某型低速大轉(zhuǎn)矩永磁無(wú)刷電機(jī)電磁場(chǎng)、結(jié)構(gòu)場(chǎng)和溫度場(chǎng)仿真設(shè)計(jì)方案

1 引言

永磁無(wú)刷直驅(qū)電機(jī)能夠直接連接負(fù)載，并可以輸出較大的轉(zhuǎn)矩，具有穩(wěn)定的低速運(yùn)行特性、線性度好、反應(yīng)速度快、具有寬調(diào)速范圍和軟機(jī)械特性等優(yōu)點(diǎn)[1]，也可以長(zhǎng)時(shí)間工作在堵轉(zhuǎn)條件下[2]，使其被廣泛應(yīng)用于橡膠、紡織、造紙、機(jī)械制造、塑料、金屬線材和電線電纜等工業(yè)中[3]。由于實(shí)現(xiàn)了高精準(zhǔn)的控制，在光電跟蹤系統(tǒng)、等火炮隨動(dòng)系統(tǒng)武器裝備系統(tǒng)中也常有應(yīng)用。直驅(qū)電機(jī)同樣也應(yīng)用在現(xiàn)代高檔數(shù)控機(jī)床的數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)上，數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)是將直驅(qū)電機(jī)技術(shù)與轉(zhuǎn)臺(tái)技術(shù)高度集成，采用永磁無(wú)刷直驅(qū)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)來(lái)完成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[4]。這種結(jié)構(gòu)的數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)，其制造工藝簡(jiǎn)單，具有損耗低、電氣時(shí)間常數(shù)小、加速度高，“零傳動(dòng)”，精度保持性好等特點(diǎn)。本文針對(duì)某型永磁無(wú)刷直驅(qū)電機(jī)展開(kāi)研究，主要對(duì)堵轉(zhuǎn)性能、空載轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)研究。

2 電機(jī)設(shè)計(jì)流程和參數(shù)指標(biāo)

2.1 主要參數(shù)指標(biāo)和外形結(jié)構(gòu)

本文根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景需要，對(duì)電機(jī)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1某型永磁無(wú)刷直驅(qū)電機(jī)的主要參數(shù)指標(biāo)

2.2 主要材料選擇

永磁無(wú)刷直驅(qū)電機(jī)主要部件是定子鐵芯、轉(zhuǎn)子軛和磁鋼，定子鐵芯和轉(zhuǎn)子軛是磁通路徑。轉(zhuǎn)子軛不做沖片，使用導(dǎo)磁性能良好的不銹鋼，選為不銹鋼1Cr13Ni9Ti；該永磁無(wú)刷直驅(qū)電機(jī)體積較小且堵轉(zhuǎn)力矩較大，使用普通硅鋼片時(shí)電機(jī)各部分磁密過(guò)高，故定子沖片材料選用1J79軟磁合金，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度H為50A/m時(shí)磁通密度B為2.5T，其BH曲線如圖1所示。

圖11J79軟磁合金磁化曲線

磁鋼是電機(jī)內(nèi)部主磁通的建立者，它的主要性能參數(shù)包括剩磁Br、矯頑力Hc、最大磁能積BHmax，釹鐵硼具有較高的Br和Hc，故在永磁電機(jī)中被廣泛應(yīng)用[6]，但釹鐵硼的化學(xué)穩(wěn)定性較差，必須在制造加工環(huán)節(jié)中添加鍍膜工藝[7]，考慮到直驅(qū)電機(jī)主要輸出力矩為主，磁鋼采用燒結(jié)釹鐵硼N42SH，該材料的特性參數(shù)如表2所示。

表2釹鐵硼N40SH材料特性

3 電磁仿真

3.1 靜磁場(chǎng)仿真

該型永磁無(wú)刷直驅(qū)電機(jī)是永磁電機(jī)，其主磁通是磁鋼建立的，當(dāng)電機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，電機(jī)內(nèi)部各部分磁密如圖2所示。

圖2磁密云圖

(a)氣隙磁密

(b) 定子齒磁密

(c)定子軛磁密

(d)轉(zhuǎn)子軛磁密 圖3電機(jī)內(nèi)部各部分磁密

由圖3可知，永磁無(wú)刷直驅(qū)電機(jī)磁密云圖均未出現(xiàn)紅色，表示電機(jī)內(nèi)部各部分均未飽和，由圖5(a)~(d)可知，氣隙磁密Bδ是1.0T，定子齒磁密Bst是1.5T，定子軛磁密Bsy是1.1T，轉(zhuǎn)子軛磁密Bry是0.9T，該設(shè)計(jì)方案合理可行。

3.2 電機(jī)峰值和連續(xù)堵轉(zhuǎn)仿真分析

電機(jī)堵轉(zhuǎn)是指電機(jī)轉(zhuǎn)速為零且有力矩不為零，在堵轉(zhuǎn)工況下，電機(jī)仍可以正常工作且不發(fā)生故障，由表1可知，該型直驅(qū)電機(jī)需要在峰值堵轉(zhuǎn)和連續(xù)堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下，峰值堵轉(zhuǎn)電流不超過(guò)2.2A，連續(xù)堵轉(zhuǎn)電流不超過(guò)1.2A，無(wú)刷直流電機(jī)是兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)控制方式，當(dāng)電機(jī)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，只有某一個(gè)狀態(tài)在通電。

根據(jù)表1性能指標(biāo)，該電機(jī)峰值堵轉(zhuǎn)力矩≥0.20Nm，峰值堵轉(zhuǎn)電流≤2.2A，連續(xù)堵轉(zhuǎn)力矩≥0.10Nm，連續(xù)堵轉(zhuǎn)電流≤1.2A。假如電機(jī)啟動(dòng)時(shí)就處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，在Maxwell中設(shè)置轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為無(wú)窮大，電機(jī)轉(zhuǎn)速如圖4所示。

圖4電機(jī)轉(zhuǎn)速

由圖4可知，當(dāng)設(shè)置轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為無(wú)窮大時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為零，模擬電機(jī)堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。

當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)處于堵轉(zhuǎn)時(shí)，此時(shí)通電兩相是C+B-，該狀態(tài)下峰值堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和連續(xù)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩如圖5所示。

（a）峰值堵轉(zhuǎn)

（b）連續(xù)堵轉(zhuǎn)

圖5堵轉(zhuǎn)力矩

堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下峰值堵轉(zhuǎn)電流和連續(xù)堵轉(zhuǎn)電流如圖6所示。

（a）峰值堵轉(zhuǎn)

（b）連續(xù)堵轉(zhuǎn)

圖6堵轉(zhuǎn)電流

該永磁無(wú)刷直驅(qū)電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)，輸入力矩較大使得電樞電流也較大，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)內(nèi)部各部分磁密增加，如圖7為電機(jī)堵轉(zhuǎn)下的磁密云圖。

（a）峰值堵轉(zhuǎn)

（b）連續(xù)堵轉(zhuǎn)

圖7堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下磁密云圖

（a）峰值堵轉(zhuǎn)定子齒磁密

（b）連續(xù)堵轉(zhuǎn)定子齒磁密

圖8堵轉(zhuǎn)磁密曲線

由圖7磁密云圖可知，當(dāng)該永磁無(wú)刷直驅(qū)電機(jī)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，定子齒部磁密比較飽和，由圖8曲線可知，電機(jī)峰值堵轉(zhuǎn)和連續(xù)堵轉(zhuǎn)下，定子齒部磁密分別2.3T和1.9T，電機(jī)峰值堵轉(zhuǎn)下，定子齒磁密接近飽和，電機(jī)連續(xù)堵轉(zhuǎn)下，定子齒磁密未飽和，該設(shè)計(jì)合理。

3.3 電機(jī)啟動(dòng)到穩(wěn)態(tài)過(guò)程

根據(jù)表1可知，電機(jī)性能需滿足空載轉(zhuǎn)速為2000rpm±200rpm，空載電流≤0.15A，仿真結(jié)果如圖11所示。

圖9空載轉(zhuǎn)速

圖10三相空載電流

如圖9和圖10可知，電機(jī)空載轉(zhuǎn)速n0為1850rpm，空載電流I0＜0.23A，滿足電機(jī)指標(biāo)，該方案設(shè)計(jì)合理。

3.4 線電感

該永磁無(wú)刷直驅(qū)電機(jī)工作在峰值堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，相電感為如圖11(a)所示,此時(shí)為CB相導(dǎo)通，相電感之和為線電感，如圖11(b)所示。

(a)相電感

(b)線電感

圖11三相電感

3.5 齒槽轉(zhuǎn)矩和反電動(dòng)勢(shì)

圖12齒槽轉(zhuǎn)矩

圖13相反電勢(shì)和線反電勢(shì)

由圖12和圖13分析可知，仿真結(jié)果齒槽轉(zhuǎn)矩8mNm，指標(biāo)為10mNm。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1rpm時(shí)，感應(yīng)電壓為線反電勢(shì)，線反電勢(shì)為0.014V/rpm，指標(biāo)為0.013V/rpm，仿真結(jié)果符合電機(jī)指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)合理。

由3.2節(jié)仿真結(jié)果分析可知，該永磁無(wú)刷直驅(qū)電機(jī)堵轉(zhuǎn)性能和空載性能仿真結(jié)果完全滿足指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)合理。

4 結(jié)構(gòu)仿真設(shè)計(jì)

4.1 強(qiáng)度分析

4.1.1 定子機(jī)殼強(qiáng)度分析

定子機(jī)殼材料為1Cr13Ni9Ti，當(dāng)對(duì)定子機(jī)殼左側(cè)和右側(cè)施加100N壓力時(shí)，形變和應(yīng)力如圖14所示。

（a）形變

（b）應(yīng)力

圖14 強(qiáng)度分析

定子機(jī)殼最大形變?yōu)?.006mm，最大應(yīng)力26.4MPa，遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

4.1.2 轉(zhuǎn)子機(jī)殼強(qiáng)度分析

定子機(jī)殼材料為1Cr13Ni9Ti，當(dāng)對(duì)轉(zhuǎn)子機(jī)殼左側(cè)固定，對(duì)右側(cè)施加100N壓力時(shí)，如圖25所示。

（a）形變

（b）應(yīng)力

圖15 強(qiáng)度分析

轉(zhuǎn)子機(jī)殼最大形變?yōu)?.00036mm，最大應(yīng)力5.01MPa，遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

4.2 溫度場(chǎng)分析

4.2.1 熱源的確定

正文電機(jī)主要熱源有繞組銅損耗和定子鐵耗，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，從啟動(dòng)到輸出堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩時(shí)，輸入電流有一個(gè)從小到大的變化過(guò)程，故導(dǎo)致鐵耗也處于從小到大的變化過(guò)程，然而鐵耗和頻率成正相關(guān)，當(dāng)電流頻率不發(fā)生變化時(shí)，鐵耗也為零，當(dāng)電機(jī)處于堵轉(zhuǎn)時(shí)，而繞組只有一個(gè)狀態(tài)處于通電狀態(tài)，而此時(shí)勵(lì)磁電流最大，銅耗也最大，如圖16~圖17所示。

（a）峰值堵轉(zhuǎn)鐵耗

（b）連續(xù)堵轉(zhuǎn)鐵耗 圖16鐵耗曲線

（a）峰值堵轉(zhuǎn)銅耗

（b）連續(xù)堵轉(zhuǎn)銅耗

圖17銅耗曲線

如圖16~圖17所示，電機(jī)堵轉(zhuǎn)下轉(zhuǎn)速和輸出功率為零，輸入功率幾乎都轉(zhuǎn)化為銅耗，銅耗為53.5W，連續(xù)堵轉(zhuǎn)下，銅耗為13.4W，而鐵耗基本為零。

4.2.2 峰值堵轉(zhuǎn)瞬態(tài)熱分析

電機(jī)處于峰值堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下的工作時(shí)長(zhǎng)持續(xù)3s，當(dāng)電機(jī)工作時(shí)長(zhǎng)持續(xù)3s以上，則電機(jī)溫升過(guò)高，極有可能導(dǎo)致電機(jī)損壞，如圖18所示為電機(jī)各部位溫度分布云圖。

（a）定子機(jī)殼

（b）繞組

（c）磁鋼

（d）定子鐵芯

圖18 電機(jī)內(nèi)部溫度云圖

4.2.3 連續(xù)堵轉(zhuǎn)瞬態(tài)熱分析

電機(jī)處于連續(xù)堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下的可以長(zhǎng)時(shí)間工作，且電機(jī)溫能不會(huì)導(dǎo)致電機(jī)損壞，如圖19所示為電機(jī)各部位溫度分布云圖。

（a）定子機(jī)殼

（b）繞組

（c）磁鋼

（d）定子鐵芯

圖19 電機(jī)內(nèi)部溫度云圖

5 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

利用測(cè)試平臺(tái)對(duì)3臺(tái)樣機(jī)的主要性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，數(shù)據(jù)如表3所示。

表3主要性能指標(biāo)測(cè)試表

通過(guò)表3可以看出1#、2#、3#樣機(jī)實(shí)測(cè)的堵轉(zhuǎn)力矩，堵轉(zhuǎn)電流，最大空載轉(zhuǎn)速、常溫空載電流、電樞線電阻與電機(jī)電磁設(shè)計(jì)仿真的仿真值基本一致。

6 結(jié)論

本文分析了永磁無(wú)刷直驅(qū)電機(jī)的性能指標(biāo)、對(duì)電機(jī)的主要尺寸、材料、繞組進(jìn)行了設(shè)計(jì)和選擇，利用Maxwell電磁仿真軟件對(duì)電機(jī)氣隙磁密、定子齒、定子軛、轉(zhuǎn)子軛磁密進(jìn)行了分析，對(duì)電機(jī)不同堵轉(zhuǎn)工況進(jìn)行了有限元仿真分析，利用Workbench軟件對(duì)電機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和溫度場(chǎng)仿真，設(shè)計(jì)仿真數(shù)據(jù)與 3只電機(jī)的測(cè)試數(shù)據(jù)基本一致，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了該型直驅(qū)電機(jī)設(shè)計(jì)方案的合理性和準(zhǔn)確性，對(duì)永磁無(wú)刷直驅(qū)電機(jī)的設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

審核編輯：劉清