潘登

摘要： 以一臺特種錨機驅(qū)動電機設計項目為研究背景，根據(jù)設計輸入，利用有限元分析軟件Ansoft Maxwell對驅(qū)動電機進行2D建模，對其輸出扭矩、電磁功率、定轉(zhuǎn)子參數(shù)等數(shù)據(jù)進行研究分析，并結(jié)合Matlab軟件中的simulink模塊對電機的啟動過程進行仿真分析。經(jīng)分析，驅(qū)動電機的設計完全符合設計要求，并最終投入樣機試制。

Abstract： With a special machine drive motor design project as the research background， according to the design input， using finite element analysis software Ansoft to 2D modeling of drive motor， to study the output torque， electromagnetic power and the rotor parameters， such as data analysis， and combined with matlab-simulink software simulation analysis was carried out on the startup process of the motor. By the analysis of the anchor machine drive motor design fully meet the design requirements， and finally into prototype test.

關(guān)鍵詞： Ansoft;有限元;Matlab;仿真分析

Key words： Ansoft;finite element;Matlab;simulation analysis

中圖分類號：TM305.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）01-0001-03

1 ?概述

根據(jù)校級某項目的設計輸入并結(jié)合工程經(jīng)驗，特種錨機驅(qū)動電機設計成無刷直流電機形式。該型電機其最大的優(yōu)勢是定子繞組通入階躍的電流時會產(chǎn)生步進磁動勢，而永磁轉(zhuǎn)子則在這個步進的磁動勢中轉(zhuǎn)動。額定工作時負載轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，轉(zhuǎn)子的磁場可以認為是穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)的。

Ansoft Maxwell作為世界著名的商用低頻磁場有限元軟件之一，在各個工程電磁領(lǐng)域都得到了廣泛的應用。它基于麥克斯韋微分方程，采用有限元離散形式，將工程中的電磁計算轉(zhuǎn)變?yōu)辇嫶蟮木仃嚽蠼?，軟件保證了計算的準確性和快捷性。Matlab是一個包含眾多工程計算、仿真功能及工具的龐大系統(tǒng)，是目前世界上最流行的仿真計算軟件，Simulink是運行在Matlab環(huán)境下用來實現(xiàn)對工程問題的模型化和動態(tài)仿真的工具。

本文利用Ansoft Maxwell對電機進行建模分析，得出電機各項性能參數(shù)，并結(jié)合Simulink進行帶載仿真，建立全套的電機仿真模型，經(jīng)過仿真分析，電機各項性能參數(shù)均符合設計需求，可投入樣機試制。

2 ?仿真模型的建立

對驅(qū)動電機的研制必須嚴格遵循設計輸入，電動錨機安裝于給定平臺上表面，由于總體方面的限制，電機外形尺寸最大值不能超過？覫125mm×85mm，電機工作負載約為180～200kg，最大負載不超過350kg，絞盤直徑不大于？覫50mm，平臺配電板分配給該設備最大工作電流80A，電源輸入DC28V，根據(jù)如上所述，基本設計輸入如表1。

如果錨機驅(qū)動電機電壓等級設計為DC28V，那么意味著在額定功率下電機的工作電流大（60～70A），啟動電流將會非常大（100A），這種設計當然不符合設計輸入，基于以上考慮，我們使用升壓模塊把電源輸入的電壓等級提升為DC110V，以下計算仿真都基于此電壓等級。目前國內(nèi)主流的無刷直流電機基本設計成2級、24槽形式，電機輸入電流為：

電機相關(guān)尺寸及參數(shù)如表2所示。

進入Ansoft Maxwell 2D模型建立界面，電機參數(shù)設置完畢后選擇magnetostatic靜態(tài)磁場求解器、Master/Slave邊界條件，然后進行網(wǎng)格劃分、設置求解參數(shù)，并執(zhí)行Maxwell 2D/Validation check，對模型錯誤部分進行自動檢查，檢查無誤后啟動仿真。（電機模型圖、磁通密度云圖分別如圖1、圖2所示）

設計比較關(guān)心的是電機的輸出功率與扭矩問題，圖3、圖4分別為給出了兩項重要參數(shù)的波形圖，從圖中可以得出，電機在500～750rpm區(qū)間內(nèi)輸出功率均超過1000W，電機轉(zhuǎn)速小于500rpm，電子輸出扭矩大于20Nm，兩項參數(shù)均符合設計需求。

3 ?電機帶載啟動的建模與仿真

為了進一步驗證電機帶載是否會對平臺電網(wǎng)存在沖擊，需要對電機的帶載啟動進行建模研究（圖5所示），圖6中Simulink模型中的“無刷交流電機”各項參數(shù)均按照Ansoft Maxwell 2D模型輸出值設定，給定電機恒定扭矩30Nm，電壓DC110V。

圖7、圖8分別為Simulink建模輸出波形圖。從圖7可以看出，極限負載下電機輸出電流的最大值約為70A，脈沖占空比為50%，圖8所示為電機極限負載下的輸出扭矩，基本滿足最大負載扭矩35Nm的設計要求。電機帶載各項參數(shù)符合設計要求。

4 ?樣機試驗

通過以上的仿真結(jié)果分析，電機各項性能參數(shù)均符合設計要求，直接選用NEWSTART公司的型號為WPL120L2-025-P2-02、減速比為1：5的減速箱，電機、絞盤自行設計。選取重量約200kg的負載進行拉力試驗。經(jīng)試驗，電機帶動負載時輸入側(cè)電流為26A，啟動瞬間電流為71A（維持時間～300ms），負載拉起過程中無卡頓、停滯現(xiàn)象出現(xiàn)。

5 ?結(jié)論

本文以一臺特種錨機驅(qū)動電機設計項目為研究背景，利用Ansoft軟件對無刷直流電機的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化設計，通過建模分析得出電機輸出的各項參數(shù)。并利用matlab/simulink進行負載啟動仿真，試驗證明，電機設計符合要求，電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、扭矩均符合要求。

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