无刷直流电机电枢反应的3D有限元分析与气隙磁场检测摘要：在所采用的无刷直流电机混合位置预估算法中，转予位置的检测对于电机的特性控制非常重要。文章采用ANSOFT软件进行了电机气隙磁场和电枢反应的三维场计算，分析了齿槽和电枢反应对霍尔传感器磁场检测的影响，为保证位置预估算法的有效实现提供了参考数据。实验证明，通过磁场分析的方法在电机中获取霍尔元件最佳安放位置的方法是可行和有效的。 l引 言 随着社会的发展和人们生活水平的提高，对家用电器的绿色环保化趋势的需求越来越迫切。所谓绿色环保指的是，其一，使用清洁能源且高效节能；其二，减少环境污染，如空气污染，水污染，噪声污染等。我国的绝大多数家用电器在以上两个方面都存在着很大的不足，这与人们日益增长的需求水平、与国外的先进水平相比差距很大。比较典型的是洗衣机洗涤时的耗能和脱水时的噪声、电冰箱的压缩机噪声、空调机的风机噪声等。与之相对应的是，在驱动电机研究领域，降低电机噪声已经成为一个研究热点。 实践证明，采用大力矩无刷直流电机直接驱动负载可以有效地降低噪声同时提高系统效率。在所设计的无刷直流电机系统中，采用了混合位置预估法检测转子信息。初步实验结果表明，电枢反应和位置传感器的改变对霍尔检测信号影响较大，直接影响了电机绕组的换流，引起力矩波动而带来噪声。本文在考察无刷直流电机电枢反应对电机端部漏磁场的影响时，采用了3D有限元分析，通过理论分析获得了霍尔传感器的最佳位置。通过理论分析和对样机系统的实验测试，得到了比较满意的结果。 2 ANSOFT分析软件简介 有限元法起源于结构力学，在弹性力学获得了极大的发展，后来逐渐从固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等领域。目前，在传统的力学计算方面，已经有许多大型的有限元分析程序，如Ansys，NASTRAN等，大多主要着眼于机械力学计算。AN-SOFT则是侧重于电磁力、转矩和磁场计算的通用有限元程序，且对电机设计给予了专业软件支持，如Rmxprt软件包可以进行感应电机、无刷直流电机、开关磁阻电机等十几种电机的计算机辅助设计，经实验验证，初始条件和参数充分恰当条件下，具有相当好的精度。和其他通用有限元软件一样，AN-SOFT具有强大的前、后处理功能。在前处理中，可以直接利用ANSOFT提供的模型生成器2D MOD—ELER和3D MODELER来构建仿真几何模型，有限元模型由软件自动剖分或手动剖分生成。另外，ANSOFT提供了软件接口，读取用AUT0CAD、PRO＼E、UC等软件输出的﹡．dxf格式、ACIS文件格式(﹡．sat)、IGES文件格式(﹡．igs)和STEP AP203 文件格式(﹡．step)的文件，便于几何模型的构建。在后处理软件中则提供了强大的数据提取工具、其他相关数据的计算工具、输出数据绘图工具，方便了计算结果的分析。 本文利用ANSOFT软件，对无刷直流电机气隙磁场和电枢反应进行了三维场计算和分析。 3电机建模 3．1几何模型的建立 有限元分析中模型的建立目前主要有两种方法：(1)直接建立有限元模型法，即将实际模型经过数学抽象简化，直接变为节点和连接线组成的有限元模型，由于工作量极大，此法仅适合简单模型；(2)几何建模法，即采用“所见即所得”的方式，根据实际模型尺寸绘制几何模型，并对几何模型定义材料属性、边界条件和激励源，最后通过手工或软件的自动剖分功能建立有限元模型。本模型的建立采用几何建模法。首先利用ANSOFT的三维建模环境3D MODELER建立几何模型，再通过手工或软件自动剖分建立有限元模型。在几何模型的建立中，考虑到电机磁路不经过端盖，所建几何模型忽略了端盖。另外由于本样机采用分数槽结构，无法利用周期性、对称性简化模型，因此采用全尺寸整体建模。模型中的绕组，在建模时采用了等效简化处理：各集中绕组独立环绕各大齿，彼此不连接，省略了相绕组的连接线。由于绕组为集中绕组，各相绕组连接线较少，绕组的端部效应可以忽略，因而简化模型是合理的。所建模型如图1所示。 3．2参数定义 在建立几何模型后，需对模型赋材料属性、边界条件、电磁激励源。模型中各组成部分材料属性根据实际样机设定，作为磁激励源的磁钢，其参数和方向在材料属性中设定。所建模型的边界条件直接设定为ballon边界条件，即外界磁场屏蔽边界条件，将分析模型置于磁屏蔽的环境中。因为外界空间磁场在正常使用中对电机磁场影响不大，而且分析模型为整体建模，因此设定这种边界条件是可行的。绕组作为电激励源，可以赋电压源或电流源，本模型 采用电流源方式，并按总安匝数定义电流源。因为在模型建立中简化了相绕组的连接，因此必须根据分相对各绕组单独定义，同相绕组电流幅值一致，电流的流向要根据实际连接情况分别定义。 3．3网格剖分 在上述建模和参数定义完成后，可以手工剖分。手工剖分时需设定节点数、剖分单元类型等操作，对复杂三维模型是很繁琐的工作。本文采用软件自动网格剖分，通过设置误差留数、剖分次数、通过次数等几个参数提供自动剖分的规则。设置好剖分规则后，利用求解器Solver求解的同时，软件会根据剖分规则自动细化网格。 3．4求解 设置欲求解参数之后，开始求解。 4计算结果分析及实验测试 经过上述建模求解过程，最终目的是利用AN-SOFT的三维场分析计算电机端部漏磁场。本文中在电枢铁心上以一个大齿中心线为起点，1／2极弧长度范围内等间距取四条采样线，如图2所示。 对上述所建模型分别求解绕组不通电和绕组通电情况下采样线上的磁场分布，求解方法为转子旋转，当转子磁极中心线与某采样线重合时计算磁场，提取该采样线上磁感应强度分布曲线。电机模型的轴向尺寸关系如图3所示。计算结果如图4、5所示。 4．1齿槽对霍尔漏磁场检测影响 因为绕组不通电，从图4中可以清楚地看到电枢齿槽对主磁极的影响。Sample4为齿中心线处采样线，Sample3、Sample2、Samplel分别为相隔l／6极弧的采样线。霍尔所检测漏磁场分布集中在z轴L0～L0+△L范围内。图4显示绕组不通电时，霍尔漏磁场检测受齿槽影响很小，因此确定霍尔安装位置时可以不考虑齿槽影响。 图4绕组不通电时四条采样线上的磁密分布曲线 4．2电枢反应对霍尔漏磁场检测影响 考察电枢反应对霍尔漏磁场检测影响时，在不影响分析结果正确性前提下，本文适当地简化了分析过程，忽略了分数槽的影响，并假设内功率因数角为零。绕组通以对称三相电流，根据对称性，以其中一相a相为参考相分析霍尔安装位置，如图2所示，图中 始条件下，模拟电机稳态运行，外转子在定子磁动势作用下逆时针旋转。在求解时，令永磁磁极顺序扫过sampleI～Sample4采样线，当磁极与采样线重合时，分别计算磁场，提取各采样线上磁感应强度分布曲线。在 在电枢铁心内电枢反应很强，与图4相比较，图5中采样线Sample4、Sample3、Sample2磁感应强度不论铁心内还是漏磁场的部分增幅都很大。相比较而言，由于采样线Sample4在气隙中，采样磁感应强度值为主极磁场和电枢绕组磁场的线性叠加，故Sample4上磁感应强度最大幅值很高。与采样线Sampl、Sample2、Sample3磁感应强度最大幅值相比较，呈现出更大递增趋势。这主要是因为铁心磁饱和导致铁心内磁感应强度不再线性增长。 图5绕组通电时四条采样线上的磁密分布曲线 现在考察霍尔检测漏磁场所在区间z=L0～L0+△L，图5中清楚地显示，如若霍尔安装于采样线Samplel、Sampie2、Sample3的z=L0位置时，霍尔检测的漏磁场幅值B=O．03~0．05 T，当霍尔安装于采样线Sample4的z=L0位嚣时，漏磁场幅值B=0.18 T。漏磁场的幅值是本文样机设计中所关心的，因为本文所设计电机采用开关霍尔为位置传感器，锁定型开关霍尔工作时，所测磁感应强度幅值须大于使霍尔电压信号翻转的阀值磁感应强度。设阀值磁感应强度值为±Btig所测磁感应强度最大值为Bm必须满足Bm≥Btig否则锁定型霍尔将无法触发。对比图5中各曲线，显然霍尔检测漏磁场幅值受电枢反应影响很大，霍尔的理想安装位置在sample4的z=L0～L0+△L范围内，且在z轴方向上越靠近z=L0位置越好。若霍尔只能安装于Sampel、Sample2、Sample3的漏磁场区间时，霍尔位置越靠近z=L0位置时效果越好。 4．3实验测试结果 电机实测数据如图6、7所示，分别为绕组不通电和通电时，在z轴L0～L0+△L范围内实测采样线上磁场磁密分布。对比仿真和实测数据结果可以看出，图6和图7分布趋势与图4、5基本相同，仿真计算和实测磁密幅值误差在接受范围之内。 图6绕组不通电时四条采样线实测磁密分布曲线 图7绕组通电时四条采样线实测磁密分布曲线 5结论 (1)利用ANSOFT软件对无刷直流电机3D有 限元分析，在绕组不通电流情况下，对气隙漏磁场检测时可能受到的齿槽影响进行了分析。分析结果表明气隙磁场检测受齿槽影响很小，因此确定霍尔安装位置时可以不考虑齿槽影响。 (2)利用ANSFT对3D模型在绕组通电状况下，电枢反应对电枢反应霍尔漏磁场检测的影响进行了分析。分析结果表明电枢反应对霍尔漏磁场检测影响很大，霍尔位置选择需慎重。经过分析，霍尔安装于槽内时对于检测转子主极位置最为有利。如若不能使几个霍尔同时处于槽内时，即一只霍尔在槽内，而其它的霍尔在铁心z轴漏磁场范围上，则霍尔检测出的磁场幅值将不同，导致霍尔翻转信号相位不一致，因此在混台位置预估算法中需进行补偿。 (3)分析和实验表明，通过磁场分析方法获取霍尔最佳安放位置的方法是可行和有效的。
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