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1、第37卷云南电力技术Vol37No22009年4月YUNNANELECTRICPOWERApr2009基于Ansoft的无刷直流电动机的设计与仿真12马立丽马金龙(1北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院,北京100191;2河北大学电子信息工程学院,河北保定071002)摘要:按照给定技术性能指标对无刷直流电动机的主要电磁参数进行估算,再利用RMxprt模块进行电机设计,确定电机本体的定转子结构参数和绕组参数等参数。然后用二维有限元分析软件Maxwell2D进行二维瞬态场分
2、析,校核所设计的电机的性能。最后在SIMplorer软件中导入RMxprt中生成的电动机本体,搭建双闭环系统,进行控制系统的性能仿真研究。关键词:无刷直流电动机电机设计双闭环系统性能仿真中图分类号:TM33文献标识码:B文章编号:1006-7345(2009)02-0009-031前言Maxwell2D包括交流/直流磁场、静电场以及无刷直流电动机是随着永磁材料技术、微电瞬态电磁场、温度场分析、参数化分级等模块,其核心是针对电磁场分析而优化的有限元技术。子及电力电子技术等发展而发展起来的一种新型
3、电动机。RMxprt是基于磁网路法的快速电动机求本文针对前面设计的电机进行了二维瞬态场分析,二维瞬态分析用于分析对与时间有关的物解软件,可以快速确定电动机设计方案,并能进行优化设计。理过程,如转矩、反电势、速度、功率损耗等。电动机等设备常需要采用完全的瞬态电磁场分析,根据电机的性能要求对无刷直流电动机的电磁参数进行初步的手算设计,完成定子结构、尺从而可精确的预测性能特性。寸的选择、计算,转子结构、尺寸的选择、计算,前面已经用RMxprt生成了无刷直流电动机的Maxwell2D模型。只需打开模型,选择trans
4、ient求极对数、槽数的选取,定子绕组参数的计算以及定子槽型的选择、计算。然后用RMxprt软件进行解器,设置电机各部分的材料属性,Maxwell2D还要对激励和电磁场进行定义说明,然后对电机进计算。选择电机类型,根据手算得结果在软件界面输入电机的通用参数,定、转子参数。行有限元网络剖析,并设定电机内部的运动关系,设定仿真的计算步长和终止时间。在所有的定转子参数尺寸都正确输入后,便可以进行基于磁网路法的电机运行参数解算过程,外接电路采用了发电机模型。见图1。从左该过程所需时间约5~8秒。解析计算完毕后,可到右
5、依次是终端电阻、三相绕组、终端漏电感、电压表和使其开路的无穷大的电阻。得到结果输出和生成仿真模型。选择DesignOutput便可以看到电动机的分析结果。在ViewWindingLayout中可看到绕组分布形式。在PerformanceCurve中可以得到电动机的特性曲线。根据电动机的分析结果、电动机的特性曲线可以改变相应的电机参数,反复进行解算,从而得到图1Maxwell2D的外接电路图理想的电机参数。在完成电机的设计后还可以创建Maxwell2D模型和SIMPLORER模型,用于磁完成所有设定后可以进行
6、2D解算,场的有限元分析和系统的搭建Maxwell2D给出的后处理的波形见图2、图3。2Maxwell2D仿真校核及分析收稿日期:2009-01-1592009年第2期云南电力技术第37卷其中的BLDCM模型是从RMxprt中导出的。功率桥模型是由6个功率三极管和6个续流二极管组成。机械负载由两部分组成,一部分为转动惯量,一部分为负载转矩。本仿真系统采用速度环和电流环构成典型的无刷直流电动机的双闭环调速系统。速度调节器采用PI调节方式,电流调节器采用滞环控制方式。图2反电动势的波形转速环是利用SI
7、MPLORER中的方框图建立的,转速调节器的模型见图5。图5速度调节器模型其中SPEED_F为检测到的电机的转速。P、I调节器分别由增益模块和积分模块来实现。其中积分环节有最大值的限制。因为转速环的输出图3定子电流的波形为电流的给定,因此转速调节器的输出有峰值的由图中可以看到,电枢反电动势和定子电流限制,其限幅值对应电动机允许通过的最大电流。均为梯形波,平顶有一定的波动,但相对较为理转度调节器的输出为电流的给定值。想。综上分析,可以验证所设计的电机是合理的,电流环采用滞环控制。为了保持转矩波动最基本可以满
8、足设计要求。小和输出转矩最大,要求电流相位要严格跟踪反3无刷直流电动机系统仿真电势的相位,滞环控制通过控制三相功率桥中功Ansoft软件中的SIMPLORER是一个多工程领率器件的通断来控制三相绕组供电电压的转换,域一体化的仿真软件。为保证仿真结果的高度准迫使实际相电流跟踪参考电流。图6为A相电流确,SIMPLORER提供了基于有限元模型的链接功环调节器模型能,使用者可直接从Ansoft的机电仿真
