当电机有限元软件设计与优化

电机有限元软件设计与优化

1有限元软件Magnet简介

本次设计计算采用的磁场有限元分析软件为Ma我国现代生物医用材料产业已具雏形gnet。该软件为加拿人Infolytica公司的产品，已经广泛用于航空航天、汽车、消费电子产品、电气产品等领域，为高性能的机电产品进行设计与丌发，可显从国内而言著节省设计时间和成本。

软件的特点主要有以下几个方面：具有直接的CAD接口，可导入／导出多种文件类型。先进的材料属性，可以根据需要定义材料的多种电、磁、热的线性或非线性属性。支持用于仿真负载与驱动的电路建模，如换向器电机的运行、无刷电动机驱动等。自适应格剖分功能。有限元软件MagNet的基本操作步骤可分为前处理、求解、后处理三个部分。前处理包括建立几何模型、和设定材料、设置线圈和电路连接、设置边界条件及剖分格参数等。

2设计过程及优化

设计过程是在有限元分析软件Magnet下设定电机模型，通过软件求解计算出电机的矩角特性，然后分析选出性能较好的模型，再进一步优化，得出最终电机结构参数。图3是电机在Magnet软件中设定材料后的电机模型，图4是电机模型经过有限元剖分后的图形。

电机结构中，几个重要的参数为齿数、齿宽、空气隙大小。在仿真中对每一组的仿真都只改变其中一个参数，同时对绕组情况根据结构参数进行相应设定，一步一步通过优化选取得到一个比较理想的结构。

(1)齿数。在齿宽一定时，选用齿数为1 6、1 8，进行偏转角度和输出力矩关系的计算，进行绘图。

从输出力矩考虑，l 8个齿的结构输出力矩较大，效果更好。在软件仿真计算中，为了后处理程序更易于处理，把电机这些新的材料出现不同的力学特性设转角设定从零角度开始按正方向旋转。由于电机的对称性，即图5中偏转角度1 0°～20°的回复力矩与一l 0°～0°偏转角度对应的回复力矩相同，实际电机在正常上作情况下，只能上作在一1 0°～l 0°偏转范围内。其它图形中偏转角和回复力矩的关系图中也同样处理。

(2)在齿数为l 8时，选取齿宽分别为9 mm、9．4mm进行计算和绘图。

图7在偏转0．5。时的输出力矩要比图8偏转 0．5。输出力矩大，图7中峰值力矩也比图8中要大，因此选择齿宽为9 mm的结构。

履行单位：国皓会展(上海)有限公司

(3)气隙选取。在齿宽、齿数确定的情况下，选择气隙宽度分别为0．1 5 mm、0．2 mm、0．3 mm、0．4mm进行偏转角度和输出力矩关系的计算和绘图。

根据图9到图l 2可得表1的数据，从表l可以看出，在偏转0．5。时，气隙o．3 mm情况下输出力矩最大，更加满足电机堵转大于等于5 N·m的要求，选气隙为0．3 mm比较合适。

综合考虑上述计算结果、电机制作的上艺性以及电机的强度问题，我们决定采用定子轭和定子齿分离的方案，定子轭材料选用较为硬的1 0号钢，定子齿材料仍选为电上纯铁DT4C。齿数1 8，齿宽9mm，气隙o．3 mm，最终得出偏转角和输出力矩的关

系如图1 3所示。偏转8。的力矩为9．7 1 Nm，峰值力矩为ll．65 Nm。

从图5～图l 3也可以看出，在偏转角度+1°～+8°、+1 2°～+1 9°(对应一8°～一1°)时输出力矩与式(6)推导结果是相符的°