（电机与电器专业论文）永磁无刷直流电机转矩脉动抑制的仿真研究.pdf

两北t 业大学硕十学仿论文 摘要 - i ! ! 自! g s ! ! ! ! ! ! ! 舅! ! ! ! 富目! ! ! ! ! 目e ! ! ! ! ! e ! 鼍! ! ! ! e ! ! 鼍! ! ! g ! ! 自! ! ! ! 目e ! ! ! ! e ! 目! ! ! ! ! 目薯 t h ep m - b l d c m ( p e r m a n e n tm a g n e t i cb m s h l e s st i cm o t o r ) ，w h i c ha c t u a l l y b e l o n g st ot h ep m s m ( p e r m a n e n tm a g n e t i cs y n c h r o n o u sm o t 0 0 ，h a st r a p e z o i de m f ( e l e c t r o m o t i v ef o r c e ) w a v e f o r m sa n dr e c t a n g l cc u r r e n tw a y c f o r m s b l d c ms y s t e m n o to n l yh a sp m s ma d v a n t a g e s ，h u ta l s ob e o fl o wc o s t , e a s yc o n t r o ls h o r t d e v e l o p m e n tp e r i o da n dh i g ar e l i a b i l i t y n o w a d a y s , b l d c mi sw i d e l yu s e d i n i n d u s t r y h o w e v e r , t h ep r o b l e m ss u c ha sr o t o rp o s i t i o ne s t i m a t i o na n dt h et o r q u e r i p p l e sh a v eb e c o m et h eo b s t a c l e sf o rt h eb l d c mt ob eu s e di nh i g hp r e c i s i o n f i d d s f i r s to fa l l ，t h ep a r a m e t r i ct w o d i m e n s i o n a lb l d c mm o d e li sb u i rb yu s i n g e l e c t r o m a g n e t i ca n a l y s i ss o f t w a r ef l u x o fc e d r a tc o m p a n y s e c o n d l y , t h e e f f e c t so fs u p p r e s s i o nc o g o n gt o r q u em e t h o d sa b o u ta d d i t i o na u x i l i a r yn o t c h ， c h a n g i n gt h ea r cc o e f f i c i e n t , c h a n g i n gt h es h a p eo fm a g n e t sa n dc h a n g i n gt h ew i d t h o fa d j a c e n tn o t c ha g es i m u l a t e d t h i r d l y ，t h ee f f e c t so fd i f f e r e n tc o n d u c tt i m eo ft h e s w i t c ho nt h ec o m m u t a t i o nt o r q u er i p p l ea r cs i m u l a t e d f i n a l l y , t h ee f f e c t so f d i f f e r e n tw i d t ho ft h em a g n e ta r co nt h et o r q u er i p p l ec a u s e db yt h ee l e c t r o m a g n e t i c f a c t o r sa l es i m u l a t e d t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h em e t h o d st os u p p r e s st o r q u er i p p l ea r e v e r i f i e db yd e t a i l e ds i m u l a t i o na n a l y s i s ，w h i c hi su s e f u lf o r t h ec h o o s i n gm e t h o d so f t o r q u er i p p l es u p p r e s s i o nt e c h n i q u e i np m - b l d c m k e yw o r d s ：p m - b l d c m ( p e r m a n e n tm a g n e t i cb m s h l e s sd em o t o r ) ，s o f t w a r e f l u x ，c o g g i n gt o r q u e ，t o r q u er i p p l es u p p r e s s i o n ，a r cc o e f f i c i e n t ，e l e c t r o m a g n e t i c f i e l da n a l y s i s ，s i m u l a t i o n ，c o m m u t a t i o n ，a u x i l i a r yn o t c h ，w i d t ho fn o t c h n 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允诲论 文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的 文章一律注明作者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：至。麈 珈1 年弓月移日 指导教师签名：诊指导教师签名：翌：三 聊年弓月哆日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交 的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽 我所知，除文中已经注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，不包含本人 或他人已申请学位或其它用途使用过的成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：墨童 枷。1 年3 月3 目 西北t 业大学硕十学付论文第1 章绪论 第1 章绪论 近几年来，随着稀土永磁材料、电力电子技术的发展以及微处理器性能的 提高，永磁无刷直流电动机( p e r m a n e n tm a g n e tb r u s h l e s sd i r e c tc u r r e n tm o t o r ， 简称p m - b l d c m ) 以其控制简单、输出转矩大、动态响应好、惯量小、可靠性高 等优点而得到了越来越广泛的应用。尤其作为中小功率高性能调速电机和伺服 电机，在航空、航天、机器人等领域有着广泛的应用前景。应用于这类高性能 调速和伺服系统，永磁无刷直流电动机的转矩脉动是一项重要指标，通常高性 能伺服系统的低速转矩脉动应小于3 【1 1 。因此，抑制永磁无刷直流电动机的转 矩脉动具有重要的意义。 1 1 课题背景 1 1 1 永磁无刷直流电机发展概况 长期以来，直流电机因其控制简单、调速性好而广泛应用于各种调速系统 中。但是直流电机本身也有很多缺点，具体包括：结构和制造工艺复杂，维 修性差；电刷和换向器摩擦产生的电火花限制了其使用环境，易燃、易爆、 多尘以及环境恶劣的地方不能使用；电刷与换向器的接触电阻不稳定导致电 机工作不稳定，且电刷与换向器的磨损降低了系统的可靠性；转子转动惯量 大；换向器的换向能力限制了直流电机的容量和速度；电枢绕组位于转子 中，一次散热性能犁2 】。 早在1 9 1 7 年，b o l i g e r 就提出了用整流代替有刷直流电机的机械电刷，从而 诞生了无刷直流电机( b r u s h l e s sd cm o t o r ，简称b l d c m ) 的思想 3 1 。1 9 5 5 年， 美国d h a r r i s o n 等人首次申请了用晶体管换向线路代替有刷直流电机机械电刷 的专利，标志着现代无刷直流电机的诞生。但由于该电机尚无起动转矩而不能 产品化，后又经过人们多年的努力，在1 9 6 2 年，借助于霍尔元件来实现换相的 无刷直流电机问世了，从而开创了无刷直流电机产品化的新纪元。自2 0 世纪7 0 年代以来，现代电力电子器件工艺日臻成熟，许多新型的高性能半导体功率器 件，如g t r 、m o s f e t 、i g b t 等相继出现，使永磁无刷直流电机的功率驱动电 路的可靠性和稳定性得到保障。1 9 7 8 年，原西德m a n n e s m a n n 公司在汉诺威贸易 博览会推出了m c 方波无刷直流电机及其驱动器，标志着利用电子换相的无刷直 两北工业大学硕十学何论文第1 章绪论 流电机真正进入实用阶段【4 】。另一方面，稀土永磁材料迅速发展，其内禀矫顽 力高、抗去磁能力强和去磁曲线在大范围线性可逆等特点，为永磁无刷直流电 机的应用开辟了广阔的前景。 正弦波型永磁无刷直流电动机反电势波形和供电电流波形均为正弦波，其 控制需要较为精确的转子位置信号，位置传感器结构较为复杂，成本较高，但 其控制方法灵活，转矩波动较小，所以一般用于伺服控制系统。方波型永磁无 刷直流电动机，或者称为方波电机，其反电势为梯形波，供电电流为方波，控 制系统对转子位置信号要求不高，只需获得若干个转子关键位置的离散信号就 可以了，成本较低，加上其结构简单、控制方便，因此应用范围很广1 5 。7 1 。大多 数情况下，无刷直流电机是指方波型永磁无刷直流电动机，在本论文中不做特 殊说明的地方均指这类电机。 我国永磁无刷直流电动机的研制工作起步较晚，开始于2 0 世纪7 0 年代初期， 并且主要集中于一些研究所和高等院校，研究对象主要是方波永磁无刷直流电 动机系统和小功率正弦波无刷直流电动机伺服系统等。经过3 0 多年的努力，已 经取得了较大的成果。但从总体上看，由于起步较晚，自行研制和开发的无刷 直流电动机与国际先进水平仍存在一定的差距，其综合指标仍低于国际水平， 相关理论还有待进步深入研究。 1 1 2 永磁无刷直流电机的特点 永磁无刷直流电动机采用位置传感器和电子开关变换器替代有刷直流电机 的电刷和换向器，既保留了育刷直流电机的优良调速特性，又园省去了机械的 电刷和换向器，而具有交流电机的结构简单、运行可靠、寿命长的优点。这使 其在快速性、可控性、可靠性、体积、重量、效率、耐受环境和经济性等方面 具有明显的优势l s - g l ，这从表1 1 无刷直流电机和有刷直流电机、交流异步电机的 比较中可以看出【l o l 。 1 1 3 永磁无刷直流电机的转矩脉动产生原因与研究现状 转矩脉动是衡量永磁无刷直流电动机用作伺服系统性能好坏的一项重要指 标，抑制转矩脉动是提高其伺服系统性能的关键。研究抑制永磁无刷直流电动 机转矩脉动的有效措施具有十分重要的意义。 西北t 业大学硕十学位论文第1 章绪论 表1 1 无刷直流电机和其它电机比较表 无刷直流电机有刷直流电机交流异步电机 机械特性硬 硬软 过载能力大大小 可控性易易 难 平稳性好较好较差 噪声小大较大 维修性易难易 寿命 长 短 长 体积小较小大 效率 高高低 成本较高较高低 永磁无刷直流电动机转矩脉动产生的原因和抑制方法主要有【1 1 1 4 l ： 1 由于定子电流和转子磁场相互作用而产生的电磁转矩脉动。其抑制方法 主要有： ( 1 ) 优化设计法：选择合理的电机磁极和极弧的设计方案，改变磁极形状， 或增加极弧宽度来有效减弱电磁转矩脉动【圈。 ( 2 ) 最佳开通角法：通过推导出转矩脉动与开通角之间的函数关系式，求 取电流最优开通角，使电流波形和反电势波形的配合适当，达到削弱转矩脉动 的目的【1 甜7 1 。 ( 3 ) 谐波消去法：由于不同次电流谐波和反电势谐波的结合，会产生具有 相同角频率的谐波转矩分量，抵消或抑制该谐波转矩分量，可使转矩的脉动量 大大减少。这些谐波转矩分量以角频率为6 u 的谐波转矩分量所占比重最大【1 3 1 。 文献1 1 8 】采用以补偿电流的方法供电给电动机，产生和角频率6 u 的谐波转矩分 量大小相等，相位差1 8 0 。的转矩，以抵消或抑制该谐波转矩分量，可使转矩的 脉动量大大减少。文献1 1 9 1 给出了数学模型及对转矩谐波抑制的分析，并概述了 自适应控制、变结构控制、卡尔曼滤波器、神经网络控制方法在抑制转矩脉动 方面的应用。文献【2 0 】在此问题上给出了自同步s v p w m 控制方法，做了仿真与 3 两北t 业大学硕十学 市论文 第1 章绪论 实验。文献 2 1 1 给出了变结构控制的数学模型并做了模拟仿真。文献 2 2 1 提到了 卡尔曼滤波实现转矩脉动最小化控制并做了仿真。文献 2 3 1 采用了神经网络进行 转矩脉动最小化控制，理论上此法有较好效果。 ( 4 ) 转矩反馈法：即以转矩为控制对象，实现闭环控制，从而抑制转矩脉 动【刎。转矩反馈法的基本原理是：根据位置和电流信号通过转矩观测器得到转 矩反馈信号，再通过转矩控制器反馈给无刷直流电机主回路，实现对转矩的控 制，从而消除转矩脉动1 2 5 之6 】。转矩反馈信号是根据事先精确测量得到的永磁无 刷直流电动机的气隙磁通和当前的电枢电流以及转子位置，通过逻辑判断和计 算得到的。但也由此可见转矩反馈方法比较复杂，需预确定电机参数，且算法 复杂，实现比较困难。但它是一种实时在线的转矩控制方法，对各种脉动转矩 都有抑制作用。 2 稀土永磁无刷直流电动机每经过一个磁状态，电枢绕组中的电流就要从 某一相切换到另一相，这样因为电流换相就引起了转矩脉动。抑制这一类转矩 脉动的基本思想是使得上升电流和下降电流的速率在低速或高速时始终保持一 致，以保证电流换相时，非换相电流无脉动。其抑制方法主要有： ( 1 ) 直流侧电流反馈法：其电流反馈信号从直流侧输出，主要控制电流幅 值。其基本原理为：在换相的动态过程中，反馈信号反映的是待建立的相电流 信息。在换相进行时，待建立的电流未达到给定值，则电流的控制负责使待建 立的相电流的绝对值向增长的方向变化，直至换相完成i 拥。 文献2 0 2 1 1 用数字控制方法和仿真实验相结合，算得了在电流换相期间， 保持直流侧电压不变情况下( 保持最大值) ，提高p w m 占空比，使其为1 效 果最好。但实际上由于功率管的限制，对电流的上升率有一定的要求，因此限 制了p w m 占空比的增加。 ( 2 ) 交流侧电流反馈法：电流反馈信号由交流侧输出，此时，根据转子的 位置来确定要控制的相电流。该控制是通过控制p w m 信号所对应的逆交器的开 关状态实现的。文献 2 8 2 9 1 详细分析了四种p w m 调制方法对转矩脉动的影响， 并作了实验，证明了控制系统采用p w m _ o n 型调制方式时转矩脉动最小。 ( 3 ) 重叠换相法：即换相时本应立即关断的功率开关器件并不是立即关断， 而是延长了一个时间间隔，并将应导通的开关器件提前导通。文献 3 0 1 较详细地 4 西北t 业大学硕士学侍论文第1 章绪论 介绍了重叠换相法的理论；文献【3 1 】通过实时仿真，证明了延迟开关管关断时间， 可较好的抑制转矩脉动，但在此文献中并没提到提前开关管导通时间能否较好 的抑制转矩脉动，所以对于此方法，仍需要进一步探讨。 此外传统的重叠换相法中，重叠时间需预先确定，但选取合适的重叠时问较 为困难。且不能从最大程度上减小转矩脉动【3 御。 ( 4 ) p w m 斩波法：对开关器件断开时电流下降波形、导通时电流上升波 形进行一定频率的斩波，控制换相过程中绕组端电压，使得各换相电流上升和 下降的速率相等，补偿总电流幅值的变化。文献【3 3 】基于c - d u m p 变换器对换相 的两相电流的变化率加以控制，抑制了转矩脉动。 3 齿槽引起的转矩脉动，是由于定子铁心齿槽的存在，当转子旋转时，使 得在一个磁状态内，磁路磁阻发生变化而引起的转矩脉动。其抑制方法主要有： ( 1 ) 斜槽法：由于永磁无刷直流电动机的电枢磁场为非圆形跳跃式旋转磁 场，可以通过斜槽或斜磁钢的办法抑制转矩脉动【3 4 l 。与此同时，为避免斜槽法 的不足，也有提出采用奇数槽或分数槽的方法。 ( 2 ) 辅助凹槽法：通过辅助凹槽，可增加齿槽转矩脉动的频率，次数越高， 幅值越小1 3 5 侧。 ( 3 ) 齿、槽宽度配合法：采用磁性槽楔，适当控制齿或槽的宽度，以减小 气隙磁阻的变化，削弱磁阻变化引起的转矩脉动 3 7 - 3 8 1 。通过对齿、槽宽度的选 择对齿槽转矩脉动的影响作详细的分析，证明合理选择齿槽宽度、控制气隙大 小，可降低气隙磁阻的变化，减小由此产生的转矩脉动【3 9 1 。 ( 4 ) 选择合适的磁极宽度法【加l ：在槽数远远大于磁极数时，当磁极宽度是 槽距整数倍时可以很好的抑制转矩脉动。 4 电枢反应引起的转矩脉动，即电机电枢绕组中流过电流产生电枢反应磁 势，该磁势造成电机内气隙磁场的畸变，而引起的转矩脉动。其抑制方法有： ( 1 ) 增大气隙法：适当增大电机气隙，并且设计磁路时使电机在空载时达 到足够饱和。 ( 2 ) 电机选择瓦形或环形永磁体径向励磁结构等方法。 5 机械加工因素引起的转矩脉动，主要原因是制造电机所用材料的不一致 性、转子的偏心、各相绕组的不对称等。抑制此种转矩脉动，可通过选择高质 两北t 业大学硕十学何论文第1 章绪论 量材料和提高工艺加工水平( 如减小装配的偏心、轴承阻力矩的不稳定引起的 偏差、电枢绕组不对称偏差) 等方法来减小由机械加工引起的转矩脉动【1 3 j 。 1 1 4 仿真研究永磁无刷直流电机转矩脉动抑制的意义 在上述有关永磁无刷直流电动机的转矩脉动抑制的参考文献中，部分文献 ( 例如文献【1 1 - 1 4 】) 中只给出了理论分析，例如文献 1 1 1 提到u 一4 e 时转矩脉 动为0 ，文献 1 2 - 1 3 1 提到增加辅助凹槽法可以抑制转矩脉动；有些文献，例如文 献f 3 1 1 对改变电流导通时问来抑制转矩脉动进行了一定的实时仿真，但没有提到 具体改变多少时间，并不全面。 本文拟对上述的转矩脉动抑制方法的大部分进行详实的仿真研究，验证这 些方法的优缺点，得到这些方法抑制转矩脉动的最佳参数，为永磁无刷电机转 矩脉动抑制方法的选择提供了一定的理论依据。 1 2 本文的主要工作 本文利用法国c e d r a t 公司的f l u x 有限元电磁场分析软件建立永磁无 刷直流电机二维仿真模型，对改变槽的宽度、极弧宽度、磁极形状，增加辅助 凹槽，改交换相导通时问等抑制转矩脉动的方法进行仿真研究，具体实施方案 如下： 1 利用f l o x 软件建立二维有限元模型： ( 1 ) 根据给出的永磁无刷直流电机的几何尺寸，用参数化方法建立几侗模 型。 ( 2 ) 定义永磁无刷直流电机所用的各种材料。 ( 3 ) 对模型进行合适的剖分。 2 分析齿槽转矩产生的原因，建立恒转速旋转的永磁无刷电机模型，仿真 分析如下方法对齿槽转矩的抑制效果： ( 1 ) 增加辅助凹槽，仿真分析不同的辅助凹槽深度h a 、宽度b a 以及数目“a 对齿槽转矩的抑制效果； ( 2 ) 改变极弧系数，仿真分析不同的极弧系数对齿槽转矩的抑制效果； ( 3 ) 改变磁钢形状，仿真分析不同的磁钢形状对齿槽转矩的抑制效果； 6 两北t 业大学硕十学忙论文第1 章绪论 i i ( 4 ) 不同槽数下改变相邻槽口宽度，仿真分析其对齿槽转矩的抑制效果。 3 针对换相引起的转矩脉动，建立永磁无刷直流电机额定负载下伺服控制 模型，仿真分析了改变开关导通时间对转矩脉动的抑制效果。 4 针对电磁因素引起的转矩脉动，建立永磁无刷直流电机额定负载下伺服 控制模型，仿真分析了改变极弧系数对转矩脉动的抑制效果。 7 两北t 业大学硕十学付论文第2 章永磁无刷电机的建模与仿真 第2 章永磁无刷电机的建模与仿真 本章简单介绍了法国c e d r a t 公司的f l u x 固有限元仿真软件，基于 f l u x 软件建立了永磁无刷电机的仿真模型，详细介绍了其建模步骤。 2 1f l u x 软件的简介与应用 2 1 1f l u x 软件的简介【4 1 1 法国c e d r a t 公司推出的f l u x 是一款针对于电机、传感器、变压器等 电磁设备的专业二维及三维仿真软件。它基于有限元算法，主要用于电磁设备、 热装置、热处理的分析与设计。基本模块包括前处理( 建模、物理属性设置、 网络剖分) 、求解以及后处理( 结果显示、数据输出) 。此外它有m a g n e t os t a t i c ( 静态磁场) 模块、s t e a d y a c m a g n e t i c ( 交流稳态磁场) 模块、t r a n s i e n t m a g n e t i c ( 瞬态磁场) 模块、e l e c t r os t a t i c ( 静态电场) 模块、e l e c t r i cc o n d u c t i o n ( 传导 电场) 模块、s t e a d y a ce l e c t r i c ( 交流稳态电场) 模块、s t e a d y a cm a g n e t i cc o u p l e d t o t r a n s i e n t t h e r m a l ( 静态交流磁场耦合瞬态热场) 模块等应用功能模块供用户 选择。 f l u x 圆允许用户使用p y t h o n 命令流编写特殊的材料属性、定义驱动电源属 性和定义边界条件，用以控制和执行特定的后处理任务。 f l u x 具有f l u x - t o _ s i m u l i n k 接1 3 ，用户可以通过该接口将f l u x 模型 作为独立模块应用到m a t l a b 仿真中进行更高级的分析，如：优化设计、电机起 动的瞬时控制等。 2 1 2f l u x 软件的应用 f l u x 主要应用于下列领域的仿真分析 4 2 1 ： 1 旋转电机：直流电机、同步电机、感应电机、步进电机、无刷电机、开 关磁阻电机、永磁电机等各类旋转电机。 2 能量传输和转换设备：变压器、大功率电缆、高空输电线、高压设备、 绝缘子、连接器和熔断器等。 3 工艺设备：感应热烤箱、热处理、介质热、磁性分检装置等。 8 两北t 业大学硕十学付论文第2 章永磁无刷电机的建模与仿真 4 激励器：直线电机、电磁刹车、接触器、磁悬浮轴承、燃料注射器、电 磁发射器等。 5 传感器：容性或感性传感器、速度传感器、力矩传感器、无损探伤、分 流器、电磁仪表等。 6 场发生器：大规模分光计、磁录仪、偏振场、磁化设备等。 7 e m c ：屏蔽、辐射场、避雷针等。 8 超导：高、低温超导材料。 9 船磁：航母、导弹驱逐舰等大型船只。 2 1 3h j 固软件的仿真步骤【叫 f l u x 软件仿真过程主要包括前处理、求解和后处理三个部分，下面分别 介绍各部分的功能： 1 前处理 前处理包括图形处理、材料数据库、物理属性定义。 ( 1 ) 图形处理 图形处理完全是交互式的，允许用户定义几何图形并进行剖分，用于有限 元分析( f e a ) 。图形的构建是逐级完成的：首先定义参数化的图形参数 ( p a r a m e t e r ) ，其次是点( p o i n t ) ，最后是线( l i n e ) 。面( s u r f a c e ) 及体( v o l u m e ) 是在 面域( s u r f a c er e g i o n ) 仓t j 建之后自动生成的。薄壳区域( s h e l lr c g i 曲) 通过线创建， 微小区域( p i n p o i n tr e g i o n ) 可在数学上把研究域的边界扩展至无限( h t i n i t y ) 。 图形处理器包括自动剖分器和辅助剖分器，它们可产生二阶三角形单元和 四边形单元。自动剖分器使用简单且运行速度快。辅助剖分器的使用要求相对 较为严格，适用于需要精确剖分的场合，并允许用户限制单元数目。用户可以 自主地控制单元的割分质量。 ( 2 ) 材料数据库 材料数据库是包含软件自带的及用户自定义的各种材料属性的数据库。模 型中用到的所有材料的磁、热、电等物理属性都允许添加和编辑，可同时为一 种材料指定磁、热、电等多种物理属性。 ( 3 ) 物理属性定义 物理属性定义是把物理属性( 如材料、电路元件、机械等特性) 分配给已 9 两北t 业大学硕十学位论文 第2 章永磁无刷电机的建模与仿真 经定义好的区域( r e g i o n ) ，并将其与几何模型进行关联： 定义工作空间( 平面或轴对称) 选择模块 把材料属性分配到对应区域 定义源 定义边界条件 2 求解 求解器与具体的应用模块有关，由用户控制求解精度和时间步长。求解器 适合用于三种类型的分析： 交流稳态或静态 瞬态 磁热耦合或电热耦合 3 后处理 后处理器会自动对模型计算结果进行分析和处理，并允许用户对结果进行 屏幕显示、保存或打印等操作，同时允许用户编写子程序处理计算数据，扩展 软件专业应用功能。f l u x 回软件可计算： 节点数据 能量、功率、力矩、力等等 用云图显示参数随时间、位置变化的曲线 磁通密度、磁力线的幅值等等 应用f l u x 软件的仿真步骤如图2 - 1 所示。 图2 1f l u x 软件的仿真步骤 1 0 西北t 业大学硕十学付论文第2 章永磁无刷电机的建模与仿真 2 2 永磁无刷直流电机的建模 2 2 1 永磁无刷直流电机技术指标及电磁参数 1 主要技术指标 额定功率 额定电压 额定转速 工作状态 2 主要尺寸 电枢内径 气隙 电枢外径 极对数 铁心轴向长 磁钢轴向长 3 定子数据 槽数 槽类型 定子槽口宽 定子槽口深 定子槽肩宽 定子槽肩深 定子槽深 定子槽底圆弧的直径 电枢冲片材料 4 转子数据 磁钢磁化方向厚 磁钢内极弧系数 磁钢外极弧系数 转子铁芯外径 1 1 0 0 0 2 7 0 8 0 0 0 长期运行 1 1 9 8 0 1 2 1 5 5 2 1 1 1 1 瓦 伏 转分 厘米 厘米 厘米 厘米 厘米 3 6 开口底半梨形槽 0 2 8厘米 0 0 8 厘米 0 4 5 厘米 0 0 4 9厘米 1 1 6 厘米 0 6 6厘米 d 、 ，3 1 05 0 o 8 o 8 5 o 8 5 7 9 6 厘米 西北t 业大学硕十学伊论文第2 章永磁无刷电机的建模与仿真 转子铁芯内径 3 8 厘米 磁钢材料n s c 2 7 g 磁钢材料密度 8 3克立方厘米 磁轭材料d w 3 1 05 0 磁轭材料密度 7 6克立方厘米 剩余磁感应强度( 1 0 0 0 c ) 9 7 6 0 高斯 磁钢的矫顽力( 1 0 0 0 c )6 7 2 4 奥斯特 转轴材料1 0 号钢 5 绕组与电路 绕组通电形式三相六状态 电子开关形式桥式 每状态导通相数二相 磁状态角 6 0o ( 度) 导通角1 2 0o ( 度) 绕组形式单层 并联支路数 2 并绕根数 8 每极每相槽数 3 以槽数表示的节距9 实际每槽导体数9 实际每相串联匝数 2 7 每相电枢工作状态下电阻0 0 2 8 0 0 9 3欧姆 2 2 2 永磁无刷直流电机的建模 1 建模综述 建立永磁无刷电机模型主要包括定义物理模型、建立几何模型、剖分几何 模型和定义物理属性四大部分。 2 物理模型定义 本研究是对转矩仿真，选择瞬态磁场模块。 西北t 业大学硕十学仲论文第2 章永磁无刷电机的建模与仿真 3 建立几何模型 建立永磁无刷直流电机几何模型步骤如下： ( 1 ) 几何参数： 创建几何参数如表2 - 1 。 表2 - 1 几何参数 名称值注释 b e i a m3 8 2 51 2 倍极弧系数 g a p1 2气隙 u m 8磁极宽度 n p o l e s4极数 n o s l o t s3 6 槽数 p i3 1 4 1 5 9 2 6 5 3 5 8 9 7 9圆周率 r a d l4 7 8 转子半径 r a d 24 9 电枢内半径 r a d 37 7 5 电枢外半径 r a d s h1 6转子铁心内半径 s u 田兀h 3 6 0 ，n s ic r r s每槽所占角度 x 1 s q r t ( r a d 2 r a d 2 1 4 1 4 1 槽参数 x 2x 1 + 0 8 槽参数 x 3 x 2 + 0 2 4 5槽参数 x 4粥+ 1 1 6 槽参数 ( 2 ) 创建坐标系 x y l 为全局坐标系，x y l 0 0 1 和x y l 0 0 2 为局部坐标系，分别表示转子坐标 系和定子坐标系。建立方法如表2 2 。 表2 - 2 坐标系建立 坐标系名称类型区域定义长度单位中心点坐标 旋转角度。 x y l 笛卡尔坐标全域毫米 ( o ，o ) 0 x y l 0 0 1 圆柱坐标局部毫米 ( 0 0 ) 3 6 0 n o p u 强尼 x y l 0 0 2 笛卡尔坐标局部毫米( o ，o ) 3 6 0 n s l o t s 2 旋转角度正方向为逆时针方向，n p o l e s 代表极数，n s l o t s 代表槽数。 本模型3 6 0 n o p l e 2 = 4 5 。几何角度。3 6 0 n s l o t s 2 = 5 。几何角度。 ( 3 ) 创建变换 由于磁极和槽存在着几何对称，建立好一个磁极和槽可通过旋转相应的角 度复制得到整个电机的磁极和槽的模型，创建r o t a t i o n ( 磁极旋转) 和s l o t d u p l i 两北t 业大学硕十学付论文第2 章永磁无刷电机的建模与仿真 ( 槽旋转) 两种变换。创建方法如表2 3 。 表2 - 3 几何变换的建立 名称类犁坐标系中心点 旋转角度。 通过坐标系、中心点和旋 r o d 娜o n x y l 0 0 1 ( o ，o ) 36 l a 甜p o i 正s 转角度定义轴向旋转 通过坐标系、中心点和旋 s l a t d u p ux y l 0 0 1 ( o ，0 ) 3 6 0 n s l o t s 转角度定义轴向旋转 表2 - 3 中3 倒n o p l e = 9 0 几何角度，3 6 0 n s l o t s = 1 0 几何角度。 ( 4 ) 建立点 用己设定的坐标系和参数创建点，创建方法如表2 - 4 所示。 表2 _ 4 点的建立 n u m b e ro fp o i n tc o o r d i n a l e sd e f t n i t i o nv a l u e 1x y ( 0 ，0 ) 2x y l 0 0 1 ( r a d s h ，4 5 ) 3x y l 0 0 1 ( r a d s h ，- 4 5 ) 4x y l 0 0 1 ( r a d l 一l m ，- 4 5 ) 5 x y l 0 0 1 ( r a d l 一l m ，4 5 ) 6x y l 0 0 1 ( r a d l 一l m ，b e t a m ) 7x y l 0 0 1 ( r a m - l m ，- b e t a m ) 8x y l 0 0 1 ( r a d l , 4 5 ) 9x y l o o lr a d l 4 5 、 1 0x y l 0 0 1 ( r a d l ，- b e t a m ) 1 lx y l 0 0 1 ( r a d l ，b e t a m ) 1 2x y l 0 ( ) 2 ( x l ，1 4 ) 1 3 x y l 0 0 2 ( x i ，1 4 ) 1 4x y l 0 0 2 ( x 2 ，- 1 4 ) 1 5x y l 0 0 2 ( x 2 ，1 4 ) 1 6x y l 0 0 2 ( x 3 ，2 2 5 ) 1 7x y l 0 0 2 ( x 3 ，- 2 2 5 ) 1 8x y l 0 0 2 ( x 4 ，3 3 ) 1 9x y l 0 0 2 ( x 4 ，- 3 - 3 ) 8 8x y l ( r a d l + g a p 3 ， 8 9x y l ( r a d i + ( 2 g a p 3 ) ，0 ) 9 0x y l ( 0 , r a d l + g a p 3 ) 9 1x y l ( 0 ，r a d i + ( 2 + g a p 3 ) ) ( 5 ) 连线 将上面建立的9 1 个点连接成线，如图2 - 2 所示。 1 4 西北t 业大学硕士学侍论文第2 章永磁无刷电机的建模与仿真 图2 - 2 连线后的模型 ( 6 ) 变换图形 创建面 旋转转子的1 4 面做磁极旋转r o t a t i o n 变换 旋转槽s i 聊巾u p u ( 7 ) 生成面 ( 8 ) 检查几何模型 永磁无刷电机的几何模型如图2 3 所示。 图2 - 3 永磁无刷直流电机的几何模型 4 剖分模型 f l u x 的剖分器分为自动剖分和辅助剖分。自动剖分是软件自动生成的， 有时并不十分精确。为了精确计算，可以采用辅助剖分，由用户自行设定剖分 精度，本电机模型采用的是辅助剖分。 西北t 业大学硕十学何论文第2 章永磁无刷电机的建模与仿真 辅助剖分包括点剖分和线剖分，点剖分值表示剖分点之间的距离；线剖分 值表示一条线段的剖分点数目。剖分后的面域有两种类型分别是三角形和四边 形。本研究样机是采用点剖分剖成三角形面域。模型的剖分原则是磁场变化大 的区域需要细剖，反之则可粗剖。本电机中气隙中磁场变化大，需要细剖。将 气隙点剖分值设定为1 3 气隙的宽度，剖分效果如图2 _ 4 所示。其他部分分别定 义不同的点剖分值，如齿和槽的剖分点值偏小，电机定子边缘剖分点值偏大。 电机模型剖分后结果如图2 5 所示。 图2 - 4 气隙及齿槽部分剖分图2 - 5 永磁无刷直流电机的剖分后几何模型 5 材料设定1 4 4 1 ( 1 ) 定子磁轭和转子磁轭的材料是d w 3 1 05 0 ，其磁化曲线如图2 - 6 所示： 图2 - 6 材料d w 3 1 05 0 磁化曲线图 ( 2 ) 转轴材料是1 0 号钢，其磁化曲线如图2 - 7 所示： 1 6 两北丁业大学硕十学竹论文第2 章永磁无刷电机的建模与仿真 图2 - 7 材料1 0 号钢磁化曲线图 ( 3 ) 磁钢材料是n s c 2 7 g ，需要定义两种属性 剩磁密度0 9 7 6t ( 1 0 0 。c ) 相对磁导率1 4 5 1 5 2( 1 0 0 c ) 永磁体为径向充磁。设定方法如图2 8 所示： 图2 - 8 永磁体的充磁方向 6 机械属性设定 机械属性设定分固定( f i x ) 、可压缩( c o m p r e s s i b l e ) 和转动( m o b i l e ) 三种。 ( 1 ) 固定( f ) 的设定方法：如图2 - 9 所示： 机械属性名称：f i x 机械属性类型：f i x e d m e c h a n l c a ! 搴戚n a m e f i xl c o m m e r d 二= 二二二二二二= 二二二二二二二= 二二二二 t y p eo f m e c h a n l c e 8 i 莹l + 一一 一。_。“1。“ f i x e d，f 图2 - 9 机械属性固定的设定 西北工业大学硕+ 学竹论文第2 章永磁无刷电机的建模与仿真 ( 2 ) 可压缩( c o m p r e s s i b l e ) 的设定方法：如图2 1 0 所示。 机械属性名称：c o m p r e s s i b l e 机械属性类型：c o m p r e s s i b l e 翱e c h a n i c a fs e tn a m e lc o m p r e s s i b l ei c o m m e n t ，t y p eo f m e c h a n l c a ts e t “” 一 4“ 1 l r 一一- - - - - - - - * * 1 s | c o m p r e s s i b l ei 。 ，u s e dm e t h o dl ot a k et h em o t i o nj n t oa c c o u n | v 一 4；f。-+_13 ； i 塑塑! ! ! ! ! 鲤塑! ! ! e ! ! ! ! ! 盟! ! ! ! ! 塑! 塑! ! ! g ! ! 堂= i t”、“”“ ”一“。”。”“”、“一。、 图2 - 1 0 机械属性可压缩的设定 ( 3 ) 转动( m o b i l e ) 的设定方法：针对由齿槽因素引起的转矩脉动和由电 磁换相因素引起的转矩脉动的研究，转动需分两种方法设定。 在研究由齿槽引起的转矩脉动时设定电机恒速旋转，来研究转子所受力 矩大小的变化。设定恒转速为2 0 0 r m i n ，机械属性设定方法如图2 1 1 所示。 机械属性名称：m o b i l e 机械属性类型：r o t a t i o na r o u n do r ea x i s 运动属性类型：i m p o s e ds p e e d 转速：2 0 0 r m i n m e c h a n i c a lg e tn a m e + 一。1”。-。-_h_“_自_。_-_-。_-_。_-_-、-dhh_hh_。_。_-_-_-_-_hh_v_-_h-h_hhh。_一 m o b i l e c o m m e n t t y p eo f m e c h a n l e a ts e t l 匝匦画画西五匠二二二二二二二二二二二二二二二二 柏s k i n e m a b c s 、 弋档e 链k l n e m a t l c s 匦匠蕊逦正二二二二二二二二二二二二二二二二 o e n e r a lii n t e r n a lc h a r a c t e n s t i c s | e x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i c s i , m e c h a m c e ts t o p s | v e i o c 肿( r p m ) 一一一+“+1。“。“。”。”。+“+”。“。“。“”。11”。 l ! ? ! 一j 曼璺苎也! ! 塾! 堕! ! ! ! ! l 鳇啦： 图2 - 1 1 机械属性恒速旋转设定 1 8 西北t 业大学硕十学付论文第2 章永磁无刷电机的建模与仿真 i i i 在研究电磁换相因素引起的转矩脉动时设定电机受电路控制而旋转，设 定方法如图2 - 1 2 所示。与上述不同之处在于运动属性，并且给出初始时刻的速 度和位置。 机械属性名称；m o b i l e 机械属性类型：r o t a t i o na r o u n do n ea x i s 运动属性类型：c o u p l e dl o a d t = o 时刻的转速：0r m i n， t = 0 时刻的机械角度：0 。 m e e h a n l c a is e t n a m e r 一一。“_ _ _ _ _ _ _ _ - _ 1 | m o b i l ei o * - - - - - - - - - * - - - - - - - - - - - - - - - - - - + 。，。j c o m m e n t 图2 - 1 2 机械属性耦合旋转设定 定予磁轭和槽的机械属性设定为固定( f i x ) ；气隙分三层：靠近定子层为