祁 瑞，曾 紅，張志華

基于ANSYS電機磁場分析與試驗研究

祁 瑞1，曾 紅1，張志華2

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

為了能夠滿足CVVL技術(shù)發(fā)動機在高速區(qū)和低速區(qū)氣門升程調(diào)節(jié)的要求，通過電機主要尺寸設(shè)計了一款永磁無刷直流電機，并運用ANSYS軟件中RMxprt和Maxwell模塊對該電機進行了磁場分析，最后試驗驗證了電機在規(guī)定負載量下電流和轉(zhuǎn)速等情況，結(jié)果表明：該電機能夠滿足在規(guī)定轉(zhuǎn)矩下的性能要求，仿真和試驗?zāi)軌蛭呛稀?/p>

CVVL電機；RMxprt；Maxwell；永磁直流無刷電機；電磁分析

連續(xù)可變氣門升程技術(shù)(continuously variable valve lift，CVVL)通過控制進氣門升程起到與節(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)動機在高速區(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)動機高速功率和低速扭矩，顯著減少泵氣損失[1]。傳統(tǒng)發(fā)動機的傳統(tǒng)配氣機構(gòu)升程是固定不變的，而發(fā)動機的運行工況對氣門升程要求是不同的。高速大負荷工況需要氣門升程大、持續(xù)期長，低速小負荷工況需要氣門升程小、持續(xù)期短[2]。而傳統(tǒng)的配氣機構(gòu)只能使發(fā)動機某特定工況達到最優(yōu)，無法滿足所有的工況。CVVL技術(shù)就是解決了這一問題，它能夠調(diào)節(jié)氣門升程大小，使發(fā)動機在高速區(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)動機高速功率和低速扭矩。

CVVL技術(shù)的發(fā)展目前不是很成熟，其傳動部分可基本滿足工況需要，而電機部分難以達標。該機構(gòu)的主要動力和轉(zhuǎn)矩輸出端為電機部分，電機部分要求在規(guī)定負載量的情況下，電流和速度需要滿足一定標準，而現(xiàn)有的滿足要求電機十分稀缺，因此設(shè)計并研究CVVL電機部分是當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的需要。

本文針對CVVL機構(gòu)進行簡要分析，并設(shè)計CVVL電機部分。設(shè)計電機大體通過理論計算、RMxprt軟件進行分析和參數(shù)化設(shè)計，并通過Maxwell軟件進行電磁分析，最后與實際生產(chǎn)手工樣機測試數(shù)據(jù)進行對比。

1 CVVL機構(gòu)分析

1.1 CVVL機構(gòu)基本結(jié)構(gòu)

CVVL機構(gòu)可分為兩部分，傳動部分和電機部分，傳動部分主要由蝸輪機構(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)計的CVVL電機為永磁無刷直流電機，主要由蝸桿軸、轉(zhuǎn)子、定子、位置傳感器、軸承、機殼、鑄鋁前蓋和電驅(qū)繞組等部件組成。

1.2 CVVL機構(gòu)工作原理

車輛發(fā)動機在不同的工況狀態(tài)下，CVVL電機收到不同的控制信號后轉(zhuǎn)動到不同的角度位置，電機轉(zhuǎn)子軸前端為蝸桿，蝸桿轉(zhuǎn)動的同時帶動相配合的蝸輪轉(zhuǎn)動。而蝸輪相繼帶動偏心軸旋轉(zhuǎn)相應(yīng)角度，偏心軸的轉(zhuǎn)動使得連接臂產(chǎn)生位移，進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)動下實現(xiàn)氣門升程開啟大小的連續(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

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

2 電機設(shè)計流程和理論計算

2.1 CVVL電機設(shè)計主要流程

設(shè)計電機流程如圖2所示。

2.2 電機主要尺寸的計算

對于直流電機，計算功率為[4]：

式中：Ea為電樞繞組的電動勢；Ia為電樞繞組的電流。

而電樞繞組的電動勢E可以按照如下方程計算：

式中：為極對數(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，通常簡稱為氣隙磁密；a＇為計算極弧系數(shù)：

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

而線負荷[5]：

綜上，整理后得：

到此，得到了直流電機的主要尺寸和計算功率、轉(zhuǎn)速、電磁負荷和電機常數(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的性能、經(jīng)濟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電機的額定功率P，通過公式計算出計算功率'：

式中：K為考慮電動機的電樞壓降和并勵繞組電流而引入的系數(shù)，η為額定負載時電動機的效率。

然后，依據(jù)計算功率'和電機額定轉(zhuǎn)速，結(jié)合CVVL電機工作環(huán)境和特點，利用推薦數(shù)據(jù)或曲線選取電磁負荷、B，代入式(7)中即可計算出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計算出主要尺寸和電樞計算長度l，擬定的基本參數(shù)如表1所示。

表1 初始參數(shù)

參考同類電機和查閱文獻，選定電機定子槽數(shù)=12，極對數(shù)為=7。根據(jù)上述計算出主要尺寸后，依照實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，型號為N38UH T，定子繞組線規(guī)為Φ1.05（含漆皮Φ1.1）。

3 ANSYS軟件電機設(shè)計

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)驗等初定的參數(shù)依次輸入至ANSYS中RMxprt模塊并進行初步的仿真分析。如圖3所示，電機的基本結(jié)構(gòu)和電樞繞組結(jié)構(gòu)可直觀查看。

圖3 電機基本結(jié)構(gòu)和電樞繞組結(jié)構(gòu)

大體過程為：

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

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

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

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

圖4 電機轉(zhuǎn)矩曲線

在電機空載狀態(tài)為例，圖5顯示的數(shù)據(jù)為空載狀態(tài)的仿真結(jié)果，通過分析在空載狀態(tài)，可以得出空載速度可達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

對于不滿足性能的結(jié)果，可以針對某一參數(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)，進行參數(shù)化設(shè)計。首先在對應(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)計的變量，并對其進行范圍設(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點處，曲線的曲率發(fā)生變化，因此電機定子槽齒靴高Hs2的值越小越好。

圖7 參數(shù)變量對齒槽轉(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電機模型。將設(shè)計好的電機模型進行有限元分析，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)的磁場分析后的磁力線分布圖和磁密分布圖，圖中選取0.004s時刻電機狀態(tài)。通過云圖可以觀察到電機在該時間狀態(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)子在該時間節(jié)點下與定子的電磁作用狀態(tài)良好。

4 CVVL電機測試試驗

4.1 電機測試試驗臺

基于上述CVVL電機準備，制作樣機，并準備測試試驗臺、負載轉(zhuǎn)矩機、電源、驅(qū)動器等。

由上位機、驅(qū)動器、電源、電機霍爾傳感器依次接線連接，如圖8所示。

圖9 CVVL電機（左）試驗臺（右）

4.2 樣機測試數(shù)據(jù)

將電機接入電源，安裝在試驗臺上，將電機的轉(zhuǎn)子輸出端與可連續(xù)增加負載的扭矩機相連接。實驗時，由負載為0開始遞增，測量速度、電流和轉(zhuǎn)矩等參數(shù)。測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 測試數(shù)據(jù)（多次實驗均值）

樣機電機隨著負載量的增加，轉(zhuǎn)速逐漸降低，電流升高；在空載狀態(tài)下，電機實際轉(zhuǎn)速能達到 4 515 r/min，電流在3 A以下；在規(guī)定負載量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負載量狀態(tài)下，電機運轉(zhuǎn)狀態(tài)良好。據(jù)CVVL電機期望工作性能相比，樣機電機滿足要求。

5 結(jié)論

CVVL技術(shù)主要由CVVL電機部分和傳動部分構(gòu)成，可以實現(xiàn)發(fā)動機每個汽缸的氣門升程調(diào)控，并通過汽車的不同轉(zhuǎn)速信號來實時調(diào)整氣門升程。本文主要設(shè)計CVVL電機部分，通過理論計算、RMxprt和Maxwell模塊仿真分析、參數(shù)化設(shè)計，對電機進行了設(shè)計，并對樣機進行了測試。通過分析和試驗驗證了該電機可滿足在規(guī)定負載量500狀態(tài)下，能夠輸出轉(zhuǎn)矩0.3 N·m以上，電流低于16 A，電機運轉(zhuǎn)狀態(tài)良好等要求。該電機滿足CVVL機構(gòu)要求，能夠在發(fā)動機不同工況下驅(qū)動傳動部分完成調(diào)節(jié)氣門升程大小的作用, 通過本課題的設(shè)計與優(yōu)化將使整個CVVL系統(tǒng)變得高效，降低汽車燃油消耗，提高燃油利用率，同時將推進國產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，大力推進汽車節(jié)能減排和環(huán)保。

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

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

[3] Ha K P. Nu系列2.0L連續(xù)可變氣門升程發(fā)動機的開發(fā)[J]. 國外內(nèi)燃機, 2015, 47(2): 38-42.

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

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[6] 陳世坤. 電機設(shè)計[M]. 北京: 機械工業(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)計劃(20180550931)

祁瑞(1995-)，男，河北廊坊人，碩士生。

曾紅(1964-)，女，遼寧朝陽人，教授，碩士。

責(zé)任編校：劉亞兵