基于ANSYS電機(jī)磁場(chǎng)分析與試驗(yàn)研究

祁 瑞，曾 紅，張志華

基于ANSYS電機(jī)磁場(chǎng)分析與試驗(yàn)研究

祁 瑞1，曾 紅1，張志華2

（1.遼寧工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 錦州 121001；2.錦州漢拿電機(jī)有限公司，遼寧 錦州 121001）

為了能夠滿足CVVL技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)在高速區(qū)和低速區(qū)氣門升程調(diào)節(jié)的要求，通過(guò)電機(jī)主要尺寸設(shè)計(jì)了一款永磁無(wú)刷直流電機(jī)，并運(yùn)用ANSYS軟件中RMxprt和Maxwell模塊對(duì)該電機(jī)進(jìn)行了磁場(chǎng)分析，最后試驗(yàn)驗(yàn)證了電機(jī)在規(guī)定負(fù)載量下電流和轉(zhuǎn)速等情況，結(jié)果表明：該電機(jī)能夠滿足在規(guī)定轉(zhuǎn)矩下的性能要求，仿真和試驗(yàn)?zāi)軌蛭呛稀?/p>

CVVL電機(jī)；RMxprt；Maxwell；永磁直流無(wú)刷電機(jī)；電磁分析

連續(xù)可變氣門升程技術(shù)(continuously variable valve lift，CVVL)通過(guò)控制進(jìn)氣門升程起到與節(jié)氣門相同的調(diào)節(jié)缸內(nèi)充量的作用, 它能夠調(diào)節(jié)氣門升程大小，使發(fā)動(dòng)機(jī)在高速區(qū)和低速區(qū)都能得到滿足需求的氣門升程，從而改善發(fā)動(dòng)機(jī)高速功率和低速扭矩，顯著減少泵氣損失[1]。傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的傳統(tǒng)配氣機(jī)構(gòu)升程是固定不變的，而發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況對(duì)氣門升程要求是不同的。高速大負(fù)荷工況需要?dú)忾T升程大、持續(xù)期長(zhǎng)，低速小負(fù)荷工況需要?dú)忾T升程小、持續(xù)期短[2]。而傳統(tǒng)的配氣機(jī)構(gòu)只能使發(fā)動(dòng)機(jī)某特定工況達(dá)到最優(yōu)，無(wú)法滿足所有的工況。CVVL技術(shù)就是解決了這一問(wèn)題，它能夠調(diào)節(jié)氣門升程大小，使發(fā)動(dòng)機(jī)在高速區(qū)和低速區(qū)都能得到滿足需求的氣門升程，從而改善發(fā)動(dòng)機(jī)高速功率和低速扭矩。

CVVL技術(shù)的發(fā)展目前不是很成熟，其傳動(dòng)部分可基本滿足工況需要，而電機(jī)部分難以達(dá)標(biāo)。該機(jī)構(gòu)的主要?jiǎng)恿娃D(zhuǎn)矩輸出端為電機(jī)部分，電機(jī)部分要求在規(guī)定負(fù)載量的情況下，電流和速度需要滿足一定標(biāo)準(zhǔn)，而現(xiàn)有的滿足要求電機(jī)十分稀缺，因此設(shè)計(jì)并研究CVVL電機(jī)部分是當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的需要。

本文針對(duì)CVVL機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，并設(shè)計(jì)CVVL電機(jī)部分。設(shè)計(jì)電機(jī)大體通過(guò)理論計(jì)算、RMxprt軟件進(jìn)行分析和參數(shù)化設(shè)計(jì)，并通過(guò)Maxwell軟件進(jìn)行電磁分析，最后與實(shí)際生產(chǎn)手工樣機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

1 CVVL機(jī)構(gòu)分析

1.1 CVVL機(jī)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)

CVVL機(jī)構(gòu)可分為兩部分，傳動(dòng)部分和電機(jī)部分，傳動(dòng)部分主要由蝸輪機(jī)構(gòu)、凸輪軸、偏心軸、中間擺臂、搖臂、連接臂等部件構(gòu)成。

本文設(shè)計(jì)的CVVL電機(jī)為永磁無(wú)刷直流電機(jī)，主要由蝸桿軸、轉(zhuǎn)子、定子、位置傳感器、軸承、機(jī)殼、鑄鋁前蓋和電驅(qū)繞組等部件組成。

1.2 CVVL機(jī)構(gòu)工作原理

車輛發(fā)動(dòng)機(jī)在不同的工況狀態(tài)下，CVVL電機(jī)收到不同的控制信號(hào)后轉(zhuǎn)動(dòng)到不同的角度位置，電機(jī)轉(zhuǎn)子軸前端為蝸桿，蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)相配合的蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)。而蝸輪相繼帶動(dòng)偏心軸旋轉(zhuǎn)相應(yīng)角度，偏心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)使得連接臂產(chǎn)生位移，進(jìn)一步改變中間擺臂弧面工作段與搖臂接觸位置，在凸輪軸驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)氣門升程開(kāi)啟大小的連續(xù)可變[3]。結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 CVVL結(jié)構(gòu)基本原理

偏心軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，調(diào)節(jié)臂推動(dòng)中間擺臂向左運(yùn)動(dòng)，升程變小，偏心軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，調(diào)節(jié)臂推動(dòng)中間擺臂向右運(yùn)動(dòng)，升程變大。

2 電機(jī)設(shè)計(jì)流程和理論計(jì)算

2.1 CVVL電機(jī)設(shè)計(jì)主要流程

設(shè)計(jì)電機(jī)流程如圖2所示。

2.2 電機(jī)主要尺寸的計(jì)算

對(duì)于直流電機(jī)，計(jì)算功率為[4]：

式中：Ea為電樞繞組的電動(dòng)勢(shì)；Ia為電樞繞組的電流。

而電樞繞組的電動(dòng)勢(shì)E可以按照如下方程計(jì)算：

式中：為極對(duì)數(shù)；為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min；N為電樞繞組的總導(dǎo)體數(shù)；為電樞繞組的并聯(lián)支路對(duì)數(shù)；為每極磁通。

而每極磁通

式中：B為氣隙磁通密度的最大值，通常簡(jiǎn)稱為氣隙磁密；a＇為計(jì)算極弧系數(shù)：

其中，B為氣隙平均磁密；l為電樞的計(jì)算長(zhǎng)度；為極距，與電樞直徑的關(guān)系為：

而線負(fù)荷[5]：

綜上，整理后得：

到此，得到了直流電機(jī)的主要尺寸和計(jì)算功率、轉(zhuǎn)速、電磁負(fù)荷和電機(jī)常數(shù)C之間的關(guān)系。

2.3 確定主要尺寸的方法

為了反應(yīng)電機(jī)的幾何形狀關(guān)系和幾何形貌，采用主要尺寸比的概念[6]，關(guān)系式如下：

主要尺寸比的大小與電機(jī)的性能、經(jīng)濟(jì)型和工藝性等都有著密切的聯(lián)系或一定的影響。

首先，依據(jù)CVVL電機(jī)的額定功率P，通過(guò)公式計(jì)算出計(jì)算功率'：

式中：K為考慮電動(dòng)機(jī)的電樞壓降和并勵(lì)繞組電流而引入的系數(shù)，η為額定負(fù)載時(shí)電動(dòng)機(jī)的效率。

然后，依據(jù)計(jì)算功率'和電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，結(jié)合CVVL電機(jī)工作環(huán)境和特點(diǎn)，利用推薦數(shù)據(jù)或曲線選取電磁負(fù)荷、B，代入式(7)中即可計(jì)算出2l。參考推薦數(shù)據(jù)和相關(guān)資料，選取適當(dāng)?shù)模煞謩e計(jì)算出主要尺寸和電樞計(jì)算長(zhǎng)度l，擬定的基本參數(shù)如表1所示。

表1 初始參數(shù)

參考同類電機(jī)和查閱文獻(xiàn)，選定電機(jī)定子槽數(shù)=12，極對(duì)數(shù)為=7。根據(jù)上述計(jì)算出主要尺寸后，依照實(shí)際工況選定其他幾何參數(shù)尺寸。

其中定子和轉(zhuǎn)子的鐵芯材料分別為50w270和50w470，轉(zhuǎn)子永磁體磁鋼材料為釹鐵硼，型號(hào)為N38UH T，定子繞組線規(guī)為Φ1.05（含漆皮Φ1.1）。

3 ANSYS軟件電機(jī)設(shè)計(jì)

3.1 導(dǎo)入數(shù)據(jù)并仿真分析

將確定的參數(shù)和依據(jù)經(jīng)驗(yàn)等初定的參數(shù)依次輸入至ANSYS中RMxprt模塊并進(jìn)行初步的仿真分析。如圖3所示，電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和電樞繞組結(jié)構(gòu)可直觀查看。

圖3 電機(jī)基本結(jié)構(gòu)和電樞繞組結(jié)構(gòu)

大體過(guò)程為：

(1)創(chuàng)建項(xiàng)目，包括選擇電機(jī)類型、添加材料庫(kù)、定義線規(guī)等；

(2)設(shè)置電機(jī)參數(shù)，包括設(shè)置Machine項(xiàng)、Stator項(xiàng)、Rotor項(xiàng)等電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子相關(guān)參數(shù)；

(3)設(shè)置仿真參數(shù)，可定義的內(nèi)容有負(fù)載類型額定電壓等參數(shù)；

(4)求解及查看結(jié)果。通過(guò)RMxprt軟件分析，電機(jī)在12v電壓狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩等CVVL仿真曲線如圖4所示，在模擬電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，轉(zhuǎn)子輸出轉(zhuǎn)矩趨于穩(wěn)定區(qū)域。

圖4 電機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線

在電機(jī)空載狀態(tài)為例，圖5顯示的數(shù)據(jù)為空載狀態(tài)的仿真結(jié)果，通過(guò)分析在空載狀態(tài)，可以得出空載速度可達(dá)6576.72 r/min平均氣隙磁密約為1.09t等結(jié)論，仿真數(shù)據(jù)和理想的對(duì)比，吻合度較高，可以作為參考依據(jù)。

圖5 仿真參數(shù)

3.2 RMpxrt參數(shù)化設(shè)計(jì)

對(duì)于不滿足性能的結(jié)果，可以針對(duì)某一參數(shù)定義范圍，在該范圍內(nèi)的變化查看仿真分析結(jié)果，并找到最優(yōu)解，找到該參數(shù)的最佳值。

下面以定子槽齒靴高Hs2為優(yōu)化參數(shù)，進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。首先在對(duì)應(yīng)的參數(shù)位置處建立變量hs2x，如圖6所示。

圖6 設(shè)置參數(shù)

在仿真設(shè)置中，選擇上述變量為參數(shù)化設(shè)計(jì)的變量，并對(duì)其進(jìn)行范圍設(shè)置。本文設(shè)置的變化范圍是5.0 mm至6.4 mm，步長(zhǎng)為0.2 mm。

分析求解，并查看結(jié)果，可查看出不同取值下的分析結(jié)果，也可查看到該參數(shù)變化范圍內(nèi)連續(xù)變化對(duì)轉(zhuǎn)矩或效率等的影響。由圖7曲線變化可得，齒槽轉(zhuǎn)矩與該變量的變化成正比。根據(jù)參數(shù)化設(shè)計(jì)找到該變量的最佳取值范圍，再根據(jù)規(guī)定選取該參數(shù)值，根據(jù)分析可以得到在6.2mm點(diǎn)處，曲線的曲率發(fā)生變化，因此電機(jī)定子槽齒靴高Hs2的值越小越好。

圖7 參數(shù)變量對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響

3.3 Maxwell模塊電磁分析

將上述修正完畢的參數(shù)值導(dǎo)入Maxwell模塊，并生成2D電機(jī)模型。將設(shè)計(jì)好的電機(jī)模型進(jìn)行有限元分析，求解查看結(jié)果。

圖8 磁力線分布圖（上）磁密分布圖（下）

如圖8所示，顯示的是瞬態(tài)的磁場(chǎng)分析后的磁力線分布圖和磁密分布圖，圖中選取0.004s時(shí)刻電機(jī)狀態(tài)。通過(guò)云圖可以觀察到電機(jī)在該時(shí)間狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到的位置角度，氣隙磁密幅值等與理想值相差情況，并可得知轉(zhuǎn)子在該時(shí)間節(jié)點(diǎn)下與定子的電磁作用狀態(tài)良好。

4 CVVL電機(jī)測(cè)試試驗(yàn)

4.1 電機(jī)測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)

基于上述CVVL電機(jī)準(zhǔn)備，制作樣機(jī)，并準(zhǔn)備測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)、負(fù)載轉(zhuǎn)矩機(jī)、電源、驅(qū)動(dòng)器等。

由上位機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、電源、電機(jī)霍爾傳感器依次接線連接，如圖8所示。

圖9 CVVL電機(jī)（左）試驗(yàn)臺(tái)（右）

4.2 樣機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)

將電機(jī)接入電源，安裝在試驗(yàn)臺(tái)上，將電機(jī)的轉(zhuǎn)子輸出端與可連續(xù)增加負(fù)載的扭矩機(jī)相連接。實(shí)驗(yàn)時(shí)，由負(fù)載為0開(kāi)始遞增，測(cè)量速度、電流和轉(zhuǎn)矩等參數(shù)。測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 測(cè)試數(shù)據(jù)（多次實(shí)驗(yàn)均值）

樣機(jī)電機(jī)隨著負(fù)載量的增加，轉(zhuǎn)速逐漸降低，電流升高；在空載狀態(tài)下，電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速能達(dá)到 4 515 r/min，電流在3 A以下；在規(guī)定負(fù)載量500狀態(tài)下，能夠輸出轉(zhuǎn)矩0.3 N·m以上，電流低于16 A；在超出500負(fù)載量狀態(tài)下，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)良好。據(jù)CVVL電機(jī)期望工作性能相比，樣機(jī)電機(jī)滿足要求。

5 結(jié)論

CVVL技術(shù)主要由CVVL電機(jī)部分和傳動(dòng)部分構(gòu)成，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)汽缸的氣門升程調(diào)控，并通過(guò)汽車的不同轉(zhuǎn)速信號(hào)來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整氣門升程。本文主要設(shè)計(jì)CVVL電機(jī)部分，通過(guò)理論計(jì)算、RMxprt和Maxwell模塊仿真分析、參數(shù)化設(shè)計(jì)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了測(cè)試。通過(guò)分析和試驗(yàn)驗(yàn)證了該電機(jī)可滿足在規(guī)定負(fù)載量500狀態(tài)下，能夠輸出轉(zhuǎn)矩0.3 N·m以上，電流低于16 A，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)良好等要求。該電機(jī)滿足CVVL機(jī)構(gòu)要求，能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)部分完成調(diào)節(jié)氣門升程大小的作用, 通過(guò)本課題的設(shè)計(jì)與優(yōu)化將使整個(gè)CVVL系統(tǒng)變得高效，降低汽車燃油消耗，提高燃油利用率，同時(shí)將推進(jìn)國(guó)產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，大力推進(jìn)汽車節(jié)能減排和環(huán)保。

[1] 張宗瀾. 一種連續(xù)可變氣口升程機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)硏究[D]. 廣州: 廣東工業(yè)大學(xué), 2016.

[2] 張宗瀾, 熊銳, 吳堅(jiān), 等. 一種連續(xù)可變氣口升程機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真[J]. 車用發(fā)動(dòng)機(jī), 2016(1): 33-36.

[3] Ha K P. Nu系列2.0L連續(xù)可變氣門升程發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)[J]. 國(guó)外內(nèi)燃機(jī), 2015, 47(2): 38-42.

[4] 譚建成. 永磁無(wú)刷直流電機(jī)技術(shù)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2011.

[5] 邱國(guó)平, 邱明. 永磁直流電機(jī)實(shí)用設(shè)計(jì)及應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2009.

[6] 陳世坤. 電機(jī)設(shè)計(jì)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2000.

Analysis and Experimental Study of Motor Magnetic Field Based on ANSYS

QI Rui1, ZENG Hong1, ZHANG Zhi-hua2

（1.College of Mechanical Engineering and Automation, Liaoning University of Technology，Jinzhou 121001, China；2.Jinzhou Halla Electrical Equipment co., ltd，Jinzhou 121001, China）

In order to meet the requirements of CVVL technology engine valve lift adjustment in high-speed and low-speed zones, a permanent magnetic brushless DC motor is designed by the main size target design of the motor, and the magnetic field analysis of the motor is carried out by RMxprt and Maxwell modules in ANSYS software. Finally, the test proves the current and speed of the motor under the specified load, and the results show that the motor can meet the performance requirements under the specified torque, and the simulation and test can match.

CVVL motor; RMxprt; Maxwell; permanent magnetic DC brushless motor; electromagnetic analysis

TM331

A

1674-3261(2020)04-0236-04

10.15916/j.issn1674-3261.2020.04.006

2019-10-19

遼寧省自然科學(xué)基金指導(dǎo)計(jì)劃(20180550931)

祁瑞(1995-)，男，河北廊坊人，碩士生。

曾紅(1964-)，女，遼寧朝陽(yáng)人，教授，碩士。

責(zé)任編校：劉亞兵