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)
項(xiàng)目名稱 | 指標(biāo) | 項(xiàng)目名稱 | 指標(biāo) |
峰值和連續(xù)堵轉(zhuǎn)電壓 | 28VDC/14 VDC | 連讀堵轉(zhuǎn)電流 | ≤2.0A |
峰值堵轉(zhuǎn)電流 | ≤2.2A | 連續(xù)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 | ≥0.09N·m |
峰值堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 | ≥0.20N·m | 常溫空載電流 | ≤0.5A |
最大空載轉(zhuǎn)速 | 2000±150rpm | 線電阻 | 14Ω |
齒槽轉(zhuǎn)矩 | ≤10mN·m | 線電感 | 8mH±0.8mH |
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
參數(shù)名稱 | 數(shù)值(單位) |
剩磁強(qiáng)度Br | 1.35T |
矯頑力Hc | 940kA/m |
最大磁能積Bmax | 340kJ/m3 |
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
序號(hào) | 項(xiàng)目 | 指標(biāo)值 | 仿真值 | 1# | 2# | 3# |
1 | 峰值堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 | ≥0.20Nm | 0.24Nm | 0.21Nm | 0.22Nm | 0.21 Nm |
2 | 峰值堵轉(zhuǎn)電流 | ≤2.2A | 1.98A | 1.95A | 1.91A | 1.93A |
3 | 連續(xù)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 | ≥0.10Nm | 0.13Nm | 0.11Nm | 0.12Nm | 0.12Nm |
4 | 連續(xù)堵轉(zhuǎn)電流 | ≤1A | 0.97A | 0.95A | 0.92A | 0.96A |
5 | 最大空載轉(zhuǎn)速 | 2000rpm±150rpm | 1860rpm | 1923rpm | 1968rpm | 1954rpm |
6 | 常溫空載電流 | ≤0.5A | 0.10A | 0.12A | 0.13A | 0.12A |
7 | 線電阻 | 14Ω | 14Ω | 14.1Ω | 14.4Ω | 14.2Ω |
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
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原文標(biāo)題: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)
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