永磁同步直流轉(zhuǎn)向電機(jī)的有限元仿真分析

魏家曉，辛世界，曲寶軍，王藝淇，曲 浩

(山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,山東 淄博 255049)

1 永磁同步直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 永磁同步直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

永磁同步直流電機(jī)由三部分組成，分別為電機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器、換相驅(qū)動(dòng)線路。永磁同步直流電機(jī)與有刷電機(jī)的區(qū)別在于電機(jī)內(nèi)的電子換相線路中的功率開關(guān)器件與電樞繞組直接相連[1],電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子的非驅(qū)動(dòng)端軸伸處裝有用來檢測轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過程中位置的轉(zhuǎn)子位置傳感器，與換相驅(qū)動(dòng)線路一起替代了有刷直流電機(jī)的機(jī)械換相裝置。圖1為永磁同步直流電機(jī)的原理框圖。

圖1 永磁同步直流電機(jī)原理框圖

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

永磁同步直流電機(jī)的發(fā)展要追溯到20世紀(jì)50年代，經(jīng)過多年的發(fā)展，永磁同步直流電機(jī)技術(shù)現(xiàn)已比較成熟，體積越來越小，效率越來越高，安全可靠，應(yīng)用場合也越來越廣。世界各國也相繼進(jìn)行了大量永磁同步直流電機(jī)技術(shù)的相關(guān)研究并已取得了較大進(jìn)步[2]。

無刷直流電機(jī)性能的改進(jìn)離不開高性能材料的應(yīng)用。隨著全球電子技術(shù)的快速發(fā)展，為電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器主電路所需的功率半導(dǎo)體器件提供了更為優(yōu)質(zhì)的高性能材料。同時(shí)，高速微處理器(MCU)和數(shù)字信號處理器(DSP)的出現(xiàn)，使得電機(jī)對信號的處理能力和速度大大提高，優(yōu)化了電機(jī)的系統(tǒng)性能，使永磁同步無刷直流電機(jī)在精密度需求高的應(yīng)用場合也占有了一席之地[3]。

2 電機(jī)的有限元分析和仿真

本文研究的永磁同步直流電機(jī)是專門被用于汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向電機(jī)，如圖2所示。

圖2 永磁同步直流電機(jī)

運(yùn)用ANSYS Maxwell電磁場有限元仿真分析軟件對電機(jī)進(jìn)行2D建模，在ANSYS Maxwell模塊中選擇使用Brushless Permanent-Magnet DC Motor的電機(jī)模型，輸入相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)(如表1所示)，得到初步的模型。初步建立Maxwell 2D平面模型后，選擇在ANSYS的Setup設(shè)置模塊中，采用全導(dǎo)入方式直接導(dǎo)入2D/3D模型的方法。此外，也可以利用AutoCAD先畫出模型平面圖，再通過軟件文件接口導(dǎo)入平面圖，生成2D/3D模型。在建模過程中，通過輸入特定的算法來建立電機(jī)本體模型。

表1 電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

當(dāng)電機(jī)在空載狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，利用Maxwell軟件對采集得到的電流、速度、輸出轉(zhuǎn)矩和反電勢等電機(jī)特性曲線進(jìn)行有限元分析[4]。同時(shí)可以根據(jù)電機(jī)運(yùn)行情況，調(diào)整電機(jī)的定子鐵芯、定子繞組、轉(zhuǎn)子鐵芯和磁鋼等參數(shù)對電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化分析。

2.1 磁通密度仿真及分析

給電機(jī)施加74.2 A電流，仿真得到電機(jī)內(nèi)部切向磁通密度云圖如圖3所示，磁場強(qiáng)度如圖4所示。

圖3中，黑色的線條代表磁感線。由圖3可以看出，定子鐵芯的磁通密度最大，約為1.99 T，不存在過飽和現(xiàn)象，磁場參數(shù)基本符合要求。

圖3 電機(jī)內(nèi)部切向磁通密度云圖

由圖4可以看出：定子鐵芯磁感應(yīng)強(qiáng)度最大，各轉(zhuǎn)子處磁感應(yīng)強(qiáng)度最小，磁場均勻充斥在電機(jī)內(nèi)部。

圖4 電機(jī)內(nèi)部磁場強(qiáng)度云圖

2.2 反電動(dòng)勢波形仿真及分析

對電機(jī)施加額定電流進(jìn)行仿真，得到的電機(jī)反電動(dòng)勢波形如圖5所示。

從圖5中可看出，反電動(dòng)勢波形呈正弦變化，有效值為4.96 V，周期為1圈，正弦波形的周期和幅值與電機(jī)設(shè)計(jì)要求一致，證明電機(jī)繞組設(shè)計(jì)的正確性與合理性。

圖5 電機(jī)的反電動(dòng)勢波形 圖6 電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩 圖7 電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩

2.3 齒槽轉(zhuǎn)矩仿真及分析

電機(jī)在額定狀態(tài)下工作時(shí)仿真分析得到的電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩如圖6所示。

圖6中，機(jī)械角度是指電機(jī)每對磁極在定子內(nèi)圓上所占的角度，電氣角度是指電流完成一個(gè)完整的周期性變化的角度。從圖6中可以看出，齒槽轉(zhuǎn)矩最大值約為0.035 N·m，且曲線接近正弦狀。Maxwell 2D模型中，用電壓源計(jì)算，電阻設(shè)為無窮大[5]，計(jì)算所得結(jié)果與圖6所得結(jié)果在誤差允許范圍內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。

2.4 電機(jī)轉(zhuǎn)矩仿真及分析

對電機(jī)施加8.75 V額定工作電壓，仿真得到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速0 r/min～2 500 r/min范圍內(nèi)的電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩曲線，如圖7所示。由圖7可知，在轉(zhuǎn)速小于1 500 r/min時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定在4.85 N·m左右，最高點(diǎn)和最低點(diǎn)相差0.1 N·m，輸出轉(zhuǎn)矩比較平穩(wěn)。

2.5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在電機(jī)空載的狀態(tài)下，將轉(zhuǎn)速從0 r/min逐步提高到3 500 r/min，通過試驗(yàn)臺(tái)架(如圖8所示)采集電機(jī)在空載狀態(tài)下的各種數(shù)據(jù)。得到的電機(jī)機(jī)械性能曲線如圖9所示。上傳同步到軟件ANSYS Maxwell進(jìn)行仿真，得到的電機(jī)效率如圖10所示。

圖8 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)布局

圖9 電機(jī)機(jī)械性能曲線

圖9中，三條曲線分別代表電機(jī)的U、V、W三個(gè)連線端電流。從圖9電機(jī)的機(jī)械性能曲線可以看出，曲線接近正弦狀，隨著輸出轉(zhuǎn)矩變大，電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下輸出的功率越高，有助于提升電機(jī)的助力。

從圖10中可以看出：在轉(zhuǎn)速2 500 r/min和轉(zhuǎn)矩4.8 N·m以內(nèi)，轉(zhuǎn)矩、速度與效率三者關(guān)系較為穩(wěn)定，曲線趨近于線性關(guān)系，其中在額定轉(zhuǎn)速1 200 r/min下，效率95%～96%、96%～97%縱坐標(biāo)區(qū)間最大，故符合設(shè)計(jì)要求。

圖10 電機(jī)效率

3 結(jié)論

本文在分析永磁同步直流電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和電機(jī)工作原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合電機(jī)的設(shè)計(jì)指標(biāo)、性能參數(shù)與ANSYS軟件對電機(jī)本體模型有限元仿真分析的結(jié)果，來判斷電機(jī)運(yùn)行的情況是否符合汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向電機(jī)的要求，通過調(diào)整電機(jī)的定子鐵芯、定子繞組、轉(zhuǎn)子鐵芯和磁鋼等參數(shù)來進(jìn)一步優(yōu)化電機(jī)[6]。電機(jī)的性能很大程度上由電機(jī)的結(jié)構(gòu)與材料所決定，在電機(jī)生產(chǎn)之前通過ANSYS Maxwell對電機(jī)進(jìn)行一個(gè)初步的數(shù)學(xué)建模與仿真，結(jié)合有限元法分析，將仿真結(jié)果與采集的運(yùn)行性能數(shù)據(jù)相對比，驗(yàn)證電機(jī)設(shè)計(jì)的合理性與正確性，可以縮短電機(jī)開發(fā)時(shí)間，降低開發(fā)成本、節(jié)約人力物力和財(cái)力[7]。