【《可穿戴式水下推进装置水下驱动电机设计案例分析》9000字】

可穿戴式水下推进装置水下驱动电机设计案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u4886可穿戴式水下推进装置水下驱动电机设计案例分析 )但是本电机的使用环境为水下，具有更好的散热条件，因此对于较大电流的情况，具有相比于空气环境中具有较高的电流上限值。为保证在400W功率条件下电机稳定温升范围不使铜线融化，需要对其水下运行情况进行仿真。得益于Ansys分别拥有用于电机电磁设计的Maxwell和用于计算流体力学仿真的Fluent，可以在Workbench中将Maxwell生成的如图REFpic2电机三维模型\h2.5所示的几何模型，直接导入Fluent中的mesh模块进行网格划分，同时可以将Maxwell中的生成的损耗报告导入Fluent中作为能量源进行热仿真。几个模块的关系如图REFpic8联合仿真\h2.11所示。图STYLEREF1\s2.SEQpic\s111Workbench中Maxwell与Fluent联合仿真将Maxwell生成的几何模型导入到Fluent的几何体Geometry模块时，还需要为其增加用于流体仿真的流体域。Maxwell生成的几何模型事实上会与实际情况有差别，如电机的定子、转子和铜线等会放置在具有更大厚度的空间中，因此仿真结果会存在一定误差。但是本仿真的目的是为验证电机的稳定温升在合理范围内，因此允许较大误差，后期将会采用实验方法进行验证。图STYLEREF1\s2.SEQpic\s112电机位于流体域中选择的电机模型网格生成后导入Fluent进行边界条件设置。打开energy设置，流动模型选择湍流模式，使用RNG模型。将流体域材料选择为液态水，电机定子、转子等材料选择为铁，铜线材料选为铜。设置边界条件为：流体域进口选择速度边界条件Velocity-in，进口的液体流速设置为10m/s，流体域出口为普通压力边界条件Pressureout，该边界条件模拟管道类型的环境，与水下推进装置相近。后设置电机模型的外围部分即环壁面为自然对流边界条件，输入水的表面换热系数，完成边界条件的设置。后导入Maxwell生成的电机损耗数据，总损耗为99W，与表REFtab电机主要性能参数\h2.4相近。初始化后进行200次迭代运算，得到电机整体的温度分布云图如图REFpic12电机温度分布云图\h2.13所示。图STYLEREF1\s2.SEQpic\s113电机温度分布云图在该图中，可以看到最大温度为350K，即稳定温升为，该结果与一些常用的水下电机相近。考虑到仿真所使用的电机模型为Maxwell直接生成的模型，定子外圆周面直接与水体进行对流换热，因此具有良好的散热效果。但是在实际过程中，定子外围还会增加一层外壳，因此会使得散热效果递减，使得稳定温升提高，但是在正常工作条件下，铜线能够忍受的温度较高，如漆包线的熔点为。因此本仿真结果显示即便在实际情况中，电机也还是能够正常运作。电机控制方案RMxportDesign模块可根据电机运行的情况在生成Maxwell2D或Maxwell3D时生成无刷直流电机的基本控制电路如图REFpic10控制电路图\h2.14。该控制电路采用三相桥式控制，能尽可能减少反电动势中的谐波，提高电机的运转性能。电路中最重要的控制区域为中间的逆变桥电路，采用特定DSP控制芯片，通过位置传感器反馈的信息确认电路换向时间，实现电机控制。位置传感器采用旋转变压器置于电机轴的轴端，其结构类似于小电机，同样分为定子和转子，即可反馈转子的相对位置信息。图STYLER