电动自行车用160W永磁无刷直流电机选型及结构参数设计Word格式.docx
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⑶确定有限元计算的边界条件和电机绕组参数等。
⑷设定电机的转动边界(BAND)及电机的机械参量。
2.3RMxprt模型的操作步骤
AnsoftV12版本中,除了二维、三维电磁场计算外,还嵌入了RMxprt电机分析模块。
RMxprt是基于电机等效电路和磁路的设计理念来计算、仿真各种电机模型,具有建立模型简单快捷、参数调整方便等优点,同时具备一定的设计精度和可靠性。
RMxprt电机模块可分析12大类,15种常用电机,分别为:
●ThreePhaseInductionMotor(三相异步电动机)
●SinglePhaseInductionMotor(单相异步电动机)
●ThreePhaseSynchronousMachine(三相凸极同步电机)
●BrushlessPermaentMagnetDCMotor(永磁无刷直流电机)
●AdjustSpeedSynchronousMachine(变频永磁同步电机)
●PermanentMagnetDCMotor(普通永磁直流电动机)
●SwitchedReluctanceMotor(开关磁阻电动机)
●LineStartPermanentMagnetSynchronousMotor(自起动永磁同步电动机)
●UniversalMotor(串极整流子电动机)
●DCMachine(普通电励磁直流电机)
●Claw-poleAlternator(爪极发电机)
●ThreePhaseNon-SalientSynchronousMachine(三相隐极同步电机)
RMxprt模型的操作步骤为:
⑴选择仿真电机类型。
⑵添加RMxprt材料库。
单击Tools/ConfigureLibraries项,选中其中左侧的RMxprt,再按下“添加”按钮将其到右侧空白栏中,并点击OK按钮即可。
⑶线规的定义。
系统默认的线规为American,即美国国标线规,需要执行Tools/Options/MachineOptions命令,改用Chinese线规,即我国国标线规。
⑷电机的参数设定。
新建一个RMxprt工程文件后,需要输入电机各项参数。
①Machine项设置过程
②Stator项设置过程。
其中定子选择相应的材料应在新添加的RMxprt电机模块材料库中。
③在定子槽参设设置过程中,初始时在第一项的AutoDesign项后的单选框默认为已选择,所以在槽形参数栏中仅存在三项。
这里用户需要先将AutoDesign项后的单选框中的对号取消,即不让软件进行槽形的自动设计。
点击确定退出该对话框,然后再一次点击Slot项弹出新对话框,可以看到槽形的所有详细参数都出现在新对话框中。
④Winding项设置。
⑤Rotor项设置
⑸仿真设定。
在菜单栏中选择RMxprt/AnalysisSetup/AddSolutionSetup选项即可进行仿真设定。
仿真参数的设定至关重要,这意味着将要计算前面输入的电机模型在该状态下的工况,一般是将额定工作状态设定为分析对象。
⑹仿真计算。
单击工具栏上的
按钮,可自动检测模型是否正确。
求解按钮进行求解,
⑺仿真结果察看。
单击工具栏上的RMxprt/Results/SolutionData选项,可以看到计算结果栏中主要包括以下三个部分:
①Performance(各类参数项)
②DesignSheet(设计表单),包含Performance项中的所有内容,同时还包括其它未收录于Performance中的数据,如转子参数等。
③Curves(性能曲线),包含几条典型的电机性能曲线。
2.4RMxprt模块导入Maxwell2d模块
在RMxprt模块中已经建立好的电机模型基础之上,将其导入至AnsoftV12的Maxwell2d和Maxwell3d模块,进行后续的有限元计算仿真。
单击菜单栏中的RMxprt/AnalysisSetup/CreatMaxwellDesign,软件可以开始自行生成电机模型,默认Maxwell2D求解器为瞬态场求解器。
自动生成的模型还包括边界条件、激励源、网格剖分和仿真设置等选项。
普通电机利用RMxprt建立Maxwell2d模型可以节约大量建模时间。
仿真证明,RMxprt仿真结果和Maxwell2d仿真结果相差<
1%。
2.5SIMPLORER与RMxprt联合仿真模型的建立
仿真步骤如下:
⑴利用电机的设计参数,在RMxprt中绘制电机结构图并进行电机参数的快速仿真,以获得电机的额定转速、每相电阻、每相自感、每相漏感等基本仿真参数。
⑵将RMxprt中绘制的电机结构图导入MAXWELL,并在MAXWELL中搭建电机瞬态有限元仿真模型。
⑶在SIMPLORER中搭建电机控制及主功率电路模型,并将MAXWELL中的仿真模型导入SIMPLORER中。
⑷设置仿真参数
⑸开始联合仿真。
仿真条件如下:
⑴所有电路及控制元件,均采用理想模型,忽略元件本身的损耗。
⑵主功率电路采用三相全桥电路结构,并采用120度导通方式控制无刷直流电机的换相。
⑶控制系统采用单电流环控制(为了验证电机的带载能力,无需速度环调节),并采用母线电流滞环控制的控制方式。
⑷原则上各电机工作在设计额定转速1000r/min下,若电机实际额定转速低于设计额定转速,则电机的转速按实际额定转速计算(实际额定转速由RMxprt快速仿真获得)。
⑸计及电机本身的漏感及内阻。
3分析结果
本文利用MAXWELL软件对定子槽、转子极数分别为36/24q=0.5、36/400.3、42/46的电机进行了参数设计,具体如下。
3.1方案1:
定子槽、转子极数分别为36/24
由于电机的输出转矩与定子外径的平方成正比,因此,为了取得较高的转矩,电机设计时应尽量加大定子外径,减小转子内径。
根据设计要求,电机外径为150mm,考虑机械强度,转子轭部厚应设计为5mm,磁钢2mm,所以转子内径为136mm。
方案1的电机参数见表1。
表1方案1电机参数表
极数
24
电机铁芯长度(mm)
25
槽数
36
定子材料
D310
定子内径(mm)
115
转子材料
Steel1008
定子外径(mm)
135
磁钢材料
NdFe30
转子内径(mm)
136
匝数
30
转子外径(mm)
150(厂家给定)
槽满率(%)
59
磁钢厚度(mm)
2
绕组
4×
1.12
磁钢宽度(mm)
17
定子电流密度(A/mm2)
0.9
定子齿部磁密(T)
1.8
铁耗(W)
50
转子轭部磁密(T)
1.2
铜耗(W)
2.6
额定工作速度(r/min)
1100
额定工作点效率(%)
80
本方案最大缺点是极数太少,导致磁钢较宽(17mm,如图1所示),加工困难。
另外,由于本方案极数和匝数少,额定工作速度太高,其低速时效率较低,因此不方案不适合采用。
图1方案1磁钢布置图
3.2方案2:
定子槽、转子极数分别为36/40,定子绕组为0.71漆包线4股20匝
为了减小磁钢宽度并较低电机额定转速,设计的定子槽、转子极数分别为36/40的电机参数如表2所示。
此方案磁钢宽度为10.2mm,可以选择平面磁钢。
表2方案2电机参数表
40
20
150
0.71
10.2
2.8
1.68
39
0.84
4
550
88
本方案输出特性如图2所示。
由于极数的增加,本方案额定工作转速大大降低。
但是由于绕组匝数较少,导致电机额定工作转速仍然较高,增加绕组匝数后为方案3。
图2方案2电机输出特性
3.3方案3:
定子槽、转子极数分别为36/40,定子绕组为0.69漆包线3股31匝表3方案3电机参数表
31
55
3×
0.69
5.14
11
370
87
本方案最高效率转速370r/min,最高效率87%,电机输出特性如图3所示。
由图中可以看出,电机从20r/min~370r/min都可以输出200W以上的功率。
(电机在250r/min以下时效率低于80%,我认为是因为仿真时电机两端短路,电枢电流过大引起定子的铁耗和铜耗增加;
如果加上带有限流电路的控制器,电机即可实现低速时的恒转矩输出,其输出效率也会在较高的范围之内。
相类似的,普通电动自行车电机最高效率转速也在400r/min左右。
但我的这种想法缺乏理论和实际实验支持。
)
图3方案3电机输出特性
电机定子采用双层绕组,电机齿槽匹配和部分嵌线图如图4和图5所示。
图4电机齿槽匹配图图5电机嵌线图
三相磁链曲线如图6所示。
图6三相磁链曲线
建立好电机四分之一有限元模型后,把电机分为五部分进行网格剖分。
电枢绕组网格的最大步长为2.3mm,磁钢网格的最大步长为1mm,主体网格的最大步长1.5mm,磁钢网格的最大步长0.068mm,其余网格的最大步长为0.075mm。
剖分的网格如图7所示
图7电机剖分网格
进行分析后,其磁力线如图8所示。
(a)0s时(b)0.02s时
图8磁力线分布图
电机的局部磁密分布图如图9所示。
由图中可以看出,电机定子、转子最大磁密未超过1.7T,即定子和转子未出现磁饱和现象。
(a)0s时(b)0.02s时
图9局部磁密分布图
图10局部磁密分布矢量图
此方案若取36V电源供电,则最高效率时的转速为280r/min,此时功率为180W,输出功率较低,不适合采用,如图11所示。
图11方案3采用36V电源供电的输出特性
3.4方案4:
转子槽、转子极数分别为36/40,绕组匝数为58
由于方案3的最高效率时的转速为370r/min,为了进一步降低最高效率的转速,在保证槽满率不是太高的情况下,只能增加绕组匝数并减小绕组线径。
绕组匝数为58匝时电机参数见表4。
经过仿真,此方案输出特性如图12所示,电机最高效率时的转速为200r/min,可是此时的输出功率不足100W,不能满足设计要求。
另外,此方案的槽满率为65%,加工制造非常困难。
因此,本方案不适合采用。
表4方案4电机参数表
58
65(太高)
2×
0.67
7.43(有点高)
200
85
图12方案4电机输出特性
本方案如果采用36V蓄电池,最大功率约为160W,150r/min取得最高效率时的输出功率为50W。
不适合采用。
3.5方案5:
定子槽、转子极数分别为42/46
46
42
33
61
9
3.7
1.85
19
1.35
14
320
本方案采用0.71漆包线3股33匝,磁钢宽为9mm,定子齿宽3.5mm,磁密1.85T,最高效率87@330r/min,性能和方案3相似。
输出特性如图13所示,嵌线图如图14所示。
图13方案5电机输出特性图14方案5嵌线图
在有限的定子外径上选择电机槽数时,应考虑定子结构强度和加工工艺。
太多的槽数会导致定子齿太窄而难以加工,强度也难以达到要求。
本方案相对于方案3来说齿数槽数较多,加工制造工艺复杂,成本高。
但是,这种槽极数的电机也有齿槽转矩小的优点。
其极数为46,只能被2整除;
槽数为42,只能被2、3、7、21整除,这样的槽极数使得电机很难找到周期性齿极相吸的定位位置,所以齿槽转矩小,如图12所示,方案5的最大齿槽转矩为0.0047Nm,而方案2、3、4的最大齿槽转矩约为0.177Nm。
(a)方案5齿槽转矩(b)方案2、3、4齿槽转矩
图12各方案齿槽转矩
4基于SIMPLORER的联合仿真模型的建立
采用仿真软件MAXWELL(有限元电磁场仿真软件)与SIMPLORER(电路仿真软件)可共同构建IMP电机控制系统的FEA(瞬态电磁场有限元仿真)模型,并通过SIMPLORER与MAXWELL的联机仿真,来获得所设计电机的仿真结果。
联机仿真模型如图12所示。
图13联合仿真模型
为了验证方案3中电机的输出转矩和效率,本文利用图13所建立的模型对电机的输出转矩进行了仿真验证。
在给电机功率逆变器输入如图14所示触发脉冲时,假定电机控制器的限流值为8A(如图15所示),本设计的电机在200r/min时输出转矩如图16所示。
图14触发导通角
图15三相绕组的输入电流
图16电机在200r/min时输出转矩(-0.5°
本设计的电机在300r/min时输出转矩如图17所示(初始角0)。
由图可粗算出电机加控制器的组合系统效率75%左右。
图17电机在300r/min时输出转矩
本设计的电机在350r/min时输出转矩如图18所示(初始角-0.5)。
由于此时输入的电流约为5.5A,如图19所示,因此此时电机加控制器的组合系统效率83%左右。
图18电机在350r/min时输出转矩
图19电机在350r/min电枢电流
在较低转速,例如100r/min时,电机输出转矩如图20所示(初始角0.5),转矩仍约为8Nm左右。
图20电机在100r/min时输出转矩
作为比较方案,方案5中的电机在200转时输出转矩也为8Nm左右,和方案3区别不大。
其电枢电流如图21所示。
图20方案5电机在200r/min时输出转矩
图21方案5电机电枢电流
5结论
通过对各方案电机设计参数的比较可知,方案3设计的40极36槽分数槽绕组BLDC电机最高本体效率为88%,最高系统效率可达83%左右,在200r/min时可输出8Nm转矩,功率为167W,可以达到设计要求。
因此,主要考虑成本时推荐方案3为首选方案。
方案5达到最高的85%的效率时转速为320r/min,比方案3的370r/min低,而且齿槽转矩小,电机噪音低,也可以在较宽的转速范围内达到200W的输出功率。
缺点是加工制造成本稍高,侧重技术时推荐5作为首选方案。
6附录方案3详细设计数据
BRUSHLESSPERMANENTMAGNETDCMOTORDESIGN
File:
Setup1.res
GENERALDATA
RatedOutputPower(kW):
0.2
RatedVoltage(V):
48
NumberofPoles:
40
GivenRatedSpeed(rpm):
180
FrictionalLoss(W):
0
WindageLoss(W):
RotorPosition:
Outer
TypeofLoad:
ConstantPower
TypeofCircuit:
Y3
LeadAngleofTriggerinElec.Degrees:
TriggerPulseWidthinElec.Degrees:
120
One-TransistorVoltageDrop(V):
One-DiodeVoltageDrop(V):
OperatingTemperature(C):
75
MaximumCurrentforCCC(A):
MinimumCurrentforCCC(A):
STATORDATA
NumberofStatorSlots:
36
OuterDiameterofStator(mm):
135
InnerDiameterofStator(mm):
60
TypeofStatorSlot:
1
DimensionofStatorSlot
hs0(mm):
1
hs2(mm):
17
bs0(mm):
2
bs1(mm):
6
bs2(mm):
3.5
TopToothWidth(mm):
5.12023
BottomToothWidth(mm):
4.64742
SkewWidth(NumberofSlots)0
LengthofStatorCore(mm):
25
StackingFactorofStatorCore:
0.95
TypeofSteel:
DW310_35
SlotInsulationThickness(mm):
0
LayerInsulationThickness(mm):
EndLengthAdjustment(mm):
NumberofParallelBranches:
NumberofConductorsperSlot:
31
TypeofCoils:
21
AverageCoilPitch:
NumberofWiresperConductor:
3
WireDiameter(mm):
0.69
WireWrapThickness(mm):
0.08
NetSlotArea(mm^2):
99.4676
LimitedSlotFillFactor(%):
StatorSlotFillFactor(%):
55.4348
CoilHalf-TurnLength(mm):
33.3093
ROTORDATA
MinimumAirGap(mm):
0.5
OuterDiameter(mm)
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