电动自行车用160W永磁无刷直流电机选型及结构参数设计.docx
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电动自行车用160W永磁无刷直流电机选型及结构参数设计.docx
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电动自行车用160W永磁无刷直流电机选型及结构参数设计
电动自行车用160W永磁无刷直流电机选型及结构参数设计
电动自行车用160W永磁无刷直流电机选型及结构参数设计1.综述
无刷直流电机既具备交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点,又具备直流电机的效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多特点,非常适合在电动自行车上应用。
电动自行车用160W驱动电机采用的无刷直流电机具有以下优点:
⑴结构简单,维护方便。
⑵采用电子换相,工作可靠,电子换相器寿命长。
⑶由于不采用电刷,因此不存在电刷带来的噪音、火花及无线电干扰等问题。
⑷能够方便地实现充油均压密封,作为水下电机使用体积小,重量轻。
⑸绕组位于定子上,转子上为磁钢,定转子仅通过气隙相互联系,易于实现电机的集成设计。
每极每相绕组不是整数的绕组称为分数槽绕组。
电动自行车电机采用分数槽绕组后可具备以下优点:
⑴对于多极的无刷直流电机可采用较少的定子槽数,有利于槽满率的提高,进而提高电机性能;电机采用相对较多的极数,可减小转子铁心的磁通量,即可减小转子铁心厚度。
⑵增加绕组的短距和分布效应,改善反电动势的正弦性;
⑶每个绕组只绕在一个齿上,缩短了线圈周长和绕组端部伸出长度,减少了用铜材的消耗;
⑷从工艺上来看,较少的元件数量可简化嵌线工艺和接线,降低成本,同时线圈间没有重叠,不必相间绝缘;
⑸效率上:
线圈周长和绕组端部伸出长度较短,电机内阻小,电机铜损少,进而提高了电机效率并降低了温升;
⑹降低了齿槽转矩,有利于减少振动和噪声。
2.联合仿真及操作步骤(2011-10-18)
ANSOFT公司开发的电磁场数值计算方法的有限分析软件――Maxwell,可提供了一种方便快捷且准确的仿真环境,准确分析电机内部电磁场的分布情况,能自动计算电机的自感、互感、磁链、转矩等参数。
同时,ANSOFT公司还提供另一款电路仿真软件*****ORER,可以搭建BLDC电机驱动系统的瞬态模型,将电磁场仿真与电路、控制系统仿真结合起来,能够有效且真实地对BLDC驱动系统进行仿真研究,为本设计提供相应的理论依据和数据支持。
2.1Maxwell2D有限元电机静态模型的操作步骤
建立电机模型是电机仿真的第一步,只有保证电机模型的准确才能保证电机特性仿真的
准确。
下面利用Maxwell2D建立电机的二维有限元模型。
具体建模过程如下:
⑴确定电机结构尺寸数据,画出电机截面图模型。
模型也可以是电机模型一个对称单元,但必须在边界条件中设定主从边界。
⑵确定电机材料属性,如定子、转子、磁钢、气隙的材料等。
⑶确定有限元计算的边界条件和励磁电源参数等。
⑷设定求解参数,如设定产生转矩、力的部分,并设置电枢的回路路径等。
⑸设置求解器,并进行有限元网络剖分。
有限元网络剖分分为自适应剖分和手动剖分。
对于自适应有限元网络剖分,需要设置迭代次数、误差精度等。
⑹开始有限元计算。
2.2*****2D有限元瞬态模型的操作步骤
下面利用Maxwell2D建立电机的瞬态场有限元模型。
具体建模过程如下:
⑴确定电机结构尺寸数据,画出电机截面图模型。
模型也可以是电机模型一个对称单元,但必须在边界条件中设定主从边界。
⑵确定电机材料属性,如定子、转子、磁钢、气隙的材料等。
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。
⑸设置求解器,并进行有限元网络剖分。
对于自适应有限元网络剖分,需要设置迭代次数、误差精度等。
⑹开始有限元计算。
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。
单击工具栏上的求解按钮进行求解,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%。
2.5*****ER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*****,并在*****中搭建电机瞬态有限元仿真模型。
⑶在*****ER中搭建电机控制及主功率电路模型,并将*****中的仿真模型导入*****ER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*****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电机参数表极数槽数定子内径(mm)定子外径(mm)转子内径(mm)转子外径(mm)磁钢厚度(mm)磁钢宽度(mm)定子齿部磁密(T)转子轭部磁密(T)额定工作速度(r/min)2436115135136150(厂家给定)2171.81.21100电机铁芯长度(mm)定子材料转子材料磁钢材料匝数槽满率(%)绕组定子电流密度(A/mm2)铁耗(W)铜耗(W)额定工作点效率(%)25D310Steel1008NdFe3030594×1.120.9502.680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。
槽数定子内径(mm)定子外径(mm)转子内径(mm)转子外径(mm)磁钢厚度(mm)磁钢宽度(mm)定子齿部磁密(T)转子轭部磁密(T)额定工作速度(r/min)4036115135136150210.21.680.84550电机铁芯长度(mm)定子材料转子材料磁钢材料匝数槽满率(%)绕组定子电流密度(A/mm2)铁耗(W)铜耗(W)额定工作点效率(%)25D310Steel1008NdFe3020504×0.712.839488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。
AnsoftLLC140.0090.0080.0070.00XYPlot*****.*****.001.20OutputTorque[NewtonMeter]100.0060.001.00Efficiency[percent]80.0050.0040.00CurveInfo0.8060.000.6030.0040.0020.0020.0010.000.000.00EfficiencySetup1:
PerformanceOutputPowerSetup1:
PerformanceOutputTorqueSetup1:
Performance0.400.200.00100.00200.00300.00400.00RSpeed[rpm]500.00600.000.00700.00OutputPower[kW]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
极数槽数定子内径(mm)定子外径(mm)转子内径(mm)转子外径(mm)磁钢厚度(mm)磁钢宽度(mm)定子齿部磁密(T)转子轭部磁密(T)额定工作速度(r/min)4036115135136150210.21.680.84370电机铁芯长度(mm)定子材料转子材料磁钢材料匝数槽满率(%)绕组定子电流密度(A/mm2)铁耗(W)铜耗(W)额定工作点效率(%)25D310Steel1008NdFe3031553×0.695.14201187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。
)
AnsoftLLC100.0090.00600.0080.00700.00XYPlot*****-3190.0080.0070.00OutputTorque[NewtonMeter]70.0060.0050.0040.0030.0020.00500.00400.00300.00200.0050.00CurveInfoOutputPowerSetup1:
PerformanceEfficiencySetup1:
PerformanceOutputTorqueSetup1:
Performance40.0030.0020.0010.00100.0010.000.000.000.000.0050.00100.00150.00200.00250.00300.00350.00400.00450.00RSpeed[rpm]Efficiency[percent]OutputPower[W]60.00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。
AnsoftLLC0.03
XYPlot3Maxwell2DDesign1CurveInfoFluxLinkage(PhaseA)Setup1:
Transient0.02FluxLinkage(PhaseB)Setup1:
TransientFluxLinkage(PhaseC)Setup1:
Transient0.01Y1[Wb]0.00-0.01-0.02-0.030.005.0010.00Time[ms]15.0020.00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
(a)0s时(b)0.02s时
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。
AnsoftLLC80.0070.00450.00400.00350.00XYPlot*****-3190.0080.0070.00OutputTorque[NewtonMeter]60.0050.0040.0030.0020.0010.000.00250.00200.00150.00100.0050.000.000.00CurveInfoOutputPowerSetup1:
PerformanceEfficiencySetup1:
PerformanceOutputTorqueSetup1:
Performance50.0040.0030.0020.0010.000.00350.0050.00100.00150.00200.00RSpeed[rpm]250.00300.00Efficiency[percent]OutputPower[W]300.0060.00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
极数槽数定子内径(mm)定子外径(mm)转子内径(mm)转子外径(mm)磁钢厚度(mm)磁钢宽度(mm)4036115135136150210.2电机铁芯长度(mm)定子材料转子材料磁钢材料匝数槽满率(%)绕组定子电流密度(A/mm2)25D310Steel1008NdFe305865(太高)2×0.677.43(有点高)
定子齿部磁密(T)转子轭部磁密(T)额定工作速度(r/min)AnsoftLLC70.00300.001.680.84200XYPlot3铁耗(W)铜耗(W)额定工作点效率(%)3640-4590.0080.004048560.00OutputTorque[NewtonMeter]250.0070.0050.0040.0030.0020.0050.00Efficiency[percent]OutputPower[W]200.0060.0050.00150.00CurveInfo40.0030.0020.0010.000.00250.00100.00OutputPowerSetup1:
PerformanceEfficiencySetup1:
PerformanceOutputTorqueSetup1:
Performance10.000.000.000.0050.00100.00150.00RSpeed[rpm]200.00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
极数槽数定子内径(mm)定子外径(mm)转子内径(mm)转子外径(mm)磁钢厚度(mm)磁钢宽度(mm)定子齿部磁密(T)转子轭部磁密(T)额定工作速度(r/min)4642115135136150291.851.35320电机铁芯长度(mm)定子材料转子材料磁钢材料匝数槽满率(%)绕组定子电流密度(A/mm2)铁耗(W)铜耗(W)额定工作点效率(%)25D310Steel1008NdFe3033613×0.693.7191485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。
AnsoftLLC90.0080.0070.0090.0080.00500.0070.00XYPlot***-*****.00Efficiency[percent]InputDCCurrent[A]50.0040.0030.0020.0010.000.0050.00300.0040.00CurveInfo30.0020.0010.000.000.00InputDCCurrentSetup1:
PerformanceOutputPowerSetup1:
PerformanceEfficiencySetup1:
Performance200.00100.0050.000.00100.00150.00200.00250.00300.00350.00400.00RSpeed[rpm]OutputPower[W]60.0060.00400.00
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*****ER的联合仿真模型的建立
采用仿真软件*****(有限元电磁场仿真软件)与*****ER(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*****ER与*****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。
Q1Q3Q5*****MDrivewithCurrentHysteresisBandControl*****1ROT2+V_ROT10wE148V26-30彪,31匝不彪0+*****SM_*****N57.**********TVAL:
=mod(INPUT,INPUT)INPUT=PWM_PER-0.5LA.I打叉即没限流*****LCONST-60/20+PWM_PER(-LC.I)*****LCONST-120/20+PWM_PERLB.IICA:
LL:
=0.0003RA:
=0.10PWM_T:
=120/20I_TARG:
=8I_HYST:
=0.1LDUM:
=0.01PWM_PER:
=360/20*****LCONST-180/20
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