高功率密度电力作动电动机磁场仿真与验证 

    摘要：本文针对一台用于电力作动的 11kW 高功率密度直流无刷电动机，采用有限元
方法，对磁场进行仿真，并在磁场分布的基础上，对电动机的启动和稳态工作特性进行
分析，对仿真参数和物理样机的实测参数进行对比，结果表明，仿真达到较高的准确度。

  

该设计方法，对于提升高功率密度直流无刷电动机的设计水平，具有一定的参考意义。

    

 

前言

    随着航空产品技术层次的不断提升，航空产业主机部门对部件的重量的要求越来越苛
刻，作为机械与电气的重要能量转换部件，电机的功率密度，尤其是用于电力作动的电
动机的功率密度，急需获得提升。直流无刷电动机具有体积小、启动力矩大、效率高等优点，
广泛应用于各类高性能电驱动系统，并且开始在航空机电系统中获得应用。高功率密度直
流无刷电动机与一般直流无刷电动机相比，内部电磁场分布有所不同，经典电机理论中
的一些磁路计算方法，以及一些经验系数的取舍，不适用于高功率密度无刷直流电动机

 

的设计过程。

    有限元法电磁场计算作为电机的高级分析手段，具有计算结果精确、后处理功能强大等

 

优点，本文针对一台输出功率 11kW

 

、输出转矩 12N·m 

 

的高压直流无刷电 动机，利用 

Maxwell 2D 专业电磁场分析软件进行仿真，得出磁场分布参数，并在此基础上对电机的

 

性能进行了计算。最后将上述计算结果与样机的实测值进行了对比分析。

    

 

仿真模型基本参数

    

 

利用给定的电机技术指标对电机的主要尺寸和结构参数进行了设计。

   （1

 

）技术指标：额定功率 11kW

 

；额定电压 250VDC

 

；负载为恒扭矩 12N·m；工作方

 

式为方波驱动、连续运行。

   （2

 

）主要尺寸：定子内径 Dsi=82mm

 

，定子外径 Dso=140mm

 

，极数 p=4，转子铁芯长 

l=66mm

 

，每相绕组串联匝数 Nph=36，q=3 

 

为电机相数。

   （3

 

）结构参数：轴向通风、定子齿数 Z=36，瓦片磁钢，径向充磁，平底槽。表 1 交流电

 

动机与直流无刷电动机主要尺寸比较
    

 

重量不包括为进行安装，额外增加的结构重量，本文所述模型功率密度为 1kW/kg  

。

    

 

为提高电机的功率密度，需提高电机的电磁负荷，包括电负荷 A 

 

和磁负荷 Bδ,两者与

电机的主要尺寸直接相关，影响到电机的效率、温升、重量。文献[1]提出：直流无刷电动

 

机的定子内径 Dsi 取 90mm 

 

时，电负荷 A=（10000～19000）A/m

 

，磁负荷 Bδ=（0.55～

0.68）T

 

。

    

 

选用较高的电负荷 A，可以减少有效材料的使用进而降低重量，但是过高的的电负荷，

会导致定子绕组去磁作用的影响显著，导致工作特性变差，同时，在定子绕组电流密度
不变的情况下，增加定子槽内的导线，从而增加用铜量、铜耗和温升，加速绝缘材料的老
化，影响使用寿命。由于单位体积铁芯中的铁耗与铁芯内磁感应强度的二次方成正比，因