高功率密度電力作動電動機磁場仿真與驗證

1、高功率密度電力作動電動機磁場仿真與驗證作者：張忠明 楊鳳秋摘要：本文針對一臺用于電力作動的 11kW 高功率密度直流無刷電動機，采用有限元方法，對磁場進行仿真，并在磁場分布的基礎(chǔ)上，對電動機的啟動和穩(wěn)態(tài)工作特性進行分析，對仿真參數(shù)和物理樣機的實測參數(shù)進行對比，結(jié)果表明，仿真達到較高的準確度。該設(shè)計方法，對于提升高功率密度直流無刷電動機的設(shè)計水平，具有一定的參考意義。關(guān)鍵詞: 高功率密度；磁場仿真；Maxwell 2D；電力作動；有限元前言隨著航空產(chǎn)品技術(shù)層次的不斷提升，航空產(chǎn)業(yè)主機部門對部件的重量的要求越來越苛刻，作為機械與電氣的重要能量轉(zhuǎn)換部件，電機的功率密度，尤其是用于電力作動的電動機的功

2、率密度，急需獲得提升。直流無刷電動機具有體積小、啟動力矩大、效率高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于各類高性能電驅(qū)動系統(tǒng)，并且開始在航空機電系統(tǒng)中獲得應(yīng)用。高功率密度直流無刷電動機與一般直流無刷電動機相比，內(nèi)部電磁場分布有所不同，經(jīng)典電機理論中的一些磁路計算方法，以及一些經(jīng)驗系數(shù)的取舍，不適用于高功率密度無刷直流電動機的設(shè)計過程。有限元法電磁場計算作為電機的高級分析手段，具有計算結(jié)果精確、后處理功能強大等優(yōu)點，本文針對一臺輸出功率 11kW、輸出轉(zhuǎn)矩 12N·m 的高壓直流無刷電 動機，利用 Maxwell 2D 專業(yè)電磁場分析軟件進行仿真，得出磁場分布參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上對電機的性能進行了計算。最后

3、將上述計算結(jié)果與樣機的實測值進行了對比分析。仿真模型基本參數(shù)利用給定的電機技術(shù)指標對電機的主要尺寸和結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了設(shè)計。（1）技術(shù)指標：額定功率 11kW；額定電壓 250VDC；負載為恒扭矩 12N·m；工作方式為方波驅(qū)動、連續(xù)運行。（2）主要尺寸：定子內(nèi)徑 Dsi=82mm，定子外徑 Dso=140mm，極數(shù) p=4，轉(zhuǎn)子鐵芯長 l=66mm，每相繞組串聯(lián)匝數(shù) Nph=36，q=3 為電機相數(shù)。（3）結(jié)構(gòu)參數(shù)：軸向通風(fēng)、定子齒數(shù) Z=36，瓦片磁鋼，徑向充磁，平底槽。表1 交流電動機與直流無刷電動機主要尺寸比較表 1 中的重量不包括為進行安裝，額外增加的結(jié)構(gòu)重量，本文所述模型功率

4、密度為 1kW/kg。為提高電機的功率密度，需提高電機的電磁負荷，包括電負荷 A 和磁負荷 B,兩者與電機的主要尺寸直接相關(guān)，影響到電機的效率、溫升、重量。文獻1提出：直流無刷電動機的定子內(nèi)徑 Dsi 取90mm 時，電負荷 A=（1000019000）A/m，磁負荷 B=（0.550.68）T。選用較高的電負荷 A，可以減少有效材料的使用進而降低重量，但是過高的的電負荷，會導(dǎo)致定子繞組去磁作用的影響顯著，導(dǎo)致工作特性變差，同時，在定子繞組電流密度不變的情況下，增加定子槽內(nèi)的導(dǎo)線，從而增加用銅量、銅耗和溫升，加速絕緣材料的老化，影響使用壽命。由于單位體積鐵芯中的鐵耗與鐵芯內(nèi)磁感應(yīng)強度的二次方成

5、正比，因此提高磁負荷 B將增大電機的鐵損，導(dǎo)致效率降低，溫升增高。傳統(tǒng)直流電機的設(shè)計中，空載漏磁系數(shù)的確定存在較大誤差，對于高磁負荷直流電機，空載漏磁系數(shù)的誤差會由于漏磁的增加而增大，為電機設(shè)計帶來困難。基于上述考慮，合理選取電負荷 A 和磁負荷 B是設(shè)計高功率密度電動機的關(guān)鍵，本文利用專業(yè)電磁場有限元軟件 Ansoft Maxwell 2D 中的瞬態(tài)求解器，對電機的磁場分布進行仿真，并在此基礎(chǔ)上計算電機的電氣參數(shù)。有限元仿真分析3.1. 建模將 CAXA EB 中繪制的 exb 文件轉(zhuǎn)換為 dwg 文件，并導(dǎo)入到 Maxwell 2D 中，氣隙中增加虛擬圓周線，是為了方便定義氣隙中的轉(zhuǎn)動部分

6、，同時提高計算精度。對于完整的電機模型，認定定子外徑邊界處的矢量磁位為 0。由于電機內(nèi)能量的傳遞過程主要發(fā)生在氣隙中，電機的軸向長度相對于氣隙長度大得多，因此端部漏磁相對很小，對電機的性能影響很小，予以忽略。建立的模型見圖 1。網(wǎng)格剖分是有限元求解的基礎(chǔ)，離散網(wǎng)格的質(zhì)量決定有限元計算的精度。為了兼顧仿真的準確度和計算機的性能，采用手動剖分，對電機不同部分設(shè)置不同的網(wǎng)格數(shù)量，一般氣隙和定子齒部網(wǎng)格要密一些。網(wǎng)格剖分見圖 2。3.2. 求解使用有限元方法計算電機的瞬態(tài)磁場，需考慮定轉(zhuǎn)子之間的相對轉(zhuǎn)動。目前對電機定轉(zhuǎn)子相對運動的處理有多種方法：邊界積分法、耦合電源法、預(yù)存儲剖法、時步法和氣隙單元法，

7、其中時步法最易于計算機程序?qū)崿F(xiàn)，其實質(zhì)是以靜止的定子部分作為靜止參考，以轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子作為旋轉(zhuǎn)坐標系，分別列出求解方程。此處引入虛擬圓周線，尺寸居于定轉(zhuǎn)子之間，利用虛擬圓周線設(shè)置的邊界將靜止部分與轉(zhuǎn)動部分連接起來，進而得到整個場域的解?？紤]電機的最高運動速度 n=10000r/min，轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一個齒距的時間為：t = 60/nZ = 166us因此設(shè)置求解步長為 5us，將每個轉(zhuǎn)子齒距從時域上分為至少 33 步，完全滿足各種工況下的仿真精度需要。使用 Maxwell 2D 的二維瞬態(tài)求解器，仿真了0s0.1s 的負載啟動和穩(wěn)態(tài)運行過程，時間步長設(shè)為 5us。3.3 后處理及分析3.3.1 磁場分

8、析利用 MAXWELL 2D 的后處理功能，得到空載時氣隙磁感應(yīng)強度波形，見圖 3，利用對該波形積分，求取平均值，得到電機空載氣隙磁感應(yīng)強度，再利用磁路求解工作點的方法，試取不同的漏磁系數(shù)，求取對應(yīng)的空載氣隙磁感應(yīng)強度（文獻2），最后反復(fù)推算空載漏磁系數(shù)為 1.12，在進行傳統(tǒng)電機電磁計算過程中，利用該空載漏磁系數(shù)，繪制電機的空載特性曲線、負載特性曲線和永磁體去磁曲線，求取電機的空載工作點和負載工作點。圖 3 空載沿氣隙圓周磁感應(yīng)強度波形為實現(xiàn)高功率密度這一指標，同時需兼顧散熱條件和效率的限制，在額定功率一定的條件下，尺寸重量應(yīng)足夠小，因此電機磁負荷的選取保證軟磁材料已經(jīng)飽和，但未進入深度飽和

9、。經(jīng)計算，電機各部分磁感應(yīng)強度見表 2；定子齒部和軛部均已進入飽和區(qū)間，磁負荷高于文獻【1】的取值范圍。圖 4、圖 5 分別為負載穩(wěn)態(tài) t=0.1s 時刻的磁場、磁力線分布圖。由圖可看出，磁力線分布符合傳統(tǒng)電機磁路設(shè)計的規(guī)律，磁負荷達到較高值。磁極間盡管采用了隔磁結(jié)構(gòu)，但是由于磁鋼的剩磁較高，仍然存在一定的漏磁。3.3.2 啟動過程分析啟動過程的力矩、電流和轉(zhuǎn)速均建立于對磁場分析計算的基礎(chǔ)上，由于此前已經(jīng)獲得 0s0.1s 的電磁計算數(shù)據(jù)，基于電機計算公式可獲得圖 6、圖 7、圖 8 所示的啟動轉(zhuǎn)矩、啟動轉(zhuǎn)速、啟動電流的特性曲線。仿真中未對電流進行斬波控制，此時輸入電源為理想電源，反映的是電機

10、在 12 N·m 恒定轉(zhuǎn)矩負載下自然特性。圖 6 12 N·m 恒定轉(zhuǎn)矩負載啟動轉(zhuǎn)矩曲線0.09s0.1s 電機達到穩(wěn)態(tài)，對于該時段的電磁轉(zhuǎn)矩積分后，求取0.09s0.1s的電磁轉(zhuǎn)矩為12.55N·m，0.1s 時電機轉(zhuǎn)速為 8708rpm。由圖可見，在理想電源輸入情況下，電動機獲得較大的啟動扭矩，同時電流輸入很大，轉(zhuǎn)速在恒定扭矩下上升加速度逐步降低，穩(wěn)態(tài)時轉(zhuǎn)速達到8708rpm。3.3.3 穩(wěn)態(tài)電氣參數(shù)曲線圖 9、圖 10、圖 11 分別為穩(wěn)態(tài) 12 N·m 恒定轉(zhuǎn)矩負載下的電流、一相繞組端部對地端電壓和反電動勢波形。同樣基于磁場仿真數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。在此負載

11、下，電機相電流有效值達到 I=48.2A，因此計算電機的電負荷 A 為：其中，Nph=36 為每相繞組串聯(lián)匝數(shù)，q=3 為電機相數(shù)。電機的電負荷 A 高于文獻1中的取值范圍。由圖可見三相直流無刷電動機的換相對電流、電壓和反電動勢均產(chǎn)生影響。換相造成的電氣參數(shù)波動將對電機的電磁兼容考核產(chǎn)生不利影響，產(chǎn)品設(shè)計過程中可依據(jù)上述仿真波形，選取恰當?shù)臑V波參數(shù)。表 3 實測值與仿真結(jié)果比較比較4 樣機試驗驗證按照仿真和設(shè)計方案制作的樣機，并進行試驗，并進行驗證，圖 12 是實測輕載線電壓和相電流在統(tǒng)一時間軸上的波形，圖中通道 1 為相電流波形，通道 2 為一相繞組端部對地端電壓波形。此時相電流幅值為 21.4A，輸入電壓為 143.2V。圖 12 實測輕載線電壓和相電流波形圖 13 是實測額定負載 12Nm 時，線電壓和相電流在統(tǒng)一時間軸上的波形，圖中通道 1 為相電流波形，通道 2 為一相繞組端部對地端電壓波形。此時相電流幅值為 53.6A，輸入電壓為 254.1V，此時電機實測參數(shù)與仿真參數(shù)對比見表 3,兩者非常接近。圖 13 實測額定載荷線電壓和相電流波形結(jié)論本文針對高功率密度直流無刷電動機進行了磁場仿真，并利用磁場的仿真結(jié)果，對電機的工作特性進行了計算。