蔡黎明，黃開勝，黃新庭，陳賢波(.廣東工業(yè)大學(xué)，廣東廣州　50006; .南京航空航天大學(xué)，江蘇南京　006 )

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新型航空用永磁電機仿真分析與設(shè)計

蔡黎明1，黃開勝1，黃新庭1，陳賢波2
(1.廣東工業(yè)大學(xué)，廣東廣州510006; 2.南京航空航天大學(xué)，江蘇南京210016 )

摘要:根據(jù)航空用電動機的性能指標及其要求，利用ANSYS-Maxwell 2D軟件建立電動機模型并仿真分析了氣隙磁密，削弱了電動機的齒槽轉(zhuǎn)矩。利用ANSYS-Mechanical軟件對優(yōu)化設(shè)計后的電動機噪聲場進行仿真分析。根據(jù)永磁無刷直流電動機電路模型以及航空電動機的機電動作器控制原理圖，對樣機施加激勵，測定電動機的聲壓級，仿真結(jié)果較好。仿真結(jié)果和測試值較為接近，驗證了仿真結(jié)果的準確性，對航空用電動機的性能提升具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞:航空;永磁無刷直流電動機;電磁設(shè)計;有限元;噪聲場

黃開勝(1963—)，男，研究生導(dǎo)師，教授，研究方向為電機與電器。

黃新庭(1987—)，男，碩士研究生，研究方向為電氣工程。

0　引言

航空飛行設(shè)備中機電作動系統(tǒng)的發(fā)展是全電飛機取得進步的重要方面。全電與多電飛機的研究與發(fā)展趨勢要求航空設(shè)備重新整合二次能源:航空設(shè)備的二次能源將主要依靠電能。因此，傳統(tǒng)航空設(shè)備所使用的液壓作動器正逐步被電液作動器和電傳作動器取代。無論是電液作動器還是電傳作動器，其核心部件都離不開電動機。因此，設(shè)計符合航空設(shè)備的高性能電動機勢在必行。航空用電動機不僅應(yīng)該具有較高的效率，而且還應(yīng)該具有較高的功率密度和較高的轉(zhuǎn)矩密度等優(yōu)點。航空設(shè)備的運行環(huán)境決定了航空電機無論在穩(wěn)態(tài)性能還是在動態(tài)性能上都應(yīng)該具有較高的穩(wěn)定性及其伺服性能。

近年來，鐵、鈷、釩軟磁材料在航空電機方面的研究與應(yīng)用，使得航空電機的有效質(zhì)量有了較大幅度的削減。文獻［1］介紹了航空航天電機的應(yīng)用領(lǐng)域及其參數(shù)性能。文獻［2-3］介紹了永磁無刷直流電動機的特性及其算例。文獻［4］介紹了磁鋼為釤鈷材料的永磁無刷直流電動機在電動執(zhí)行設(shè)備中的運用。

考慮到航空電動機應(yīng)用場合，其空間體積有限，有時必須將電動機與驅(qū)動器兩者設(shè)計到一起，組合為一體以縮小體積。一體式結(jié)構(gòu)的伺服電動機系統(tǒng)在整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計上，與傳統(tǒng)伺服電動機、控制驅(qū)動器兩者分離的情況是有所不同的。使驅(qū)動器與電動機的外殼空間尺寸相約束，把功率器件安裝在電動機的殼體上。為保持航空設(shè)備驅(qū)動系統(tǒng)的穩(wěn)定安靜地運行，降低電動機振動與噪聲是航空電動機設(shè)計必須解決的問題之一。永磁電機設(shè)計分析較多，包括等效磁路法、場路結(jié)合法、電磁場的解析分析法等。對于航空用交流伺服電動機，其指標要求較為苛刻:既有靜態(tài)指標要求，也有動態(tài)指標要求。如果單一采用傳統(tǒng)的磁路方法來設(shè)計，誤差通常比較大，很難設(shè)計出滿足航空設(shè)備所要求的性能指標的電動機，更不能對電動機的齒槽轉(zhuǎn)矩、輸出轉(zhuǎn)矩波動等進行精確分析。因而航空用高性能永磁同步電動機不能僅僅依賴磁路法進行設(shè)計分析。

本文在航空技術(shù)指標要求下，用釤鈷永磁材料作為磁鋼材料。通過ANSYS軟件，結(jié)合等效磁路法和有限元分析法，設(shè)計了一款永磁無刷直流電動機。文中優(yōu)化了轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，降低了電機的重量，減小了轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量;對磁鋼進行了優(yōu)化，降低了齒槽轉(zhuǎn)矩，達到了降低電機轉(zhuǎn)矩波動的效果，最后對電動機的噪聲場進行仿真與試驗，驗證了設(shè)計和仿真分析的可靠性。

1　永磁無刷直流電動機的設(shè)計

1.1我國航空電機的主要指標

目前，我國航空電機的技術(shù)指標有詳細的規(guī)定。主要指標涉及電源電壓、頻率及相數(shù)。

電壓:除部分小型飛機外，我國絕大多數(shù)飛機采用270 V直流電壓或者單相115 V/三相200 V交流電壓作為主電源。一方面，當電網(wǎng)輸入功率、電動機功率因數(shù)和負載不變時，電壓越低，工作電流就越大，為防止電機發(fā)熱過高，導(dǎo)線面積必須相應(yīng)增大，結(jié)果導(dǎo)致電機質(zhì)量增大。另一方面，一味地提高電壓又會影響工作的安全性。綜合各方因素，本文選用270 V直流電壓源供電。

頻率:若是選用交流電壓源，頻率通常為400 Hz。

相數(shù):通常選用三相四線制，中性線接地。由于三相電動機質(zhì)量相對較輕、效率高，而且在一相或者兩相短路時，電動機仍然可以工作，大大提升了航空設(shè)備的安全性，所以通常選用三相四線制。

1.2基本數(shù)學(xué)方程式

永磁無刷直流電動機的基本數(shù)學(xué)方程式主要為三相電樞繞組的電壓平衡方程式。電動機正常運行狀態(tài)下，Y形連接的三相電樞繞組的端電壓應(yīng)該滿足以下平衡方程式［7］:

式中: uU、uV、uW——U、V、W三相電樞繞組的端部的對地電壓;

iU、iV、iW——U、V、W三相電樞繞組內(nèi)的電流;

eU、eV、eW——轉(zhuǎn)子永磁磁極在U、V、W三相電樞繞組內(nèi)感生的反電動勢;

un——三相電樞繞組Y形連接點的對地電壓;

rφ、Lφ——每相電樞繞組的電阻和電感。

1.3主要尺寸的設(shè)計

永磁無刷直流電動機與傳統(tǒng)電勵磁式直流電機一樣，也必須滿足主要尺寸、轉(zhuǎn)速、電磁負荷及其容量之間的關(guān)系式:

式中: Di1——定子內(nèi)徑;

nN——電動機的額定轉(zhuǎn)速;

L——鐵心計算長度;

P——計算功率;

PN——額定功率;取1.15×PN;

αi——計算極弧系數(shù);

Kφ——氣隙磁場波形系數(shù);

KW——基波繞組系數(shù);

A——電負荷;

Bδ——氣隙磁密平均值。

在永磁直流電動機的設(shè)計中，一般取較大的Bδ和較小的A。這樣不僅可以減小電樞反應(yīng)去磁磁動勢，而且有利于降低溫升和提高電動機效率。航空電機可以利用迎面氣流來冷卻［5］。

1.4轉(zhuǎn)子設(shè)計

根據(jù)航空電機的性能要求，在額定功率一定的情況下，提高電動機的功率密度。因此，在不影響電動機受力及其運行條件下，對轉(zhuǎn)子內(nèi)部進行優(yōu)化，優(yōu)化后的轉(zhuǎn)子如圖1所示。

圖1　優(yōu)化后的電機轉(zhuǎn)子模型圖

優(yōu)化后轉(zhuǎn)子的優(yōu)點是不容忽視的。一方面，優(yōu)化后的轉(zhuǎn)子可以減小電動機的質(zhì)量，可以使得用于航空作動系統(tǒng)的電動機的速動性能得以提升，提高了電動機的功率密度;另一方面，優(yōu)化后的轉(zhuǎn)子改善了自身內(nèi)部磁場，減小了永磁體的極間漏磁，從而提高了永磁材料的利用率。

1.5磁鋼設(shè)計

通常，永磁材料的選取既要考慮電機性能，也要考慮經(jīng)濟性。與常用的鐵氧體相比，其矯頑力和剩磁都比較高，抗去磁能力更強。對于航空電機，經(jīng)濟性不是其考慮的主要因素。為了提高電機的性能，磁鋼選用釤鈷永磁材料。

根據(jù)文獻［2］可知，瓦片型結(jié)構(gòu)主要使用在高矯頑力的稀土永磁材料和鐵氧體永磁材料的永磁直流電動機中。鑒于航空電機的高速運轉(zhuǎn)特性，采用表面式瓦片結(jié)構(gòu)可以方便地進行永磁體的安裝和機械保護固緊。表面式永磁電機動態(tài)響應(yīng)較快，轉(zhuǎn)矩脈動小，適合作為航空電機永磁設(shè)計結(jié)構(gòu)，故本文采用表面式瓦片狀磁鋼結(jié)構(gòu)。

2　電動機有限元仿真與優(yōu)化

徑向電磁力是振動噪聲的主要激勵源，切向電磁力是次要激勵源［5］。對于永磁電機，切向電磁力導(dǎo)致齒槽轉(zhuǎn)矩脈動。為使得航空設(shè)備更加穩(wěn)定而又安靜地運行，需要削弱電動機的齒槽轉(zhuǎn)矩。為削弱齒槽轉(zhuǎn)矩，文獻［6］利用Ansoft-Maxwell軟件對電動機進行等效磁路法建模和有限元仿真，對樣機的極弧系數(shù)、磁鋼的偏心距，以及磁鋼的偏移角度進行了優(yōu)化設(shè)計，以達到降低齒槽轉(zhuǎn)矩的目的。優(yōu)化后的電動機模型如圖2所示，優(yōu)化前后電動機的齒槽轉(zhuǎn)矩波形如圖3所示。

圖2　電動機空載磁密分布圖

圖3　電動機齒槽轉(zhuǎn)矩波形

從圖3可以看出，齒槽轉(zhuǎn)矩在優(yōu)化前的最大值為1.2 N·m，優(yōu)化后最大值降低為0.2 N·m。齒槽轉(zhuǎn)矩的削弱效果較好。

氣隙磁場是電機電磁計算的重要物理量，分析電動機的靜態(tài)特性，必須分析電動機的磁場分布情況［8］。利用ANSYS-Maxwell軟件的場求解器計算空載氣隙磁密，仿真波形如圖4所示。

圖4　電動機空載磁密分布圖

通過仿真可以得到靜態(tài)磁場下，氣隙磁密的最大值為0.749 T，平均值為0.573 T。根據(jù)磁鋼的極弧系數(shù)與空載氣隙磁密之間的關(guān)系可知，計算極弧系數(shù)可以表示為［9］

在永磁無刷直流電動機中，為獲得好的平頂波，極弧系數(shù)要相對正弦交流永磁電機較大，通常在0.7以上［10］，本設(shè)計較為合理。

3　電動機的噪聲場分析

低噪聲是航空用電動機必備的特點之一。電機的噪聲主要分為三大類:電磁噪聲、機械噪聲和空氣動力噪聲。本文針對電磁噪聲的產(chǎn)生機理，重點分析了穩(wěn)定運行條件下電動機的噪聲場。

定子鐵心不同階次的變形有著不同的固有頻率，當徑向力波的頻率與鐵心的某個固有頻率接近或相等，就會引起“共振”，導(dǎo)致定子鐵心變形和周期性振動，產(chǎn)生較大的電磁噪聲。利用ANSYS軟件的Maxwell模塊和Mechanical模塊對電動機產(chǎn)生的噪聲進行求解。ANSYS軟件通過接口程序?qū)⒙晫W(xué)計算模塊無縫集成到Mechanical平臺中，其聲學(xué)計算流程包括:定義聲學(xué)屬性→定義聲學(xué)邊界條件和載荷→計算求解→結(jié)果的后處理。用Pro/Engineer建立的聲場模型并導(dǎo)入到ANSYS軟件;設(shè)置流固耦合面參數(shù)，并導(dǎo)入速度邊界條件，把聲場表面設(shè)置為輻射表面;進行聲場計算可以得到聲壓級分布云圖。為合理利用計算機資源，提高仿真求解速度，求解單位長度的鐵心聲壓級分布云圖。

根據(jù)聲學(xué)理論可知，聲壓級的計算公式為

式中: P——聲壓，Pa;

P0——基準聲壓，取對于1 000 Hz聲音人耳剛能聽到的最低聲壓時，其值為2×10－5Pa。

由仿真結(jié)果來看，電動機外殼附近的噪聲最大，聲壓級約為54.41 dB。隨著距離的增大，聲壓級逐漸減小。單位長度的鐵心聲壓級分布云圖如圖5所示。

圖5　聲壓級分布云圖

4　電動機電路模型與控制原理圖

永磁無刷直流電動機是集電動機本體與控制電路為一體的典型機電一體化設(shè)備。因此，模型中的電路部分的設(shè)計非常重要。本文通過場路耦合的方式，把建立起的Maxwell模型同Simplorer進行聯(lián)合仿真。電路中功率晶體管的導(dǎo)通角則是依靠轉(zhuǎn)子位置傳感器來控制。

給航空設(shè)備的機電作動器提供直流電壓源270 V，永磁無刷電動機在270 V的直流電壓下驅(qū)動機械傳動裝置，帶動設(shè)備運行，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換及其傳遞過程［11］。機電作動器的工作原理圖如圖6所示。

圖6　機電作動器控制原理圖

5　樣機試驗驗證

根據(jù)以上仿真分析，利用數(shù)字式聲級計對電機的聲壓級進行試驗。ANSYS-Mechanical的計算值和施加激勵后的樣機測試值對比如表1所示。

表1　仿真計算值和測試值

從表1可以看出，用ANSYS-Mechanical計算的理論值跟樣機實測值比較接近，誤差都在10%以內(nèi)，驗證了本設(shè)計方案的可靠性。

6　結(jié)語

結(jié)合航空用電動機的性能指標及其要求，利用ANSYS-Maxwell軟件建立了一款航空用永磁無刷直流電動機模型，優(yōu)化設(shè)計并求解出了電動機的氣隙磁密波形，然后削弱了電動機的齒槽轉(zhuǎn)矩。利用ANSYS-Mechanical仿真分析了優(yōu)化設(shè)計后的電動機噪聲場。根據(jù)永磁無刷直流電動機電路模型以及航空電動機的機電動作器控制原理圖，對電動機施加激勵，測定電動機的聲壓級，仿真結(jié)果表明電機噪聲較小，滿足低噪聲的要求。仿真結(jié)果和測試值較為接近，驗證了仿真結(jié)果的準確性，對航空電機的設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

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Simulation Analysis and Design of New Kind Permanent Magnet Motor Used in Aviation Aircraft

CAI Liming1，HUANG Kaisheng1，HUANG Xinting1，CHEN Xianbo2
(1.Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China; 2.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China)

Abstract:According to the requirements of the aviation motor performance index，using ANSYS-Maxwell 2D software designed motor model and the simulation analysis of the air gap flux density，weakened the cogging torque of the motor.By using ANSYS-Mechanical software to optimize design of motor noise field simulation analysis.According to the model of the permanent magnet brushless DC motor circuit and mechanical and electrical motion control principle diagram of the aviation motor，applying incentives for prototype，determination of the sound pressure level of the motor，the simulation results were good.The simulation results and the test value was relatively close，the accuracy of the simulation result was verified for aviation motor performance has a certain reference significance.

Key words:airplane; permanent magnet brushless DC motor; electromagnetic design; finite element; noise field

收稿日期:2015-08-17

作者簡介:蔡黎明(1988—)，男，碩士研究生，研究方向為電機與電器。

中圖分類號:TM351

文獻標志碼:A

文章編號:1673-6540(2016) 03-0037-005