电摩500W直流无刷电机 ANSOFT 2D 仿真设计实例详解公开版电摩500W直流无刷电机 ANSOFT 2D 仿真设计实例详解公开版
海文科技 bso(mm) bs1(mm) bs2(mm rs(mm): Top Tooth Width(mm) Bottom Tooth Width(mm) Skew Width (Number of Slots) Length of Stator Core(mm) Stacking Factor of Stator Core Type of Stee:DW465_50//料库里没有B50W470导磁材料,这里使用一个接近 的材料,不会带来太大的偏差 Slot Insulation Thickness(mm) 0.5 Layer Insulation Thickness(mm): 0 End Length Adjustment (mm): 7 Number of parallel branches: 1 Number of Conductors per Slot:/集中绕组一个线圈匝 Type of coils: 21 Average Coil Pitch: 1 Number of wires per Conductor Wire diameter(mm):■∥/这里使用两种线规共■跟线并绕,本案例糟满率相 对较宽松,用的漆包线也能绕制 1. ect Wire size Properties Unit System mm fame Value Unit Evalua Input Half-turn Length Vire Type C Round C Rectangle End Extension fmm Base Inner Ra fire diameter 0690 Tip Inner Di ameter End clearance Gauge MIXED nedge Thi ckmes Diameter Number Layer Insulation Limited Fill Factor 0.T5 nindi Erd/工 sulation Wire Wrap Thickness(mm): 0.06 Slot area(mm 2): 78.0978 Net Slot area(mm 2): 73.9263 Limited Slot Fill Factor(%: 75 Stator slot fiⅢ I Factor(%}:53.2625/根据实际经验,用手工绕线这个槽满率比较合 适 Coil half- Turn Length(mm):45.5815/依据实际崁线时文测电阻调整半匝长 ROTOR DATA Minimum Air Gap (mm): Outer Diameter(mm) Length of Rotor (mm) hailin Tel:1515882153 QQ:573059618 海文科技 ype of Steel: steel 1010 Polar Arc Radius(mm): 299.5 Mechanical pole embrace: 0.8 Electrical pole embrace: 0,766702 Max Thickness of Magnet (mm): 3 Width of Magnet(mm) 10.8781 Type of magnet: N35SH i白 Rotor Project 2 Shaft Properties Proiect ame value Unit Evaluate Properties Outer Di ameter 219mm 219mm Inner Di ameter 199mm 199mm Name value Length 235mm 23.5mm Embrace 0.8 Steel Type Offset 200 t Stacking Factor 0.95 Magnet Type NdFe30 Pole Type Magnet Thi ckness PERMANENT MAGNET DATA(注意,这里是工作温度下的数据) Residual flux Density(Tesla 1.1 Coercive Force( kA/ m):838 Maximum Energy density k/m3 230.45 Relative recoil permeability: 1.0446 Demagnetized flux density (tesla 0.692938 Recoil residual Flux Density (Tesla 1.1 Recoil Coercive Force( kA/m): 838 MATERIAL CONSUMPTION Armature Copper density(kg/m3): 8900 Permanent Magnet density(kg/m3): 7550 Armature Core Steel density(kg/m3): 7700 Rotor Core Steel Density( kg/m/3) 7872 Armature Copper Weight(kg: 0.541546 Permanent magnet Weight (kg 0.267291 Armature Core Steel Weight( kg): 1.03178 Rotor Core Steel Weight( kg 0.819333 Total Net Weight(kg): 2.65995 2、空载磁路参数 实际上这部分参数对确定槽形参数相当重要,对电摩这种低速永磁直流无刷驱 动电机来说,运行时速度低(额定转速460转/分),使用电池供电,属于电压低,电 hailin Te:1515882153 QQ:573059618 海文科技 流比较大,所以通常铁耗占比小,即使取很人的空载磁负荷,相对一般的电机1.6T 左右的齿磁通密度,可以取的齿磁密,这样额定点时铁耗只有50%左右, 当转速在额定点附近减少时电流变大增大输岀转矩时仍然能保持相对宽的高效率调 速区,改善马达的调速性能。 NO-LOAD MAGNETIC DATA Stator-Teeth Flux Density(Tesla) /对于电摩这类低速低电压马达,齿磁密 左右能増大槽空间,提高导磁材料的利用率,同时可以实用比较大的导体,提高 马达的出力 Stator-Yoke flux density (tesla ∥/比齿磁密稍低这样轭部的单位面积铁损 耗教齿部低,这样齿部溫度比轭部低形成温度梯度便于槽內锎线铁损耗的热量顺 杨的传导出米 Rotor-Yoke Flux Density(tesla /这部分是轮毂上使用内嵌钢圈做导磁 材料,通常是20#刚或者其他低碳钢,涡流损粔较大,必须取相对较低的磁负荷 Air-Gap Flux Density (Tesla :0.85894 Magnet Flux Density(Tesla :0.859576 Stator-Teeth By-Pass Factor: 0.00538168 Stator-Yoke By-Pass Factor: 8.1561e-005 Rotor-Yoke By-Pass Factor: 5.46669e-005 Stator-Teeth Ampere Turns(A T): 91.6933 Stator-Yoke Ampere turns(A T):4.75193 Rotor-Yoke Ampere Turns(AT): 3.2614 Air-Gap Ampere Turns(AT):449.657 Magnet Ampere Turns(A. T:-549477 Armature Reactive Ampere Turns at Start Operation(A T): 557.367 Leakage-Flux Factor: 1 Correction Factor for Magnetic Circuit Length of Stator Yoke: 0.267538 Correction Factor for Magnetic Circuit Length of Rotor Yoke: 0.78224 No-Load Speed (rpm): 514.76 Cogging torque(N m 0.000359512 3、使用一键有限元时用到的一些参数 WINDING ARRANGEMENT The 3-phase, 2-layer winding can be arranged in 51 slots as below ABYBCZCAXAXYBYZCZCAXABYBCZCZXAXYBYBCZCAXABYBYZCZXAX Angle per slot(elec degrees): 162.353 Phase-A axis( elec degrees): 109.412 hailin Tel:1515882153 QQ:573059618 海文科技 A相轴线角度,关于这个数据有专门宝贝介绍《永磁电机A相轴线和 ANSOFT 仿真中的初始位置》,因为电机仿真瞬态分析时是以A相轴线和转子磁钢轴线对 齐为起点的,这个参数对下面2D里的仿真时初始位置( nitial position)有影响。 日5146* HO Maxwell2DDesi gn3 (Transient, XY) 白-白Mdel EO MotionSetup1 Motion Setup +-- Boundaries +A Excitations Type a Mechanical Perameters Initigl 3734 peral ons First slot center(elec degrees): 0 TRANSIENT FEA INPUT DATA ANSOFT MAXWELL2D里需要直接调用以下这几组 ANSOFT RMxprt里的计算数据 For armature Winding Number of turns: 119 Parallel branches: 1 erminal resistance(ohm): 0.125912 End Leakage Inductance( H): 2.88149e-006 2D Equivalent value: Equivalent Model depth(mm): 23.5 Equivalent Stator Stacking Factor: 0.97 Equivalent Rotor Stacking Factor: 0.95 Equivalent Br(Tesla 1.1 Equivalent Hc(kA/m):838 Estimated Rotor Moment of Inertia(kg m2): 0.0283127 、由 RMxprt直接生成 Maxwe l2D模型仿真的步骤详解 ANSOFT支持由磁路到2D有限元模型的生成,完成材料类型的定义,完成各相绕 组线圈的分组和电流正方向的定乂,完成电压源的加载,完成物理模型的网格剖分 等等,而且可以直接进行仿真分析计算,降低了使用有限元进行电机电磁分析的门 栏,让电机设计变得准确简单快捷。但在具体应用中还要对模型进行适当的修改, 以达到更接近实际物理模型的目的,降低仿真结果和实际测试结果的误差。对本例 而言,涉及到对磁钢的修改,符合不均匀气隙的物理模型实际,需要重新定义磁钢 的充磁方向等。具体步骤如下: 1、如下图所示,鼠标石键点击 Analysis-弹出 Add Solution Setup左键点击弹出 Solution Setup,设定负载参数 s。 lution Set 日况Mpte31 gnl BRushless Permanent-Magnet DC Motor.)* General Defaults +-QMachine Setup Name: setup Enabled Paste Ctrl+v o Add Solution Setup. per atl oIt lype Motor hailin Tel:1515882153 QQ:573059618 海文科技 负载类型选择恒定转速,额定功率设定为500W,额定电压48V额定转速460转/分, 作温度为75度,B级绝缘 Solution Setup General Defaults Solution Setup Setup Name: Setup2 Y Enabled General Defaults Operati on Typ otor Setup Name: Setup2 Enabled Load t Const Speed Rated Output Powe 500 Operation Iyp Motor Rated voltag Load Type Const speed Rated Speed Ipm ons Rated Output Powe Const Power Operating Temperatu 75 cel 2、如卜图所示,右键点击 Setup弹出对话框—一点击 Create maxwell! Design b.x MmxprtDesi gn brushless permanent magne 由QM achine 日 A Analysi5 网0pt 电gopy Ctrl+C 回R Paste Ctrl+v 由口 Definit Rename Ject X Delete Delete Properties rtes Disable Setup H ame Analyze Create Quick Report. ration iype Performance. d t ype Design Sheet. ed Output Pot Curve ed voltage Export. Create Maxwell Design. 3、弹出如下对话框—一点击oK开始自动生成 MAXWELL2D有限元分析模型 Create Maxwell Design Typ 2D Design v Auto setup Solution Setup Setup Variation OK Cancel 如果在右上角 Auto setup前的小方框去掉黑色小v,那只是完成模型( Model)的建 hailin Tel:1515882153 QQ:573059618 海文科技 立,材料属性的定义。并不能直接进行仿真分析,还需要运动设置( Motion Setup)、 设置边界条件( Boundaries),加激励源( Excitations等。这部分网上能找到很多文档, 为突出重点,这部分本宝贝不进行具体描述 、 Maxwell! DDesign瞬态模型 接下来分析上面第三步骤产生的 Maxwel2 DDesign瞬态模型: 1、模型(Mode)部分 右键点击Mode,弹出如下对话, ANSOFT已经完成运动设置,指定了Band Assign Band 2 Set Symmetry Multplier. Delete All ect 厂 Model Depth visualization 下图可以看到转了蓝色部分区域表示指定的Band 覆盖了仿真计算中的转动部件区域 Project Manager 白 Model 日 Moti onSetup1 M Moving - 白? Boundaries 中不 Excitations Parameters 图Mesh0 perati ons T ength ail Project 下图表示模型的长度也就是铁心长度,这里说明下,马达实际铁长为24mm,考虑到 通常叠压系数为0.97左右,对这类型的马达仿真,我选取的铁长少一片冲片,即原 有铁长24-0.5=235mm。这样仿真电流结果和实测电流值在输出转矩一样时略小,不 会相差太大,剩余相差部分由于控制器换向或者其他原因带米的波形畸变导致,在 计算铜耗时需要考虑补偿这部分。 Project Manager Design Settings Preserve Transient Solution 日合! List. Advanced Product Coupling Background Assign Material. Material Thresholds Symmetry Multiplier Model Depth Motion Setup 中心E1 Set Symmetry Multiplier Par Model Set Model Depth 日蹰Mesl hailin el:1515882153 QQ:573059618 海文科技 下图为模型( Model)设置初始位置和转速部分,连续点击下列图标 Motion Setup1 白 Maxwe12 DEsig3〔 Trans 白白Mode1 +o Moti onSetupl 弹出如下对话框,对旋转电机一键有限元部分会自动设定如图所示 Rotation、初始位 置角初始位置角 Initial position和转速设定 Motion Setup Motion Setup Motion Setup Type Data I Mechanicall T Date Mechanical Type Data Mechanica Motion C Translatio 工 nitial 3734 T Consider Mechenical Trans c Rotati on 厂 Rotate Limi Angular velocity: 460rpm 2、设定边界条件 因为51槽46极只有一个单元札,且每极每相槽数为17/46,分母为偶数,所以最小的 对称求解区域就是一个完整的模型只需设定转子外圈导磁材料边界为0矢量即可 如果最小对称区域不是一个完整的模型,需要设定 Master和Save主从边界。 Lu 10.00 d Boundaries op VectorPotenti all E-A Excitations Vector Potential Boundary 中 PhaseA PhaseB General Defaults IIII DL lect Name ectorPotentiall rties Perameters Name Value value 项 External circuit,点击右边小三角形图标弹出 Edit External Circuit选相,"外电路选 3、设定激励 Excitation,右键点击 Excitation,弹出如下对话框,用光标选屮 白 VectorPotenti a11 白心 中山 Assign 由山 List 由Ⅲ assign AP Delete All Visualization Set Default Base Name ct External Circuit Edit External Circuit. 左键点击弹出如下对话框 hailin Tel:1515882153 QQ:573059618 海文科技 Edit External Circuit inding Information Available Inductors Source Typ. Parameter Below is list of, the externally connected windings you have Winding Name Has Inductor in Circui t Inductor Name PhaseA LPhascA PhaseB PHased Phase PHaser Ed1tC⊥xg⊥t 工 mport Circuit.」 点击 Edit circuit选项进入到如卜外电路编辑设定界面 M Ansoft Maxwell Circuit Editor -51_46_2-51_46_2-SchematicEditor-[51-46_2-51_46_2-Schematic 1 File Edit View Project Draw Schematic Maxwell Circuit Tools Window Help 自哆自X≌cs2目1A=50置国面F1a日回费 Project Manager 51_462 因为分辨率的关系,无法看到外电路图,需要左键点击上图右上角图标 将外电路图放置到界面合适大小处 a Ansoft Maxwell Circuit Editor -51_46_2-51_46_2-SchematicEditor -[51_46_2-51_46_2-Schematicl a File Edit View Project Draw Schematic Maxwell Circuit Tools Window Help D哆副自X≌C1回号50x皿Fl@ag 目1o、oaAs ProjectManager 51462 Project components+ Proper ties Value Unit I E立 太: 本:z New Page Variable 直流无刷使用两两导通换相,每相导通120度电角度,60度电角度换一次相,这样 个电周期进行6次换相,实现这个换相是通过上述图中石下角那6个独立的电压 源供电。在一个电周期内没60度电角度轮流按照即定的相序轮流导通,控制 ANSOFT hailin Te:1515882153 QQ:573059618