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空心杯永磁直流伺服电动机设计仿真分析
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空心杯永磁直流伺服电动机设计仿真分析
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用maxwell 2d仿真无刷直流电动机的齿槽转矩，和rmxprt里的结果相差很大
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最近做一个无刷直流电动机的齿槽转矩仿真，rmxprt里仿真出的结果和2d里的结果相差很大，而且我觉得我的齿槽转矩不行不是很平滑。
我的电动机额定功率很大，1兆瓦。3相，4极24槽。
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我的步长是0.01s，仿真时间15s。转速设置为1deg/s.请问为什么会相差这么多？
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齿槽转矩 细化气隙剖分，可以用静态分析，可以添加气隙模型，参数化转子位置，得到齿槽转矩，Rmxprt的太理想了，以maxwell为准
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队长说的很对，受教了。
个人建议在仿真过程中选择性把计算时间步长设置稍微短一点，这样可以对波形平滑度起到一定正面作用。
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队长说的很对，受教了。
个人建议在仿真过程中选择性把计算时间步长设置稍微短一点，这样可以对波形平滑度 ...
好的，我去试试，多谢指点。
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齿槽转矩 细化气隙剖分，可以用静态分析，可以添加气隙模型，参数化转子位置，得到齿槽转矩，Rmxprt的太理 ...
好的，多谢~
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做2D模拟的时候，要注意模型的高度！
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做2D模拟的时候，要注意模型的高度！
你好，请问具体怎么设置呢
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做2D模拟的时候，要注意模型的高度！
你好，由于我是从rmxprt直接导入到2d里的，所以model depth就是铁心的长度，并没有错误。不过我将长度减半后，齿槽转矩确实也减小了。
我就是想知道，为什么同样的参数下，2d和rmxpt算出来的结果会差这么对，是不是有其他地方的问题？多谢！
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Maxwell 2D进行磁场分析时，Z轴长度是以1m深度（depth）进行计算的。你要根据电机实际高度进行换算。
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无刷电机与有刷电机的区别 从零做四轴（9）
电动机有有刷和无刷之分。博主做四轴的时候弄不明白到底有刷电机和无刷电机到底有什么区别。为了直观的让大家理解，我去找了四驱车电机的拆解图，这个图就是我们小时候玩的四驱侧电机的拆解,想必很多人都干过拆电机这种事。第四张图那个就是电刷了，所以四驱车电机是有刷电机！顾名思义，有刷电动机是内部含有换相电刷的电动机，无刷电机则不需要电刷。有刷电动机的2个刷(铜刷或者碳刷)是通过绝缘座固定在电动机后盖上直接将电源的正负极引入到转子的换相器上，而换相器连通了转子上的线圈，3个线圈极性不断的交替变换与外壳上固定的2块磁铁形成作用力而转动起来。我们的小四轴就用有刷电机驱动，这种空心杯电机就是有刷电机：由于换相器与转子固定在一起，而刷与外壳(定子)固定在一起，电动机转动时刷与换相器不断的发生摩擦产生大量的阻力与热量。所以有刷电机的效率低下损耗非常大。有刷电机的寿命也受限制于电刷的寿命。有刷电机总体说来有如下几个缺点：1、摩擦大，损耗大&　　老模友们在以前玩有刷电机的时候都碰到这个问题，那就是使用电机一段时间以后，需要打开电机来清理电机的碳刷，费时费力，维护强度不亚于来一次家庭大扫除。2、发热大，寿命短&　　由于有刷电机的结构原因，电刷和换向器的接触电阻很大，造成电机整体电阻较大，容易发热，而永磁体是热敏元件，如果温度太高的话，磁钢是会退磁的，使电机性能下降，影响有刷电机的寿命。3、效率低，输出功率小&　　上面说到的有刷电机发热问题，很大程度是因为电流做功在电机内部电阻上了，所以电能有很大程度转化为了热能，所以有刷电机的输出功率不大，效率也不高。但是，有刷电机同样具有制造简单，成本低廉的优点，所以现在市面上有刷电机仍然占有很大份额。无刷电机顾名思义就是没有任何刷！他的空载阻力主要来自转子与定子的旋转接触点，所以一般的无刷电机在转子两端都使用了滚珠轴承来减小摩擦！这样就不会有大量的摩擦阻力与热量(其实还是会发热，只是热源来自于线圈上的电阻损耗)，具有极高(80%-90%以上)的效率与高转速！一般应用在需要大功率输出的模型上，提供卓越的强劲动力！无刷电机优点大致归纳如下：1、无电刷、低干扰&　　无刷电机去除了电刷，最直接的变化就是没有了有刷电机运转时产生的电火花，这样就极大减少了电火花对遥控无线电设备的干扰。2、噪音低，运转顺畅&　　无刷电机没有了电刷，运转时摩擦力大大减小，运行顺畅，噪音会低许多，这个优点对于模型运行稳定性是一个巨大的支持。3、寿命长，低维护成本&　　少了电刷，无刷电机的磨损主要是在轴承上了，从机械角度看，无刷电机几乎是一种免维护的电动机了，必要的时候，只需做一些除尘维护即可。　上下一比较，就知道无刷电机相对于有刷电机的优势在哪里了，但是万事都不是绝对的，有刷电机低速扭力性能优异、转矩大等性能特点是无刷电机不可替代的，不过就无刷电机的使用方便性来看，随着无刷控制器的成本下降趋势和国内外无刷技术的发展与市场竞争，无刷动力系统正在高速的发展与普及阶段重，这也极大促进了模型运动的发展。所以大四轴都是用无刷电机的，模型无刷电机的外观：模型无刷电机的参数指标，除了外形尺寸（外径、长度、轴径等）、重量、电压范围、空载电流、最大电流等参数外，还少不了一个重要指标–KV值，这个数值是无刷电机独有的一个性能参数，是判断无刷电机性能特点的一个重要数据。无刷电机KV值定义为：转速/V，意思为输入电压增加1伏特，无刷电机空转转速增加的转速值。总这个定义来看，我们能知道，无刷电机电压的输入与电机空转转速是遵循严格的线性比例关系的。无刷电机的意义不只是说明电机转速与电压成严格的线性比例关系，还对于电机的性能有一个开阔性的表示。 　　用过无刷电机的朋友大都有这种感觉，同级别（外径）的无刷电机，外转子的和内转子的通电比较一下，会发觉外转子电机扭力大一些，要“硬”一些，内转子电机扭力稍微小一些，要“软”一些，一看电机参数，外转子电机KV值800多，内转子电机1000多到2000多。再看一下转速，内转子电机的转速明显高于外转子电机。其实这些特性都与KV值有关，按照KV值的定义来解释，无刷电机的空转极速，是KV值乘以输入的电压，这也就解释了内转子电机的转速为什么高于外转子无刷电机。就扭力特性来看，KV值一定意义上体现了电机扭力性能，拿外转子电机来说，电机的空载极速一般般，但是加上负载（例如螺旋桨）后，其极速降落到空载极速的60%-70%，但是拿同级别的内转子电机来测试的话，其带负载的转速只能到其空载极速的30%-40%，这明显体现出这两种电机的扭力特性差别，内转子电机的带负载的能力相对较低，为了满足扭力做功，内转子电机必需自行降速，增加通过电流，在电压不变的情况下，这样电机的输出功率就增加了，内转子电机的这种扭力特性也体现在具体的应用上，以前不少轻型泡沫固定翼飞机，最初都用的是内转子无刷电机，但是因为扭力特性的缘故，飞机螺旋桨并不是直接连接在电机上（非直驱），而是增加了一个减速齿轮组，为的就是改善内转子电机的扭力性能。同系列同外形尺寸的无刷电机，KV值也能区别电机的特性，比如 B3674 内转子电机，一个KV值是1860，一个KV值是2075，那第一个电机的扭力就要大一些，峰值做工电流就相对小一些；第二个电机的技术高一些，但是扭力特性就比第一个电机要差，峰值电流就会更大一些。无刷电机KV的意义，一定让你受益匪浅。无刷电机的一些基本知识模型用无刷KV值低的有1-2千，高的到5-6千，他表示的是电压每升高1伏，转速增加的数值，对于无刷，这个值是个常量。对于同种尺寸规格的无刷来说：绕线匝数多的，KV值低，最高输出电流小，但扭力大；绕线匝数少的，KV值高，最高输出电流大，但扭力小；单从KV值，不可以评价电机的好坏，因为不同KV值有不同的适用场合：低电压环境（7.4v），KV值低的，由于转速偏低，适合配较小的减速比和较大的螺旋桨，靠较大负荷来提升电流，输出较大功率；KV值高的，由于转速较高，适合配较大的减速比和较小的螺旋桨，在满足输出功率的条件下，要减小负荷，避免电流过大；高电压环境（11.1v），KV值低的，在这个电压环境下可以达到较高的转速，扭力也不错，比较理想。需要配和较大的减速比和较小的螺旋桨，在满足输出功率的条件下，要减小负荷，避免电流过大；KV值高的，在该环境中转速过高，为避免电流过大，要尽量减少负荷。利用其高转速，用于涵道风扇发动机很适合。&
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A, CN A, CN , CN-A-, CN A, CNA, CN, CN.5, ,
(3) , 一种无铁心损耗的内外转子无刷直流电机
本发明提供的一种无铁心损耗无刷直流电机，包括外Halbach磁体、内Halbach磁体、转子轴及由绕组和骨架构成的空心杯定子。外Halbach磁体与内Halbach磁体均通过隔磁套筒连接到转子轴上，使外Halbach磁体和内Halbach磁体同转子轴同步旋转，空心杯定子安装固定在机壳上。外Halbach磁体、空心杯定子、内Halbach磁体及它们之间的气隙构成闭合的磁路，在两个Halbach磁体之间形成高密度的正弦磁场。本发明提供的无铁心损耗无刷直流电机取消了定子铁心和转子铁心，使转子在任意的工作转速时均不产生铁心损耗，从根本上解决了铁心损耗问题，电机同时具有重量轻、功耗低及结构可靠等优点。
1. 一种无铁心损耗无刷直流电机，其特征在于包括外Halbach磁体（101)、由绕组 和骨架组成的空心杯定子（102)、内Halbach磁体（103)、转子轴（104)以及隔磁套筒 (105)。
2.根据权利要求1所述的外Halbach磁体（101)与内Halbach磁体（103)分别通过隔 磁套筒(105)与转子轴(104)相连，使得外Halbach磁体(101)与内Halbach磁体(103) 同转子轴（104)同步旋转，空心杯（102)定子安装固定在机壳（106)上。
3.根据权利要求2所述的外Halbach磁体（101)的内径大于和内Halbach 磁体（103)的外径，两者安装在隔磁套筒（105)的内表面，外Halbach磁体 (101)和内Halbach磁体（103)极对数相同，为p，在极坐标下外Halbach磁体 的磁化强度为：尨= Mcos(辦K ，内Halbach磁体的磁化强度为： M = Mcos(pff)Sr -Msin(pd)egο
4.根据权利要求书1所述的无铁心损耗的无刷直流电机，其特征在于永磁体采用外 Halbach磁体（101)和内Halbach磁体（103)，外Halbach磁体（101)磁化强度径向分量在 气隙中产生的磁场，与内Halbach磁体（103)磁化强度径向分量在气隙中产生的磁场互相 叠加，外Halbach磁体（101)磁化强度切向分量在气隙中产生的磁场，与内Halbach磁体 (103)磁化强度切向分量在气隙中产生的磁场互相抵消，产生高强度的正弦气隙磁密。
5.根据权利要求书1所述的无铁心损耗无刷直流电机的内外磁极的极数相同，且每个 磁极均由相同块数磁体组成。
6.根据权利1所述的转子轴（104)采用非导磁材料的铝、钛合金等制成。
一种无铁心损耗的内外转子无刷直流电机
技术领域：
[0001] 本发明涉及一种无刷直流电机，特别是涉及一种无铁心损耗无刷直流电机，可 应用于高速、低功耗等场合。
背景技术：
[0002] 传统的无刷直流电机本体中多含有定子铁心和转子铁心，在电机运转时，定子 铁心和转子铁心中磁场交替变化，产生磁滞损耗和涡流损耗，并且这些损耗随着转子旋 转频率的增大而骤增。传统无刷直流电机应用于高速旋转的场合时，电机铁心损耗较 大，效率低。另外，由于定子齿槽的存在，在转子高速旋转时，会产生齿槽转矩和齿谐 波，从而会使得转矩产生一定的脉动，造成一部分损耗。虽然无齿槽无刷直流电机可以 消除齿槽转矩和齿谐波，使得转子转动趋于平稳，但是由于定子铁心的存在，定子铁心 的损耗依然存在。所以，如何降低无刷直流电机高速旋转时在定子铁心和转子铁心上产 生的巨大铁心损耗是扩展其在高速场合应用的关键问题。
发明内容：
[0003] 本发明的目的是提供一种无铁心损耗无刷直流电机，与现有技术相比，其重量 轻、功耗低且结构可靠等优点。
[0004] 本发明为实现上述发明目的，采用如下技术方案：
[0005] 本发明提供的一种无铁心损耗无刷直流电机，其中内外Halbach磁体产 生正弦磁场的原理为：采用如图4所示的充磁方式，内Halbach磁体与外Halbach 磁体极对数相同，且每个磁极由3块Halbach磁体构成。外Halbach磁体的磁 化强度为：= 叹+A/sin(p视，产生内磁场；内Halbach磁体的磁化强度为： ^ = Mc0S(Pff)I-Msin(p0)ee，产生外磁场。外Halbach磁体磁化强度径向分量在气隙中产生的磁 场，与内Halbach磁体磁化强度径向分量在气隙中产生的磁场互相叠加，外Halbach磁体 磁化强度切向分量在气隙中产生的磁场，与内Halbach磁体磁化强度切向分量在气隙中产 生的磁场互相抵消，产生高强度的正弦气隙磁密。
[0006] 本发明提供的一种无铁心损耗无刷直流电机，包括外Halbach磁体、内Halbach 磁体、转子轴以及由绕组和骨架构成的空心杯定子。空心杯定子的骨架为非导磁材料。 外Halbach磁体与内Halbach磁体均连接到转子轴上，使得外Halbach磁体与内Halbach磁
体同转子轴同步旋转，空心杯定子安装固定在机壳上。
[0007] 本发明提供的一种无铁心损耗无刷直流电机，外Halbach磁体与内Halbach磁体
与转子轴同步旋转，相对于转子轴没有相对运动，从而不会转子轴中产生损耗。空心杯 定子绕组中的霍尔元件检测Halbach磁体磁极的位置，根据霍尔元件的输出信号，在相应 的绕组中通入相应电流，产生电枢磁场，该磁场与Halbach磁体产生的磁场相互作用，产 生磁场力，使得外Halbach磁体与内Halbach磁体随转子轴同步旋转。空心杯定子没有铁 心，因此转子在任意转速时都不会在定子中产生铁心损耗，故本发明提供的一种无铁心损耗无刷直流电机，可以消除铁心损耗。
[0008] 有益效果：
[0009] 本发明提供的一种无铁心损耗无刷直流电机，与传统无刷直流电机相比，没有 齿槽，因此可以消除传统无刷直流电机的齿槽效应，使得转子转矩平稳，同时有利于散 热，由于该种结构无刷直流电机的电枢反应弱，有利于各种控制方法的实现。与无齿槽 无刷直流电机相比，本发明提供无铁心损耗无刷直流电机取消了定子铁心和转子铁心， 使得空心杯绕组独立于电机铁心，从根本上解决了铁心损耗问题。永磁体采用外Halbach 磁体和内Halbach磁体结构，这两个Halbach磁体磁化强度径向分量在气隙中产生的磁场 互相叠加，磁化强度切向分量在气隙中产生的磁场互相抵消，产生高强度的正弦气隙磁密。
附图说明：
[0010] 图1 一种无铁心损耗无刷直流电机示意图；
[0011] 图2 —种无铁心损耗无刷直流电机的空心杯定子结构示意图；
[0012] 图3 (a)为内Halbach磁体的充磁方式，（b)为Halbach磁体的充磁方式；
[0013] 图4内Halbach磁体与外Halbach磁体的展开。
具体实施方式：
[0014] 下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
[0015] 本发明提供的一种无铁心损耗无刷直流电机（如图1所示），包括外Halbach磁体 (101)、由绕组和骨架组成的空心杯定子（102)、内Halbach磁体（103)、转子轴（104)以 及隔磁套筒（105)。外Halbach磁体（101)与内Halbach磁体（103)均通过隔磁套筒（10δ) 连接到转子轴（104)上，使得外Halbach磁体（101)与内转Halbach磁体（103)同转子轴 (104)同步旋转，空心杯（102)定子安装固定在机壳（106)上。外Halbach磁体（101)的 内径大于和内Halbach磁体（103)的外径，两者安装在隔磁套筒（105)的内表面。磁通 经过内外Halbach磁体以及它们之间的气隙构成闭合的磁路。
[0016] 本发明提供的一种无铁心损耗无刷直流电机，其空心杯（102)的结构示意如图2 所示。所述空心杯定子由绕组（201)和骨架（202)组成，骨架（202)为非导磁材料，上 开有槽，放置霍尔传感器（203)之用。共需要三个霍尔元件（203)，分别放置在电角度为 120°的槽内，用于检测转子位置。绕组（201)绕制成链式缠绕在骨架（202)上，并用环 氧树脂（204)灌封。
[0017] 本发明提供的一种无铁心损耗无刷直流电机，所用的转子轴（104)采用非导磁 材料的铝、钛合金等制成。空心杯上的绕组（201)用导电良好的电磁线绕制后浸漆烘干 而成。
[0018] 本发明提供的一种无铁心损耗无刷直流电机，其中内外Halbach磁体产生正弦磁 场的原理为：采用如图4所示的充磁方式，内外Halbach磁体磁极数相同，且每个磁极由 3块Halbach磁体构成。外Halbach磁体磁化强度径向分量（Mcos{p6)er )在气隙中产生 的磁场，与内Halbach磁体磁化强度径向分量（McosO^)D在气隙中产生的磁场互相叠 加，外Halbach磁体磁化强度切向分量（M sm{p0)ee )在气隙中产生的磁场，与内Halbach磁体磁化强度切向分量(-MsinO^)l)在气隙中产生的磁场互相抵消，产生高强度的正 弦气隙磁密。
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