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        基于Ansoft的永磁無刷直流電動機的設(shè)計與仿真

        2016-01-27 05:06:56彭峰谷愛昱梁德志羅志偉溫曉陽
        防爆電機 2015年6期

        彭峰,谷愛昱,梁德志,羅志偉,溫曉陽

        (廣東工業(yè)大學(xué),廣東廣州510006)

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        基于Ansoft的永磁無刷直流電動機的設(shè)計與仿真

        彭峰,谷愛昱,梁德志,羅志偉,溫曉陽

        (廣東工業(yè)大學(xué),廣東廣州510006)

        摘要介紹了永磁無刷直流電動機基本原理,然后根據(jù)要求設(shè)計了一臺9槽10極永磁無刷直流電動機,并利用Ansoft /Maxwell 2D對其進行了有限元仿真,對電動機進行了空載、負(fù)載瞬態(tài)特性分析,驗證了設(shè)計的合理性。最后試制樣機,樣機測試值與Maxwell仿真值對比,驗證Maxwell仿真的正確性。

        關(guān)鍵詞永磁無刷直流電動機;電磁設(shè)計;有限元仿真

        0引言

        永磁無刷直流電機以其體積小、重量輕、慣量小、控制簡單和動態(tài)性能好等優(yōu)良特性,被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通、消費電子、航空航天、軍事等領(lǐng)域。因此,對永磁無刷直流電動機的研究具有十分重要的意義。

        永磁無刷直流電機除了保持有刷直流電動機優(yōu)越的起動和調(diào)速性能外,其最大的特點是沒有換向器和電刷組成的機械接觸結(jié)構(gòu),具有壽命長、噪聲低和電磁干擾小等優(yōu)點。因此,永磁無刷直流電動機的轉(zhuǎn)速不受機械換向的限制,可以根據(jù)具體的需要讓其高速或者低速運行,有較好的轉(zhuǎn)矩特性。并且永磁無刷直流電機由于結(jié)構(gòu)上的特點,使其熱阻較小,散熱容易。永磁無刷直流電機同樣還具備交流電動機的結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、適應(yīng)性好、維護方便等優(yōu)點[4]。

        本文根據(jù)電機的性能要求設(shè)計了一款9槽10極的無刷直流電機,利用Maxwell軟件對其進行有限元分析,并和實驗樣機測試結(jié)果進行對比。

        1永磁無刷直流電機的原理

        無刷直流電機為了實現(xiàn)無機械接觸換相,利用電子開關(guān)電路代替有刷直流電動機的機械換相,取消了傳統(tǒng)電刷。因此,為了實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向的控制,無刷直流電機必須具有由轉(zhuǎn)子位置傳感器、控制電路及功率器件共同構(gòu)成的換相裝置。所以,無刷直流電機是一款典型的機電一體化產(chǎn)品[1]。

        無刷直流電動機由電動機和電子驅(qū)動器兩部分組成,其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。永磁無刷直流電機的位置傳感器與電動機轉(zhuǎn)子同軸,控制電路對位置信號進行邏輯變換后產(chǎn)生驅(qū)動信號,驅(qū)動信號經(jīng)功率開關(guān)器件,使電動機的各相繞組按一定的順序工作[2]。

        圖1 永磁無刷直流電機基本結(jié)構(gòu)框圖

        2永磁無刷直流電機的設(shè)計

        2.1 主要性能指標(biāo)

        永磁無刷直流電動機設(shè)計指標(biāo):額定功率150W,標(biāo)稱電壓115V,相數(shù)為3,額定轉(zhuǎn)速6000r/min,120°兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)方波設(shè)計,電機使用環(huán)境溫度≤80℃。

        2.2 主要尺寸的確定

        電機的主要尺寸根據(jù)經(jīng)驗公式[3]來計算

        (1)

        式中,Di1—電樞內(nèi)徑;Lef—電動機長度;P—計算電磁功率;α—極弧系數(shù);A—電負(fù)荷;Bδ—磁負(fù)荷;nN—額定轉(zhuǎn)速。

        永磁無刷直流電動機的設(shè)計主要包括尺寸的確定、長徑比的確定、齒寬和軛高的計算、永磁體尺寸確定、繞組參數(shù)確定等。通過對電動機參數(shù)的計算、校驗,最終確定電動機各個部分的參數(shù)[5]。

        定子設(shè)計:槽數(shù)為9,定子內(nèi)徑30mm,槽口寬2.5mm,槽口深0.5mm,槽深10.5mm,定子齒寬5mm;

        轉(zhuǎn)子設(shè)計:外徑29mm,永磁體厚度3mm,轉(zhuǎn)子內(nèi)孔直徑10mm,轉(zhuǎn)子磁環(huán)5對極:粘接釹鐵硼,15℃下剩磁密度0.654T,矯頑力為421kA/m;繞組:每槽匝數(shù)為41匝,線徑為0.62mm。

        3電機的有限元仿真

        3.1 電機有限元模型的建立

        根據(jù)上面初步設(shè)計的數(shù)據(jù),電機的主要參數(shù)如表1所示。

        表1 電機的主要參數(shù)

        利用軟件Ansoft/Maxwell 2D模塊進行無刷直流電機模型的建立

        (1)打開軟件,確定求解環(huán)境;

        (2)利用AutoCAD等作圖軟件,畫出電機的模型,并將畫好的模型導(dǎo)入到Maxwell 2D中,如圖2所示;

        (3)給電機各部分添加材料;

        (4)建立各相繞組,并對電機各部分進行剖分,使之達到合理的剖分效果,其剖分如圖3所示;

        (5)確定電機求解過程中的邊界條件、激勵、損耗等;

        (6)確定求解時間、負(fù)載轉(zhuǎn)矩等[5]。

        圖2 電機模型(最外圍為外層面域)

        圖3 網(wǎng)格剖分圖

        在Ansoft中包含有相應(yīng)的電路設(shè)計Maxwell Circuit Editor,可以利用其對永磁無刷直流電動機的外電路進行編輯。電動機控制外電路圖如圖4所示。

        圖4 電機控制外電路

        3.2 有限元仿真結(jié)果分析

        在空載模型的基礎(chǔ)上來進行電動機負(fù)載瞬態(tài)分析,在施加外電路后的負(fù)載瞬態(tài)分析相比較空載分析僅對激勵源與機械運動部分進行重新設(shè)置,其他設(shè)置保持不變[6]。有限元仿真部分結(jié)果如圖5所示。

        圖5 電機磁力線分布圖

        從圖5中可以看出,電機的磁鏈分布比較均勻,漏磁較少,說明電機的尺寸設(shè)計較為合理。

        圖6為電機齒槽轉(zhuǎn)矩曲線,從圖中可以看出齒槽轉(zhuǎn)矩的幅值為0.769m N·m,且正負(fù)對稱。齒槽轉(zhuǎn)矩的幅值較小,說明該電機的輸出轉(zhuǎn)矩波動不大,運行性能較為穩(wěn)定,可靠性較高。

        圖6 齒槽轉(zhuǎn)矩曲線

        轉(zhuǎn)速曲線如圖7所示,從轉(zhuǎn)速曲線圖中,可以看出電機穩(wěn)定之后,平均轉(zhuǎn)速為5912r/min。與理論額定轉(zhuǎn)速6000r/min相差在誤差范圍之內(nèi),是符合設(shè)計要求的。

        圖7 轉(zhuǎn)速曲線

        通過添加輸出變量的方式,Pout=Moving1.Torque×5912/9.55,可以從輸出功率Pout曲線中看出,電機穩(wěn)定之后輸出功率的平均值為152.97W。輸出功率曲線如圖8所示。

        圖8 輸出功率曲線

        輸入曲線如圖9所示。輸入功率Pin=輸出Pout+機械損耗Pm+鐵耗PFe+銅耗PCu+附加損耗Pad+開關(guān)管損耗PΔ,可以從輸入曲線圖中得出,穩(wěn)定之后的輸入功率平均值為181.70W。

        圖9 輸入功率曲線

        從而計算出該電機的平均效率η= 輸出Pout/ 輸入Pin為84.19%,是符合基本設(shè)計要求的。

        4樣機實驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比

        根據(jù)上述的設(shè)計,試制了

        一款樣機,如圖10所示。

        圖10 樣機圖

        給電機加115V的直流電壓,調(diào)速到6000rpm,用測功機進行測試。樣機實驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的對比如表2所示。

        表2 仿真值與測試值

        通過表2的對比可知,Maxwell軟件的仿真值與樣機的實測數(shù)據(jù)比較接近,在誤差的允許范圍之內(nèi),電機性能滿足設(shè)計的要求。

        5結(jié)語

        本文通過Maxwell 2D對所設(shè)計的9槽10極永磁無刷直流電動機進行仿真,獲得其性能參數(shù)曲線與數(shù)據(jù),并將仿真數(shù)據(jù)與樣機測試數(shù)據(jù)進行對比,驗證了電機電磁設(shè)計的正確性。上述設(shè)計只是滿足基本要求設(shè)計的其中一種,對于一種電機的設(shè)計有很多種參數(shù)可能。在永磁無刷直流電動機的設(shè)計過程中,為了使設(shè)計出的電機不僅能夠滿足實際要求,而且效率盡可能大,就有必要對電機的性能參數(shù)進行優(yōu)化,而性能參數(shù)的尋優(yōu)是通過電機的結(jié)構(gòu)參數(shù)的尋優(yōu)來實現(xiàn)的[7]。

        參考文獻

        [1]譚建成.永磁無刷直流電機技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011.3.

        [2]田燕飛.小型三相永磁無刷直流電動機分析與設(shè)計[J].廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2014.5.

        [3]邱國平,邱明.永磁直流電機實用設(shè)計及應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009.3.

        [4]胡巖,武建文,李德成,等.小型電動機現(xiàn)代實用設(shè)計技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008.3.

        [5]趙博,張洪亮.Ansoft12在工程電磁場中的應(yīng)用[M].北京:中國水利水電出版社,2010.1.

        [6]陳文敏,黃開勝,何良遠,等.基于Maxwell的單相無刷直流電動機分析和設(shè)計[J].微電機,2013.3(46).

        [7]翟力,黃文美,宋桂英,等.基于最大效率的永磁無刷直流電動機優(yōu)化設(shè)計[J].微特電機,2011.12.

        Design and Simulation of Permanent Magnet Brushless

        DC Motor Based on Ansoft

        PengFeng,GuAiyu,LiangDezhi,LuoZhiwei,andWenXiaoyang

        (Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

        AbstractThis paper introduces basic principle of PM brushless DC motor. A 9-slot 10-pole PM brushless DC motor is designed according to requirements. Finite-element simulation of the motor is carried out by Ansoft/Maxwell 2D, transient characteristics of the motor in load and noload are analyzed, and rationality of the motor in design is verified. Finally, trial-manufacture of the prototype is carried out, and the correctness of Maxwell simulation is verified by comparison between test value and simulation value of prototype.

        Key wordsPM brushless DC motor;electromagnetic design;finite-element simulation

        收稿日期:2015-07-28

        作者簡介:彭峰男1989年生;碩士研究生,研究方向為電機與電器.

        中圖分類號:TM301.2

        文獻標(biāo)識碼:A

        文章編號:1008-7281(2015)06-0004-004

        DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2015.06.02

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