无刷永磁盘式直流电机的磁路分析与设计
目 录
1 绪论 1
1.1 课题背景和目的 1
1.2 盘式永磁无刷直流电机的发展 1
1.3 研究步骤 2
2 盘式永磁无刷直流电机简介 2
2.1 盘式永磁无刷直流电机的基本理论 3
2.2 盘式永磁无刷直流电机与普通圆柱式电机的比较 3
2.3 盘式永磁无刷直流电机的工作原理 4
2.4 盘式永磁无刷直流电机的类型 4
2.5 铁心材料介绍 5
2.6 永磁体材料介绍 5
3 盘式永磁无刷直流电机的设计 6
3.1 盘式永磁无刷直流电机的结构设计 6
3.2 盘式永磁无刷直流电机的几何结构设计 7
3.2.1 盘式永磁无刷直流电机的外形尺寸设计 7
3.2.2 磁路设计具体内部参数 7
3.2.3 电枢线圈设计 10
3.2.4 特性计算 11
3.2.5 实际设计计算 12
3.3 盘式永磁无刷直流电机的绕组设计 13
4 盘式永磁无刷直流电机的有限元分析 17
4.1 有限元法简介 17
4.2 利用有限元软件进行仿真 17
4.2.1 电机三维模型的建立 18
4.2.2 参数的定义 18
4.2.3 网格剖分和求解 19
4.2.4 求解和后处理结果 20
结论 22
致谢 23
参考文献24
1 绪论
1．1 课题背景和 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
目的
随着科技的进步和经济的发展，人们对电机的性能要求越来越高。在节能高效的要求下，随着高性能永磁材料的发展，永磁电机成为了电机研究开发的重点。永磁电机，具有结构简单、重量轻、可靠性强、效率高、体积小、损耗小、电机的形状和尺寸灵活多样等众多优点；因此，设计高性能盘式永磁无刷直流电机具有重要的意义和价值。
本论文是在查阅国内外文献的基础上，设计分析用于汽车轮毂电机的高性能盘式永磁无刷直流电机，根据磁路模型原理，针对电机特性进行磁路设计，并计算电机整体结构参数，推算电机性能，利用三维软件对盘式电机进行绘制，利用Maxwell软件对电机的三维电磁场进行了仿真计算与分析。
1.2 盘式永磁无刷直流电机的发展
盘式电机又称轴向磁场电机。1821年法拉第发明的第一台异步电动机就是盘式电动机，但由于它的定、转子存在轴向磁吸力、制造复杂等缺点，逐渐被以后发展起来的常规电机（径向磁场的圆柱式电机）所取代。但圆柱式电机具有一些固有的缺点，如不易散热、铁心利用率底等问题。于是人们又转向对盘式电机的研究。研究结果表明，盘式电机不但具有较高的功率密度，对于一些特殊的应用场合，它还具有明显的优越性。
盘式电机主要有两大缺点：一个是生产工艺上铁心加工制造困难，另一个是定转子之间存在轴向磁吸力 。现在，随着科技的发展，两大困难已经得以解决，使各类盘式电机快速发展起来。近二十多年来，国内外对盘式电机磁场的研究逐渐发展起来。
1973年，英国的工程师指出了采用圆盘式轴向磁场结构的优越性，他的论述引起了电机界的极大兴趣，随后英国、法国、美国、澳大利亚和日本等国家竞相研制盘式电机。
1985年，我国蒋豪贤提出了利用Laplace方程计算盘式磁场电机气隙磁通密度的方法。表明盘式电机的磁场为旋转磁场，沿圆盘面呈正弦分布，沿轴向衰减，沿径向减小。
1986年，联邦德国G.H博士等人介绍了应用于机器人、机械手等领域的盘式永磁电机的结构和设计特点。
1991年，顾其善、侯书提出了二维分布磁路模型。沿径向分成数段，把谐波平衡法，应用到盘式磁场电机。
1992年，王琳、何全普等利用分环法将三维磁场计算问题化为有限个二维问题求解。通过有限元计算，揭示了盘式电机磁场沿径向的分布规律。
1993年，黄开胜、何全普进一步论述了盘式电机磁路计算的分环计算法，给出了优化设计框图及优化设计结果，具有重要意义。
1996年，吴慧燕、程明、周鹦给出了盘式电机主要结构尺寸的确定方法，参数计算特点和磁路计算及分析设计流程图。至此，我国逐步掌握了各类盘式电机磁场的特点及研究方法。进而，根据电机工作环境的需要，各种不用类型的盘式电机在此基础上发展起来。
1998年，浙江大学的刘晓东、赵衡兵等对“单定子-双转子”的盘式永磁电机进行了研究，进而论述了采用这种结构消除了轴向吸力的影响，并提出了该类电机的设计方法，给出了该电机的输出功率和主要尺寸之间的关系。
2000年，西安交通大学的王正茂、苏少平等成功研制出了两台三相盘式永磁电动机。
由此可见，我国越来越重视盘式电机的研究，而国外对这类电机的研究己远远走在我国的前面，因此研究盘式电机对促进我国电机行业的发展具有重要作用 。
1.3 研究步骤
（1）首先搜集有关盘式电机的发展设计以及性能探讨相关论文和书籍，学习磁路设计流程，并从磁路计算设计出整个盘式电机的规格，并且分析盘式电机的性能。
（2）参考普通圆柱式电机的线圈绕线设计原理，把普通电机线圈绕组模型等效应用到盘式电机上。
（3）学习有限元素分析软体，绘制正确的三维模型，设定电动机的物理特性与材料性质后，做出初步电动机性能分析。
2 盘式永磁无刷直流电机简介
盘式永磁无刷直流电机多的气隙是轴向的，所以又称轴向永磁无刷直流电机。随着近几年盘式永磁无刷直流电机的蓬勃发展，其性能也一直快速的在提升与改良，而针对许多不同的应用领域也发展出许多不同的形式 。
2.1 盘式永磁无刷直流电机的基本理论
盘式永磁无刷直流电机是永磁电机一种，其基本结构与传统的永磁无刷直流电机相同，主要由电动机本体、位置传感器和电子开关电路三部分组成。电枢绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件连接，通过位置传感器检测转子的位置，所检测出的信号去触发相应的电子换向电路以实现无接触式换流。因此，盘式永磁无刷直流电机可以看成由电机本体、电子开关线路以及位置传感器三者组成的电动机系统 。
2.2 盘式永磁无刷直流电机与普通圆柱式电机的比较
近年来，永磁无刷直流电动机得到广泛的应用。其磁通方向可以大略分为径向磁通与轴向磁通两大类，因为永磁体放置位置的不同，普通永磁无刷直流电机可以分为表面型，嵌入型与内藏型等永磁同步电机或永磁直流无刷电机，这些电机近年来发展快速。而在许多应用领域上，由于放置空间的限制，必须减少重量以及节省空间来降低阻力以便提升效率，盘式无刷电机由此产生发展。现今使用的普通圆柱式电机与过去常用的感应电动机不能在比较狭小的空间中提供足够的驱动性能，而盘式电机改变了磁通方向，节省了轴向长度以降低体积，并且具有相当广的磁通面积来提供所需的性能。
其中 是剩磁密度， 为矫顽磁力， 为矫顽磁力。计算出 后， 可由磁导直线的交点计算出来，如（3.9）式所示：
1 绪论 1
1.1 课题背景和目的 1
1.2 盘式永磁无刷直流电机的发展 1
1.3 研究步骤 2
2 盘式永磁无刷直流电机简介 2
2.1 盘式永磁无刷直流电机的基本理论 3
2.2 盘式永磁无刷直流电机与普通圆柱式电机的比较 3
2.3 盘式永磁无刷直流电机的工作原理 4
2.4 盘式永磁无刷直流电机的类型 4
2.5 铁心材料介绍 5
2.6 永磁体材料介绍 5
3 盘式永磁无刷直流电机的设计 6
3.1 盘式永磁无刷直流电机的结构设计 6
3.2 盘式永磁无刷直流电机的几何结构设计 7
3.2.1 盘式永磁无刷直流电机的外形尺寸设计 7
3.2.2 磁路设计具体内部参数 7
3.2.3 电枢线圈设计 10
3.2.4 特性计算 11
3.2.5 实际设计计算 12
3.3 盘式永磁无刷直流电机的绕组设计 13
4 盘式永磁无刷直流电机的有限元分析 17
4.1 有限元法简介 17
4.2 利用有限元软件进行仿真 17
4.2.1 电机三维模型的建立 18
4.2.2 参数的定义 18
4.2.3 网格剖分和求解 19
4.2.4 求解和后处理结果 20
结论 22
致谢 23
参考文献24
1 绪论
1．1 课题背景和 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
目的
随着科技的进步和经济的发展，人们对电机的性能要求越来越高。在节能高效的要求下，随着高性能永磁材料的发展，永磁电机成为了电机研究开发的重点。永磁电机，具有结构简单、重量轻、可靠性强、效率高、体积小、损耗小、电机的形状和尺寸灵活多样等众多优点；因此，设计高性能盘式永磁无刷直流电机具有重要的意义和价值。
本论文是在查阅国内外文献的基础上，设计分析用于汽车轮毂电机的高性能盘式永磁无刷直流电机，根据磁路模型原理，针对电机特性进行磁路设计，并计算电机整体结构参数，推算电机性能，利用三维软件对盘式电机进行绘制，利用Maxwell软件对电机的三维电磁场进行了仿真计算与分析。
1.2 盘式永磁无刷直流电机的发展
盘式电机又称轴向磁场电机。1821年法拉第发明的第一台异步电动机就是盘式电动机，但由于它的定、转子存在轴向磁吸力、制造复杂等缺点，逐渐被以后发展起来的常规电机（径向磁场的圆柱式电机）所取代。但圆柱式电机具有一些固有的缺点，如不易散热、铁心利用率底等问题。于是人们又转向对盘式电机的研究。研究结果表明，盘式电机不但具有较高的功率密度，对于一些特殊的应用场合，它还具有明显的优越性。
盘式电机主要有两大缺点：一个是生产工艺上铁心加工制造困难，另一个是定转子之间存在轴向磁吸力 。现在，随着科技的发展，两大困难已经得以解决，使各类盘式电机快速发展起来。近二十多年来，国内外对盘式电机磁场的研究逐渐发展起来。
1973年，英国的工程师指出了采用圆盘式轴向磁场结构的优越性，他的论述引起了电机界的极大兴趣，随后英国、法国、美国、澳大利亚和日本等国家竞相研制盘式电机。
1985年，我国蒋豪贤提出了利用Laplace方程计算盘式磁场电机气隙磁通密度的方法。表明盘式电机的磁场为旋转磁场，沿圆盘面呈正弦分布，沿轴向衰减，沿径向减小。
1986年，联邦德国G.H博士等人介绍了应用于机器人、机械手等领域的盘式永磁电机的结构和设计特点。
1991年，顾其善、侯书提出了二维分布磁路模型。沿径向分成数段，把谐波平衡法，应用到盘式磁场电机。
1992年，王琳、何全普等利用分环法将三维磁场计算问题化为有限个二维问题求解。通过有限元计算，揭示了盘式电机磁场沿径向的分布规律。
1993年，黄开胜、何全普进一步论述了盘式电机磁路计算的分环计算法，给出了优化设计框图及优化设计结果，具有重要意义。
1996年，吴慧燕、程明、周鹦给出了盘式电机主要结构尺寸的确定方法，参数计算特点和磁路计算及分析设计流程图。至此，我国逐步掌握了各类盘式电机磁场的特点及研究方法。进而，根据电机工作环境的需要，各种不用类型的盘式电机在此基础上发展起来。
1998年，浙江大学的刘晓东、赵衡兵等对“单定子-双转子”的盘式永磁电机进行了研究，进而论述了采用这种结构消除了轴向吸力的影响，并提出了该类电机的设计方法，给出了该电机的输出功率和主要尺寸之间的关系。
2000年，西安交通大学的王正茂、苏少平等成功研制出了两台三相盘式永磁电动机。
由此可见，我国越来越重视盘式电机的研究，而国外对这类电机的研究己远远走在我国的前面，因此研究盘式电机对促进我国电机行业的发展具有重要作用 。
1.3 研究步骤
（1）首先搜集有关盘式电机的发展设计以及性能探讨相关论文和书籍，学习磁路设计流程，并从磁路计算设计出整个盘式电机的规格，并且分析盘式电机的性能。
（2）参考普通圆柱式电机的线圈绕线设计原理，把普通电机线圈绕组模型等效应用到盘式电机上。
（3）学习有限元素分析软体，绘制正确的三维模型，设定电动机的物理特性与材料性质后，做出初步电动机性能分析。
2 盘式永磁无刷直流电机简介
盘式永磁无刷直流电机多的气隙是轴向的，所以又称轴向永磁无刷直流电机。随着近几年盘式永磁无刷直流电机的蓬勃发展，其性能也一直快速的在提升与改良，而针对许多不同的应用领域也发展出许多不同的形式 。
2.1 盘式永磁无刷直流电机的基本理论
盘式永磁无刷直流电机是永磁电机一种，其基本结构与传统的永磁无刷直流电机相同，主要由电动机本体、位置传感器和电子开关电路三部分组成。电枢绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件连接，通过位置传感器检测转子的位置，所检测出的信号去触发相应的电子换向电路以实现无接触式换流。因此，盘式永磁无刷直流电机可以看成由电机本体、电子开关线路以及位置传感器三者组成的电动机系统 。
2.2 盘式永磁无刷直流电机与普通圆柱式电机的比较
近年来，永磁无刷直流电动机得到广泛的应用。其磁通方向可以大略分为径向磁通与轴向磁通两大类，因为永磁体放置位置的不同，普通永磁无刷直流电机可以分为表面型，嵌入型与内藏型等永磁同步电机或永磁直流无刷电机，这些电机近年来发展快速。而在许多应用领域上，由于放置空间的限制，必须减少重量以及节省空间来降低阻力以便提升效率，盘式无刷电机由此产生发展。现今使用的普通圆柱式电机与过去常用的感应电动机不能在比较狭小的空间中提供足够的驱动性能，而盘式电机改变了磁通方向，节省了轴向长度以降低体积，并且具有相当广的磁通面积来提供所需的性能。
其中 是剩磁密度， 为矫顽磁力， 为矫顽磁力。计算出 后， 可由磁导直线的交点计算出来，如（3.9）式所示：
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