電動(dòng)輪椅永磁盤(pán)式電機(jī)有限元分析

鄒 文， 邵大偉， 張 鋼, 陳阿三， 張 全

(1. 上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072；2. 沈陽(yáng)普泰安科技有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000；3. 寧波韻升股份有限公司 中央研究院，浙江 寧波 315040)

電動(dòng)輪椅永磁盤(pán)式電機(jī)有限元分析

鄒 文1,3， 邵大偉2， 張 鋼1, 陳阿三3， 張 全1,3

(1. 上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072；2. 沈陽(yáng)普泰安科技有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000；3. 寧波韻升股份有限公司 中央研究院，浙江 寧波 315040)

基于低頻電磁場(chǎng)有限元分析軟件Ansoft Maxwell，對(duì)一電動(dòng)輪椅用永磁盤(pán)式電機(jī)進(jìn)行3D建模與電磁場(chǎng)分析，分別就其空載氣隙磁密、齒槽轉(zhuǎn)矩、空載反電勢(shì)、空載漏磁系數(shù)及軸向吸力進(jìn)行了詳細(xì)探討，并試制了一臺(tái)樣機(jī)用于測(cè)試。對(duì)比仿真與測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性。相關(guān)的仿真研究，可為同類盤(pán)式電機(jī)的分析設(shè)計(jì)提供參考。

電動(dòng)輪椅； 永磁盤(pán)式電機(jī)； 有限元分析

0 引 言

隨著我國(guó)人口老齡化進(jìn)程的加快，以及因生產(chǎn)事故、交通事故等因素導(dǎo)致的殘疾人口的增加，用于老年人士、殘疾人士的電動(dòng)輪椅的開(kāi)發(fā)及生產(chǎn)日漸得到了大家的重視。其中尤以輪椅電驅(qū)動(dòng)關(guān)鍵部件的研發(fā)備受關(guān)注。永磁盤(pán)式電機(jī)因其具有軸向尺寸短、結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)矩重量比大、低速運(yùn)行平穩(wěn)、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化及航空航天業(yè)。此外，該類電機(jī)可以很方便地制成多氣隙組合式以及多對(duì)極結(jié)構(gòu)，可進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)矩、降低轉(zhuǎn)速。這些都使得它特別適合應(yīng)用于電動(dòng)輪椅類低轉(zhuǎn)速、大扭矩驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合[1]。

針對(duì)電動(dòng)輪椅的低速大扭矩、高可靠性與經(jīng)濟(jì)性等特殊要求，電動(dòng)輪椅采用一單轉(zhuǎn)子單定子盤(pán)式電機(jī)驅(qū)動(dòng)。鑒于此類電機(jī)的軸向磁拉力的作用，需要相應(yīng)軸承與之配合使用。由于盤(pán)式電機(jī)獨(dú)特的三維磁路結(jié)構(gòu)，決定了對(duì)盤(pán)式電機(jī)的電磁場(chǎng)分析必須使用3D有限元模型，才能精確地模擬電機(jī)內(nèi)部的電磁場(chǎng)。應(yīng)用Ansoft Maxwell 3D模塊建立單轉(zhuǎn)子單定子永磁盤(pán)式電機(jī)模型，并對(duì)該電機(jī)進(jìn)行電磁場(chǎng)分析，通過(guò)仿真結(jié)果來(lái)預(yù)估所設(shè)計(jì)的電機(jī)性能，從而降低研發(fā)成本，試制了一臺(tái)樣機(jī)用于電機(jī)測(cè)試。對(duì)比仿真與測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性。相關(guān)的仿真可為盤(pán)式電機(jī)電磁分析提供參考，同時(shí)為盤(pán)式電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)。

1 永磁盤(pán)式電機(jī)電磁場(chǎng)分析

按照定轉(zhuǎn)子數(shù)量的不同，盤(pán)式電機(jī)可分為單轉(zhuǎn)子單定子結(jié)構(gòu)、單轉(zhuǎn)子雙定子結(jié)構(gòu)、雙轉(zhuǎn)子單定子結(jié)構(gòu)及多轉(zhuǎn)子多定子結(jié)構(gòu)[2]。在設(shè)計(jì)之初，除了考慮上述因素外，還需兼顧定子與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)等。其中，定子結(jié)構(gòu)主要指的是平行槽結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1)與平行齒結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2)，而轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)主要指的是磁鋼結(jié)構(gòu)。平行槽結(jié)構(gòu)的定子大都由專用卷沖設(shè)備一次成型，邊沖邊卷，也可先卷制后機(jī)加工。平行齒結(jié)構(gòu)一般采用先卷制后機(jī)加工的工藝，或者定子齒與定子軛分塊制造，而后拼裝并用環(huán)氧樹(shù)脂固化處理[3]。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖3所示，方形磁鋼、梯形磁鋼及環(huán)形磁鋼因其制造成本低且加工方便而常被使用。

圖1 平行槽結(jié)構(gòu)

圖2 平行齒結(jié)構(gòu)

圖3 轉(zhuǎn)子磁鋼結(jié)構(gòu)

1.1 電機(jī)基本參數(shù)

通過(guò)對(duì)輪椅的起動(dòng)特性、勻速運(yùn)行特性、加速特性、爬坡特性的分析，以及參考電動(dòng)輪椅國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB12996—1991，得出輪椅驅(qū)動(dòng)運(yùn)行相關(guān)的參數(shù)如功率、轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速等。結(jié)合電機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況，綜合考慮電機(jī)驅(qū)動(dòng)性能及制造工藝的復(fù)雜程度，將單轉(zhuǎn)子單定子盤(pán)式電機(jī)的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)歸納如表1所示。

表1 盤(pán)式電機(jī)基本參數(shù)

1.2 模型及電磁場(chǎng)分析的幾點(diǎn)假設(shè)

(1) 對(duì)定子及轉(zhuǎn)子部分圓角、倒角等細(xì)微之處作近似處理；

(2) 忽略加工及裝配誤差對(duì)結(jié)構(gòu)的影響；

(3) 永磁體軸向均勻磁化，并將電機(jī)填充實(shí)體部分如環(huán)氧樹(shù)脂等等效成空氣。

1.3 空載氣隙磁密分析

氣隙是電機(jī)進(jìn)行電能與機(jī)械能轉(zhuǎn)換的所在，也是磁路設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。傳統(tǒng)的氣隙磁密計(jì)算往往是先預(yù)估或查表得出漏磁系數(shù)，預(yù)選永磁體工作點(diǎn)，然后進(jìn)行磁路計(jì)算，最終校核永磁體工作點(diǎn)[4]。由于盤(pán)式電機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)，其氣隙磁密不僅沿周向變化，且徑向磁密也是變化的，故其難以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算準(zhǔn)確地獲得氣隙磁密，而必須采用3D數(shù)值有限元分析。單轉(zhuǎn)子單定子盤(pán)式電機(jī)一對(duì)極下3D氣隙磁密分布如圖4所示。其氣隙磁密在圓周方向呈現(xiàn)出近似正弦分布，而在徑向方向呈現(xiàn)近似梯形分布，平均磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.6T。實(shí)際上，定性要求時(shí)為了簡(jiǎn)化處理，可分別分析平均半徑處的周向氣隙磁密分布規(guī)律和極中心處的徑向磁密分布規(guī)律，即可以基本上得出真實(shí)的氣隙磁場(chǎng)分布情況。

圖4 氣隙磁密分布

1.4 齒槽轉(zhuǎn)矩分析

永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩由電機(jī)的物理結(jié)構(gòu)引起，是永磁電機(jī)繞組不通電時(shí)轉(zhuǎn)子永磁體和定子鐵心之間的相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，更確切地說(shuō)是永磁體與電樞齒槽結(jié)構(gòu)之間相互作用力的切向分量的波動(dòng)引起的一種振蕩轉(zhuǎn)矩。這種作用力試圖將電樞齒和永磁體的位置保持對(duì)齊，并且該轉(zhuǎn)矩與繞組通電與否無(wú)關(guān)，即使繞組中沒(méi)有電流，這種轉(zhuǎn)矩也會(huì)存在[5]。由于單轉(zhuǎn)子單定子盤(pán)式電機(jī)的定子部分使用了開(kāi)槽的鐵心結(jié)構(gòu)，不可避免地會(huì)產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩，引起噪聲和振動(dòng)，以及速度和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，從而影響電機(jī)的控制及輪椅的舒適性，故在盤(pán)式電機(jī)設(shè)計(jì)階段必須將齒槽轉(zhuǎn)矩限制在一定的范圍內(nèi)。

應(yīng)用Ansoft Maxwell 3D瞬態(tài)場(chǎng)仿真齒槽轉(zhuǎn)矩時(shí)，需在不加激勵(lì)時(shí)設(shè)置較低的轉(zhuǎn)速(一般取1deg/s)，并且要加密定子齒部、永磁體及氣隙處的網(wǎng)格，因?yàn)辇X槽轉(zhuǎn)矩對(duì)網(wǎng)格比較敏感。然而，對(duì)于氣隙網(wǎng)格的劃分，最重要的是合理處理band處的網(wǎng)格，故需將氣隙分層劃分網(wǎng)格且適當(dāng)加密，直至前后兩次分析結(jié)果相差在0.5%以內(nèi)，即計(jì)算結(jié)果基本與網(wǎng)格無(wú)關(guān)。由文獻(xiàn)[6]可知，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一圈出現(xiàn)齒槽轉(zhuǎn)矩的基波周期數(shù)等于定子槽數(shù)和轉(zhuǎn)子極數(shù)的最小公倍數(shù)LCM(Z，2P)，故轉(zhuǎn)子齒槽轉(zhuǎn)矩的基波周期數(shù)為2π/LCM(24,16)=7.5°。圖5為單轉(zhuǎn)子單定子盤(pán)式電機(jī)仿真齒槽轉(zhuǎn)矩分布圖。其基波周期數(shù)為7.5°，與理論值相吻合，而最大值為105mN·m，為額定轉(zhuǎn)矩的6%，故需對(duì)其齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后齒槽轉(zhuǎn)矩為25mN·m，為額定轉(zhuǎn)矩的1.4%。對(duì)于伺服電機(jī)，通常需將其限定在額定轉(zhuǎn)矩的0.5%以內(nèi)，而對(duì)于輪椅驅(qū)動(dòng)，由于機(jī)械慣性，可將其適當(dāng)?shù)胤糯蟮筋~定轉(zhuǎn)矩的3%以內(nèi)。

圖5 齒槽轉(zhuǎn)矩分布

1.5 空載反電勢(shì)分析

盤(pán)式電機(jī)的空載反電勢(shì)解析式為

(1)

額定轉(zhuǎn)速下的空載相反電勢(shì)波形如圖6所示。峰值為8.3V，繞組反電勢(shì)波形分布及對(duì)稱性較好。對(duì)空載反電勢(shì)進(jìn)行傅里葉分析，基波頻率為p·n/60=8×650/60=86.67Hz，幅值為6.5118V，諧波含量比較低。因繞組為星型連接，則3次及3的倍數(shù)次諧波會(huì)相互抵消。

圖6 空載反電勢(shì)

1.6 空載漏磁系數(shù)

空載漏磁系數(shù)σ0為電機(jī)空載情況下永磁體向外磁路提供的總磁通與外磁路的主磁通之比，表現(xiàn)為空載時(shí)永磁體向外磁路提供的總磁通的有效利用程度，換言之，表明了永磁體的利用率[7]?？蛰d漏磁系數(shù)也在一定程度上反映了永磁體抗去磁的能力?？蛰d漏磁系數(shù)大，表明對(duì)電樞反應(yīng)的分流作用大，電樞反應(yīng)對(duì)永磁體兩端的實(shí)際作用值的磁動(dòng)勢(shì)就越小，永磁體的抗去磁能力就強(qiáng)?？蛰d漏磁系數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)算需要求解永磁同步電機(jī)的三維磁場(chǎng)，綜合電機(jī)空載時(shí)的磁矢量云圖(見(jiàn)圖7)、磁鋼三維磁密曲線圖及磁鏈曲線圖(見(jiàn)圖8)，根據(jù)式(2)，可求出此電機(jī)空載漏磁系數(shù)為1.5。

(2)

1.7 空載軸向力分析

單轉(zhuǎn)子單定子盤(pán)式電機(jī)因其轉(zhuǎn)子磁鋼與定子鐵心之間的相互作用，不可避免地產(chǎn)生軸向磁吸力。故在安裝盤(pán)式電機(jī)時(shí)需要裝備相應(yīng)的工裝夾具，如圖9所示。裝配時(shí)需將轉(zhuǎn)子端部與推柄端盤(pán)用螺紋固定，然后推動(dòng)推柄以克服電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子間的吸力，方便定子與轉(zhuǎn)子的裝配。仿真得出需克服的軸向力為58.578N。

圖7 電機(jī)磁矢量云圖

圖8 磁鏈分布圖

圖9 電機(jī)裝配工裝

2 試驗(yàn)測(cè)試與仿真對(duì)比

針對(duì)仿真分析結(jié)果，試制了一款樣機(jī)，并搭建了相應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試系統(tǒng)如圖10所示，由電機(jī)測(cè)試工裝夾具、聯(lián)軸器、對(duì)拖電機(jī)、盤(pán)式電機(jī)、盤(pán)式電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及相應(yīng)的控制柜組成。測(cè)量到盤(pán)式電機(jī)的線反電勢(shì)波形如圖11所示，反電勢(shì)波形分布及對(duì)稱性較好，峰值為14.25V，換算成相電壓峰值為8.23V，與仿真反電勢(shì)相電壓幅值相差0.84%，所以測(cè)試結(jié)果與仿真值較吻合。

圖10 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

圖11 額定轉(zhuǎn)速反電勢(shì)波形

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)應(yīng)用Ansoft Maxwell對(duì)一輪椅用盤(pán)式電機(jī)的電磁場(chǎng)進(jìn)行三維有限元仿真，分別對(duì)電機(jī)空載氣隙磁密、齒槽轉(zhuǎn)矩、空載反電勢(shì)、空載漏磁系數(shù)及軸向力進(jìn)行了詳細(xì)分析，結(jié)果表明： 此電機(jī)滿足設(shè)計(jì)要求。仿真結(jié)果也可為同類電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)和優(yōu)化研究提供一定的思路與參考。

[1] GIERAS J, WANG R J, KAMPER M J. Axial Flux Permanent Magnet Brushless Machines[M]. Berlin: Springer Netherlands,2008.

[2] 杜智明.盤(pán)式低速永磁同步電機(jī)電磁場(chǎng)分析[D].天津： 天津大學(xué)，2007.

[3] 鄒文，竺韻德，張鋼，等.基于Ansoft Maxwell的盤(pán)式永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].微特電機(jī)，2015,43(12)： 10-13.

[4] 王凌峰.盤(pán)式永磁無(wú)刷直流電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)[D].杭州： 浙江大學(xué)，2005.

[5] 王秀和.永磁電機(jī)[M].北京： 中國(guó)電力出版社，2007.

[6] 劉婷.表貼式永磁同步電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩削弱方法研究[D].長(zhǎng)沙： 湖南大學(xué)，2012.

[7] 唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)[M].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社,1997.

Finite Element Analysis of Disc-Type Permanent Magnet Motor for Electrical Wheelchair

ZOUWen1，3,SHAODawei2,ZHANGGang1,CHENAsan3,ZHANGQuan1,3

(1. College of Mechatronic Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai 200072, China; 2. Shenyang P.T. Security Technology Co., Ltd., Shenyang 110000, China; 3. Central Research Academy, Ningbo Yunsheng Co., Ltd., Ningbo 315040, China)

Based on the low frequency electromagnetic analysis software Ansoft Maxwell, a disc-type permanent magnet motor applied for the driving of electrical wheelchair was modeled and analysed three dimensionally. And then the analysis result was discussed simultaneously mainly focus on the motor without load. Meanwhile, a prototype was also fabricated for the testing experiment and comparison of the simulation result was explored and validate. While the analys was process could provided some guidance for the related disc-type motor design.

electrial wheel chair； disc-type permanent magnet motor； finite element analysis(FEA)

鄒 文(1990—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)橛来疟P(pán)式電機(jī)設(shè)計(jì)與控制。

TM 351

A

1673-6540(2017)02- 0083- 04

2016-01-19