無刷直流電機系統場路耦合法設計實驗研究
年珩,曾嶸,劉姣,王宏勝
(浙江大學電氣工程學院,杭州310027)
摘要:針對無刷直流電機的工作特性,在電磁設計基礎上,提出一種基于場路耦合法的無刷
直流電機系統分析與設計方法。該方法建立在無刷直流電機電磁場有限元分析模型和電氣控制系統模型基礎上,即通過電磁場與電氣系統的耦合協同仿真分析,精確設計無刷直流電機系統。在此基礎上建立了對應的實驗系統。實驗結果與分析結果一致,表明該分析設計方法的正確性和可實現性。
關鍵詞:無刷直流電機;電磁設計;場路耦合法;有限元分析;實驗
0引言
實現無刷直流電機系統的精確設計,除了通過有限元電磁場方法對電機進行電磁優化設計外,還必須在設計之初考慮控制器與電機的耦合作用,對控制器作用下無刷直流電機系統性能進行預測。目前對于無刷直流電機系統設計較多采用電磁場分析[1-3],以實現電機本體的優化設計,但難以甚至無法實現控制器作用下電機系統的運行性能分析。場路耦合法通過將電機電磁場分析模型和控制系統模型相結合[4-5],并采用時步法的準穩態場一路結合的求解方式,可深入研究無刷直流電機系統各部分間的相互耦合關系和耦合因素,因而為無刷直流電機系統的準確設計與性能分析提供了有效的手段。本文針對風機用無刷直流電機系統,首先通過電磁場分析完成電機本體的優化設計,進而建立了包括電機電磁場有限元分析模型
和控制系統仿真模型,利用SirrIplorer+Maxwell 2D進行場路耦合法協同仿真,準確地預測了所設計無刷直流電機系統運行特性。相同條件下實際系統的實驗運行進一步驗證了本設計方法的正確性。
無刷直流電機電磁優化設計
1.1電機基本參數
所設計元刷直流電機性能指標如下。額定功率200 w;****功率250 w;額定電壓12 V;轉速范圍1 500 r/min~3 000 r/rin;效率不低于百分之85。
電機主要尺寸可按下式考慮
式中,Dil為定子內徑;Lef為定子長度;nN為額定轉速;P=(1+2η/3η)PN,為計算功率;PN為額定功率;η為電機效率;αp為極弧系數;Knm為氣隙磁場波形系數;kdp為基波繞組系數;A為線負荷;Bδ為氣隙磁密基波幅值。
為簡化電機結構,降低加工成本,轉子永磁體采用面貼式結構。其永磁體厚度hM和寬bM可近似為[6]:
式中,μr為相對回復磁導率;δ為計算氣隙長度;Br為永磁體剩余磁密;Bδ為氣隙磁密。
經過初步計算可得電機基本結構尺寸及繞組參數如表1所示。考慮到電機成本的限制,永磁體選用鐵氧體,其剩磁密度為O.38T。同時從降低電機加工成本考慮,定子選用直槽結構。
1.2電機電磁分析
無刷直流電機二維電磁分析模型如圖1所示。圖2為空載運行時無刷直流電機兩維電磁場分析結果。其中圖(a)為相反電勢波形,為120。電角度的梯形波分布。圖,b)為轉子旋轉一周時齒槽轉矩波形。由于電機未斜槽,齒槽轉矩較大,幅值達到額定轉矩的百分之15。圖(c)為空載時氣隙磁密分布。
(a)兩維模型 (b)三維模型
1.3齒槽轉矩優化分析
對于圖1所示的電機結構,當極對數、槽數以及繞組參數確定后,齒槽轉矩大小主要與槽開口大小有關。圖口(b)所示為槽開口5mm的齒槽轉矩波形。圖3(a)和(b)分別為槽開口4 mm和3mm的齒槽轉矩波形。其幅值分別為0.05 N·m和O.03 N·m。進一步電磁分析發現,隨著槽開口尺寸的減小,齒槽轉矩進一步減小,最后趨近于O.02 N·m。實際中可根據此規律并綜合考慮電機運行環境要求和加工工藝,選擇合適的槽開口尺寸。本文所設計樣機選擇槽開口為3mm。
2無刷直流電機系統場路耦合法分析
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