低速永磁电动机转矩特性的三维有限元分析及实验研究
摘要
在某些具有低速直接驱动的场所,要求电动机能在很小的直径(100mm左右)下输出数百牛米的力矩,为了满足这类需求,本文研究了电磁减速式低速轴向永磁同步电动机(以下简称低速永磁电动机或Ls-A-Pmsm)的转矩产生机理,建立了三维磁场及转矩计算模型,并研究了转矩的影响因素。主要工作及创新性成果如下：
1.针对该电机的磁场轴向和径向复杂分布的特点,建立了三维磁场有限元分析模型及相应的转矩计算模型。将理论分析与数值计算相结合,揭示了其电磁转矩与定转子相对位置及转矩角之间的基本关系。
2.系统地研究了在进行三维磁场及转矩计算时人为选择的计算参数(剖分单元形状和轴向径向密度、麦克斯韦应力法计算路径、等效的硅钢片绝缘间隙等)对仿真计算准确度的影响,提出了合理的取值范围。
3.研究分析了低速永磁电动机的主要设计参数对电机转矩特性的影响。揭示了在考虑饱和、谐波、漏磁等多种因素影响的条件下电磁转矩与气隙长度、永磁体厚度及电枢电流等设计参数之间的基本关系,为开展低速小直径大扭矩直接驱动电机的设计研究提供了技术支持。
4.将转矩变化特性曲线作为起动过程仿真计算的转矩变化依据,采用这种称之为简化的三维磁场有限元计算方法实现对起动过程的仿真分析。仿真和实验研究发现,虽然该类电机的堵转转矩随电流相位的变化正负波动,但仍然具有很高的起动能力。
5.实测研究采用了两种方法进行测试：一种是在高处用实验电机通过定滑轮吊重物,虽不够精确却能快捷地直观地判断基本的起动能力；另一种是额定力矩为20Nm的同轴小机组实验台,该综合小实验台能得到起动过程转矩与转速随时间变化的曲线。最后实测结果与通过仿真计算相对比,验证了仿真计算的准确性。
Some places require low-speed direct drive, needs a kind of motor with small diameter (100mm or so) and the output torque ability to hundreds Nm. For the demand of such direct drive motor, this paper studies the torque generation mechanism of Low-speed Axial Permanent Magnet Synchronous Motor (Hereinafter referred to: Ls-A-Pmsm). And for its structural characteristics, set up a torque calculation model of3D magnetic field, have studied its torque affect factors. The main innovations are summarized as follows:
1. For the motor's magnetic field is complex because of its axial and radial distribution characteristics, established a3D-FEM analysis model and corresponding torque calculation model. Combined the theoretical analysis and numerical calculations, reveals the basic relationship among the electromagnetic torque and torque angle and the relative position of the rotor.
2. Have carried out a detailed analysis of calculation parameters (including element type&density, air-gap layer form, axial section, the path of Maxwell stress method, silicon steel axial clearance) on the accuracy of calculation.
3. Have also carried out a detailed analysis of design parameters (including the diameter, axial length, gap length, thickness of magnet, tooth width, armature current and coercive force) on torque performance of the motor. Provided technical support for carrying out the design and study on Small-diameter low-speed high-torque direct drive motor.
4. On the starting performance of the simulation and experimental study also found that when the rotor be blocked, the motor's output torque fluctuate with current phase, but still has very high start ability.
5. Using two testing methods in the motor's measurement study:one is through the pulley height hanging heavy objects, although not precise enough, it is able to quickly and visually determine starting capability; The other is the coaxial small unit bench with rated torque of20Nm, The integrated test-bed can get starting process curve of speed and torque varying with time, Finally, verified simulation accuracy by compared with experimental results.
1.针对该电机的磁场轴向和径向复杂分布的特点,建立了三维磁场有限元分析模型及相应的转矩计算模型。将理论分析与数值计算相结合,揭示了其电磁转矩与定转子相对位置及转矩角之间的基本关系。
2.系统地研究了在进行三维磁场及转矩计算时人为选择的计算参数(剖分单元形状和轴向径向密度、麦克斯韦应力法计算路径、等效的硅钢片绝缘间隙等)对仿真计算准确度的影响,提出了合理的取值范围。
3.研究分析了低速永磁电动机的主要设计参数对电机转矩特性的影响。揭示了在考虑饱和、谐波、漏磁等多种因素影响的条件下电磁转矩与气隙长度、永磁体厚度及电枢电流等设计参数之间的基本关系,为开展低速小直径大扭矩直接驱动电机的设计研究提供了技术支持。
4.将转矩变化特性曲线作为起动过程仿真计算的转矩变化依据,采用这种称之为简化的三维磁场有限元计算方法实现对起动过程的仿真分析。仿真和实验研究发现,虽然该类电机的堵转转矩随电流相位的变化正负波动,但仍然具有很高的起动能力。
5.实测研究采用了两种方法进行测试：一种是在高处用实验电机通过定滑轮吊重物,虽不够精确却能快捷地直观地判断基本的起动能力；另一种是额定力矩为20Nm的同轴小机组实验台,该综合小实验台能得到起动过程转矩与转速随时间变化的曲线。最后实测结果与通过仿真计算相对比,验证了仿真计算的准确性。
Some places require low-speed direct drive, needs a kind of motor with small diameter (100mm or so) and the output torque ability to hundreds Nm. For the demand of such direct drive motor, this paper studies the torque generation mechanism of Low-speed Axial Permanent Magnet Synchronous Motor (Hereinafter referred to: Ls-A-Pmsm). And for its structural characteristics, set up a torque calculation model of3D magnetic field, have studied its torque affect factors. The main innovations are summarized as follows:
1. For the motor's magnetic field is complex because of its axial and radial distribution characteristics, established a3D-FEM analysis model and corresponding torque calculation model. Combined the theoretical analysis and numerical calculations, reveals the basic relationship among the electromagnetic torque and torque angle and the relative position of the rotor.
2. Have carried out a detailed analysis of calculation parameters (including element type&density, air-gap layer form, axial section, the path of Maxwell stress method, silicon steel axial clearance) on the accuracy of calculation.
3. Have also carried out a detailed analysis of design parameters (including the diameter, axial length, gap length, thickness of magnet, tooth width, armature current and coercive force) on torque performance of the motor. Provided technical support for carrying out the design and study on Small-diameter low-speed high-torque direct drive motor.
4. On the starting performance of the simulation and experimental study also found that when the rotor be blocked, the motor's output torque fluctuate with current phase, but still has very high start ability.
5. Using two testing methods in the motor's measurement study:one is through the pulley height hanging heavy objects, although not precise enough, it is able to quickly and visually determine starting capability; The other is the coaxial small unit bench with rated torque of20Nm, The integrated test-bed can get starting process curve of speed and torque varying with time, Finally, verified simulation accuracy by compared with experimental results.
引文
[1]S. Salon, S. Bhatia, and D.Burow. Some aspects of torque calculations in electrical machines [J]. IEEE Transactions on Magnetics,1997,33(2):2018-2021
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