磁场强度变大,提高了电机的气隙磁密,并且使气隙磁密的分布更接近于梯形波。对优化后的PCB绕组永磁电机进行基于MAXWELL、SIMPLORER、SIMULINK三大软件的联合仿真。为加快仿真速度、缩短仿真时间,提取电机的等效电路(Equivalent Circuit Extraction,ECE)模型,通过控制PWM占空比控制电机转速,电机的动态响应良好。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM351;TN41
【图文】：

盘式电机

盘式电机属于轴向磁场电机，不同于传统的圆柱式电机，在结构和内部逡逑磁场方面都有独特的特点，因此本章中从盘式电机结构方面入手，对ＰＣＢ逡逑绕组进行参数化分析，提出基于ＰＣＢ绕组的永磁电机的解析模型。逡逑２．１盘式电机典型结构逡逑所谓盘式电机，是外表似盘状的电机。传统电机的磁场是径向的，而盘逡逑式电机的气隙磁场是轴向平面型［３５］。盘式电机有如下几个特点．？逡逑（１）电机形状较扁，轴向尺寸短，电机径向直径与轴向长度之比大。逡逑（２）盘式电机的气隙沿轴向且为平面型。逡逑（３）针对特殊的结构，其铁心的材料应用量比较少。逡逑盘式电机外观呈扁平状，为了提高转矩，还可以制成多气隙＂结构。如图逡逑２－１和图２－２所示，根据气隙的结构，盘式电机可以分为单气隙、双气隙、逡逑多气隙等形式［３６］。逡逑

绕线,方式,电机

图２－３波形绕组的绕线方式可以看出，线圈沿径向放射状有效的倾斜角度，在一定程度上减小波形绕组的端部长度。图２－３Ｂ板中一层的绕制方式，同时也是电机中的一相，ＰＣＢ板中过板上的过孔进行连接。电机中的不同相绕组分布在不同的层

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