北京永光高特微電機有限公司
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無刷直流電機電樞反應的3D有限元分析與氣隙磁場檢測

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.myanmarbdc.com瀏覽數:6581


   摘要:在所采用的無刷直流電機混合位置預估算法中,轉予位置的檢測對于電機的特性控制非常重要。文章采用ANSOFT軟件進行了電機氣隙磁場和電樞反應的三維場計算,分析了齒槽和電樞反應對霍爾傳感器磁場檢測的影響,為保證位置預估算法的有效實現提供了參考數據。實驗證明,通過磁場分析的方法在電機中獲取霍爾元件最佳安放位置的方法是可行和有效的。

l引  言

   隨著社會的發展和人們生活水平的提高,對家用電器的綠色環?;厔莸男枨笤絹碓狡惹?。所謂綠色環保指的是,其一,使用清潔能源且高效節能;其二,減少環境污染,如空氣污染,水污染,噪聲污染等。我國的絕大多數家用電器在以上兩個方面都存在著很大的不足,這與人們日益增長的需求水平、與國外的先進水平相比差距很大。比較典型的是洗衣機洗滌時的耗能和脫水時的噪聲、電冰箱的壓縮機噪聲、空調機的風機噪聲等。與之相對應的是,在驅動電機研究領域,降低電機噪聲已經成為一個研究熱點。

   實踐證明,采用大力矩無刷直流電機直接驅動負載可以有效地降低噪聲同時提高系統效率。在所設計的無刷直流電機系統中,采用了混合位置預估法檢測轉子信息。初步實驗結果表明,電樞反應和位置傳感器的改變對霍爾檢測信號影響較大,直接影響了電機繞組的換流,引起力矩波動而帶來噪聲。本文在考察無刷直流電機電樞反應對電機端部漏磁場的影響時,采用了3D有限元分析,通過理論分析獲得了霍爾傳感器的最佳位置。通過理論分析和對樣機系統的實驗測試,得到了比較滿意的結果。

2 ANSOFT分析軟件簡介

   有限元法起源于結構力學,在彈性力學獲得了極大的發展,后來逐漸從固體力學擴展到流體力學、傳熱學、電磁學等領域。目前,在傳統的力學計算方面,已經有許多大型的有限元分析程序,如Ansys,NASTRAN等,大多主要著眼于機械力學計算。AN-SOFT則是側重于電磁力、轉矩和磁場計算的通用有限元程序,且對電機設計給予了專業軟件支持,如Rmxprt軟件包可以進行感應電機、無刷直流電機、開關磁阻電機等十幾種電機的計算機輔助設計,經實驗驗證,初始條件和參數充分恰當條件下,具有相當好的精度。和其他通用有限元軟件一樣,AN-SOFT具有強大的前、后處理功能。在前處理中,可以直接利用ANSOFT提供的模型生成器2D MOD—ELER和3D MODELER來構建仿真幾何模型,有限元模型由軟件自動剖分或手動剖分生成。另外,ANSOFT提供了軟件接口,讀取用AUT0CAD、PRO\E、UC等軟件輸出的﹡.dxf格式、ACIS文件格式(﹡.sat)、IGES文件格式(﹡.igs)和STEP AP203

文件格式(﹡.step)的文件,便于幾何模型的構建。在后處理軟件中則提供了強大的數據提取工具、其他相關數據的計算工具、輸出數據繪圖工具,方便了計算結果的分析。

   本文利用ANSOFT軟件,對無刷直流電機氣隙磁場和電樞反應進行了三維場計算和分析。

3電機建模

3.1幾何模型的建立    有限元分析中模型的建立目前主要有兩種方法:(1)直接建立有限元模型法,即將實際模型經過數學抽象簡化,直接變為節點和連接線組成的有限元模型,由于工作量極大,此法僅適合簡單模型;(2)幾何建模法,即采用“所見即所得”的方式,根據實際模型尺寸繪制幾何模型,并對幾何模型定義材料屬性、邊界條件和激勵源,最后通過手工或軟件的自動剖分功能建立有限元模型。本模型的建立采用幾何建模法。首先利用ANSOFT的三維建模環境3D MODELER建立幾何模型,再通過手工或軟件自動剖分建立有限元模型。在幾何模型的建立中,考慮到電機磁路不經過端蓋,所建幾何模型忽略了端蓋。另外由于本樣機采用分數槽結構,無法利用周期性、對稱性簡化模型,因此采用全尺寸整體建模。模型中的繞組,在建模時采用了等效簡化處理:各集中繞組獨立環繞各大齒,彼此不連接,省略了相繞組的連接線。由于繞組為集中繞組,各相繞組連接線較少,繞組的端部效應可以忽略,因而簡化模型是合理的。所建模型如圖1所示。

    圖l電機的幾何模型

3.2參數定義

   在建立幾何模型后,需對模型賦材料屬性、邊界條件、電磁激勵源。模型中各組成部分材料屬性根據實際樣機設定,作為磁激勵源的磁鋼,其參數和方向在材料屬性中設定。所建模型的邊界條件直接設定為ballon邊界條件,即外界磁場屏蔽邊界條件,將分析模型置于磁屏蔽的環境中。因為外界空間磁場在正常使用中對電機磁場影響不大,而且分析模型為整體建模,因此設定這種邊界條件是可行的。繞組作為電激勵源,可以賦電壓源或電流源,本模型

采用電流源方式,并按總安匝數定義電流源。因為在模型建立中簡化了相繞組的連接,因此必須根據分相對各繞組單獨定義,同相繞組電流幅值一致,電流的流向要根據實際連接情況分別定義。

3.3網格剖分

   在上述建模和參數定義完成后,可以手工剖分。手工剖分時需設定節點數、剖分單元類型等操作,對復雜三維模型是很繁瑣的工作。本文采用軟件自動網格剖分,通過設置誤差留數、剖分次數、通過次數等幾個參數提供自動剖分的規則。設置好剖分規則后,利用求解器Solver求解的同時,軟件會根據剖分規則自動細化網格。

3.4求解

   設置欲求解參數之后,開始求解。

4計算結果分析及實驗測試

   經過上述建模求解過程,最終目的是利用AN-SOFT的三維場分析計算電機端部漏磁場。本文中在電樞鐵心上以一個大齒中心線為起點,1/2極弧長度范圍內等間距取四條采樣線,如圖2所示。

    圖2采樣線的選取

   對上述所建模型分別求解繞組不通電和繞組通電情況下采樣線上的磁場分布,求解方法為轉子旋轉,當轉子磁極中心線與某采樣線重合時計算磁場,提取該采樣線上磁感應強度分布曲線。電機模型的軸向尺寸關系如圖3所示。計算結果如圖4、5所示。

    圖3電機模型的軸向尺寸關系

4.1齒槽對霍爾漏磁場檢測影響

   因為繞組不通電,從圖4中可以清楚地看到電樞齒槽對主磁極的影響。Sample4為齒中心線處采樣線,Sample3、Sample2、Samplel分別為相隔l/6極弧的采樣線?;魻査鶛z測漏磁場分布集中在z軸L0~L0+△L范圍內。圖4顯示繞組不通電時,霍爾漏磁場檢測受齒槽影響很小,因此確定霍爾安裝位置時可以不考慮齒槽影響。

圖4繞組不通電時四條采樣線上的磁密分布曲線

4.2電樞反應對霍爾漏磁場檢測影響

   考察電樞反應對霍爾漏磁場檢測影響時,在不影響分析結果正確性前提下,本文適當地簡化了分析過程,忽略了分數槽的影響,并假設內功率因數角為零。繞組通以對稱三相電流,根據對稱性,以其中一相a相為參考相分析霍爾安裝位置,如圖2所示,圖中 范圍內a相繞組對應大齒。分析時預先設置永磁主極在采樣線Sample1處,根據分析前提,內功率因數角為零,此時恰好a相電流最大,b相和c相電流反向,幅值為峰值一半。在此初

始條件下,模擬電機穩態運行,外轉子在定子磁動勢作用下逆時針旋轉。在求解時,令永磁磁極順序掃過sampleI~Sample4采樣線,當磁極與采樣線重合時,分別計算磁場,提取各采樣線上磁感應強度分布曲線。在 范圍內,電樞反應均為增磁性質,在 電樞反應為去磁性質。由于分析方法相同,本文僅討論了 范圍的情況。

   在電樞鐵心內電樞反應很強,與圖4相比較,圖5中采樣線Sample4、Sample3、Sample2磁感應強度不論鐵心內還是漏磁場的部分增幅都很大。相比較而言,由于采樣線Sample4在氣隙中,采樣磁感應強度值為主極磁場和電樞繞組磁場的線性疊加,故Sample4上磁感應強度最大幅值很高。與采樣線Sampl、Sample2、Sample3磁感應強度最大幅值相比較,呈現出更大遞增趨勢。這主要是因為鐵心磁飽和導致鐵心內磁感應強度不再線性增長。

 

圖5繞組通電時四條采樣線上的磁密分布曲線

   現在考察霍爾檢測漏磁場所在區間z=L0~L0+△L,圖5中清楚地顯示,如若霍爾安裝于采樣線Samplel、Sampie2、Sample3的z=L0位置時,霍爾檢測的漏磁場幅值B=O.03~0.05 T,當霍爾安裝于采樣線Sample4的z=L0位囂時,漏磁場幅值B=0.18 T。漏磁場的幅值是本文樣機設計中所關心的,因為本文所設計電機采用開關霍爾為位置傳感器,鎖定型開關霍爾工作時,所測磁感應強度幅值須大于使霍爾電壓信號翻轉的閥值磁感應強度。設閥值磁感應強度值為±Btig所測磁感應強度最大值為Bm必須滿足Bm≥Btig否則鎖定型霍爾將無法觸發。對比圖5中各曲線,顯然霍爾檢測漏磁場幅值受電樞反應影響很大,霍爾的理想安裝位置在sample4的z=L0~L0+△L范圍內,且在z軸方向上越靠近z=L0位置越好。若霍爾只能安裝于Sampel、Sample2、Sample3的漏磁場區間時,霍爾位置越靠近z=L0位置時效果越好。

4.3實驗測試結果

   電機實測數據如圖6、7所示,分別為繞組不通電和通電時,在z軸L0~L0+△L范圍內實測采樣線上磁場磁密分布。對比仿真和實測數據結果可以看出,圖6和圖7分布趨勢與圖4、5基本相同,仿真計算和實測磁密幅值誤差在接受范圍之內。

圖6繞組不通電時四條采樣線實測磁密分布曲線

   

圖7繞組通電時四條采樣線實測磁密分布曲線

5結論

   (1)利用ANSOFT軟件對無刷直流電機3D有

限元分析,在繞組不通電流情況下,對氣隙漏磁場檢測時可能受到的齒槽影響進行了分析。分析結果表明氣隙磁場檢測受齒槽影響很小,因此確定霍爾安裝位置時可以不考慮齒槽影響。

   (2)利用ANSFT對3D模型在繞組通電狀況下,電樞反應對電樞反應霍爾漏磁場檢測的影響進行了分析。分析結果表明電樞反應對霍爾漏磁場檢測影響很大,霍爾位置選擇需慎重。經過分析,霍爾安裝于槽內時對于檢測轉子主極位置最為有利。如若不能使幾個霍爾同時處于槽內時,即一只霍爾在槽內,而其它的霍爾在鐵心z軸漏磁場范圍上,則霍爾檢測出的磁場幅值將不同,導致霍爾翻轉信號相位不一致,因此在混臺位置預估算法中需進行補償。

   (3)分析和實驗表明,通過磁場分析方法獲取霍爾最佳安放位置的方法是可行和有效的。

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