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摘要：永磁无刷直流电机实现了机电一体化的性能，由于其具有结构简易、运行稳定可靠、工作效率高等优势，并且克服了以往一般的电动机存在的各种缺点，所以它在航空航天系统、工业自动化和医疗设备、交通运输以及家电消费产品等相关领域的应用越来越普遍。本文主要对永磁无刷直流电机的设计方法、性能参数化等进行分析及研究。
关键词：永磁无刷直流电机;机械结构;参数化;性能研究
1永磁无刷直流电机的相关设计
①工作原理。永磁无刷直流电机主要是由电动机主机和驱动器组成的。驱动器的基本构成部分有功率电子器件和集成电路等，主要用来接收电动机的启动、停止、制动信号，驱动器接收到信号后，根据信号指令来控制电动机的启动、停止、制动。主电路主要采用交——直——交的电路电压型进行工作。在电动机的转子上粘有已经充磁的永磁体，在电机内部还装有位置传感器。当电路通电时，永磁体的N极和S极交替交换，导致位置传感器产生位差不同的方波。
②结构介绍。永磁无刷直流电机和传统的直流电机存在的主要差别就是，第一个的绕组放在定子上，并且应用电子转向，其使用的转子材料是永磁体。而传统的电机绕组是放在转子上，应用的是电刷转向。电磁转矩主要是在定子磁场与转子永磁磁场的共同作用下发生的。
③电机的设计过程。由于在设计过程中永磁无刷直流电机的设计灵活性、复杂性要高于传统的电机，并且可以借鉴的成熟经驗并不多，所以永磁无刷直流电机的设计对设计人员的技能要求比较高。首先在设计过程中，设计者一直的目标便是可以更加精准地预测设计电机的性能及运行能力。在预测过程中，需要进行大量的计算工作，并且为了保证数据的准确性，设计人员必须进行多次检验计算，因此设计过程中的计算工作量是特别大的，这也要求设计人员具有快速、准确的计算能力，并且还需要有足够的耐心。在计算过程中，电机性能计算预测可以说计算工作的核心部分。另外，设计者还需要设计一个知识库，用来存储设计过程中所需要的一些理论知识。
2永磁无刷直流电机的性能参数化分析
借用AnsoftMaxwell软件，同时联系参数对电机实施性能分析，可以发现电机的转速对电流、工作效率、输出功率以及输出力矩产生的影响。通过研究不同的定转子直径对电机工作效率带来的影响的同时，还能得到磁密矢量图等。若电机的研究开发不合理，则需要对参数进行反复修改。为了降低重复操作的几率以及缩短研发时间，可以通过VB脚本语言对Ansoft软件进行再次研发，通过再次研发实现通过永磁无刷直流电机来协助设计系统中的电磁计算及性能分析等功能。
2.1有限元理论
在设计研发电机时经常应用磁路法，主要是为了在计算过程中增加经验系数以此提高计算的准确度，使研发完成后的产品各方面参数与实际参数值保持更小的差距。因为这种电机内部的磁场较为复杂，所以需要借用专业的磁场仿真软件进行相关工作，同时要科学应用永磁体的材料性能，代替等效磁路法，以便精准的计算出磁场的分布，提高了计算的精确度，避免磁场分布不合理的状况发生。有限元分析方法是当前使用最普遍一种分析方法，主要用于解决边界比较复杂以及非线性的磁场问题。
2.2永磁无刷直流电机性能分析
AnsoftMaxwell具有计算速度快、精准度高、分布式计算以及并行计算等优势，其对于繁杂而巨大的仿真模型的处理速度也能得心应手。AnsoftMaxwell在电机的研发当中主要有精确代替磁路计算以及精确校对磁路设计这两种形式，在研发时能够保证电机的稳定性以及实现对参数进行优化等。根据表l所示，永磁无刷直流电机主要参数，在RMxprt模块中建立起三相永磁无刷直流电机模型，并通过电磁场的有限元分析法对电机在空载时的有关特征实行模拟分析，然后进行相关参数的计算及改良。
3永磁无刷直流电机机械结构参数化设计及分析
3.1ANSYS软件简介
ANSYS软件是目前使用比较普遍的一种大型通用有限元软件。使用者可以通过ANSYS有限元软件对所需的商品结构性能等进行模拟分析，进而提升设计研发的效率。它能够跟多种CAD软件实现完美的对接，完成有效的数据共享。它强大的功能基本上能够计算分析处所有的工程问题，并且能够涵盖大部分的操作系统。因其较为人性化的菜单设置、功能选择以及数据分析等在一定程度上方便了用户的操作使用。
3.2轴有限元分析
模态分析主要包含轴固定频率以及相关振型的分析，是动力学上最根本的一种分析方法。它极大地缓解了结构设计中存在的共振现象，并且可以预估在不同种类的振型作用下结构的振动模式，有较为普遍的实用价值。其研究的主要目的就是为了尽可能减少轴本身的固定频率以及工作状况下的振动频率与固定频率保持一致。这一研究关系到到轴本身能否在外界动态载荷的作用能否正常发挥。假如外界带来的强迫振动频率和轴本身的固定频率接近一致，会导致振动效果变大，甚至会出现共振现象。固定频率能够表现出结构刚度的好与坏，其固定频率的值越大，刚度就证明将会更好。我们可以把轴本身假定为一个弹性体单元，那么固定频率就会依照从小到大的顺序进行排列。其中轴单元的工作频率在通常状况下都会远远小于产生共振的固定频率。
3.3热结构耦合分析
在ANSYS中对于求解热应力问题时主要分为间接耦合和直接耦合这两种方式。间接耦合的优势有以下几方面：一是应用两种单元形式，工作时首先要进行热分析，并把热分析的结果当做构架的温度荷载;二是当热瞬态分析的时间过长，但构架的时间点较少时，机器效率会偏高;三是可以很轻易地应用输入文件的形式实现自动处理。而直接耦合不需要使用两种不一样的单元，仅仅只用一种热耦合单元就可以解出两种物理场问题，使热和结构之者两者之间能够完成真正耦合。
3.4 ANSYS软件二次开发
电机是属于一种动力源，并且是一种系列化的商品。目前主要是缺少一种对系列化电机进行设计以及分析的新型软件。对电机构件实行参数化的建模以及研发分析是完成对系列化电机建模及分析的一种新形的方式。几何模型是实现有限元分析的基础，ANSYS为使用者提供了3种生成几何模型的方式：直接建模、几何建模以及利用其他三维软件建立模型，利用相关数据接口进行导入。直接建模的缺点在于它对一个相对简易的有限元模型进行分析时，使用鼠标操作是比较方便的，但一个仿真分析的结束通常需要很多次反复的研究操作，这时鼠标操作的方法就会发生大量重复操作，降低了工作效率。几何建模主要优势就是它对于所有的结构都适用，且对于较为复杂的结构更加合适，有利于优化设计功能。
参考文献：
[1]杨洁，卫宏.无刷直流电动机测试平台系统的实时优化控制[J].微特电机，2018（4）.