摘要： 以一臺(tái)特種錨機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)項(xiàng)目為研究背景，根據(jù)設(shè)計(jì)輸入，利用有限元分析軟件Ansoft Maxwell對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行2D建模，對(duì)其輸出扭矩、電磁功率、定轉(zhuǎn)子參數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析，并結(jié)合Matlab軟件中的simulink模塊對(duì)電機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真分析。經(jīng)分析，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的設(shè)計(jì)完全符合設(shè)計(jì)要求，并最終投入樣機(jī)試制。

　　關(guān)鍵詞： Ansoft;有限元;Matlab;仿真分析

　　概述

　　根據(jù)校級(jí)某項(xiàng)目的設(shè)計(jì)輸入并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，特種錨機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)成無(wú)刷直流電機(jī)形式。該型電機(jī)其最大的優(yōu)勢(shì)是定子繞組通入階躍的電流時(shí)會(huì)產(chǎn)生步進(jìn)磁動(dòng)勢(shì)，而永磁轉(zhuǎn)子則在這個(gè)步進(jìn)的磁動(dòng)勢(shì)中轉(zhuǎn)動(dòng)。額定工作時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)可以認(rèn)為是穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)的。

　　Ansoft Maxwell作為世界著名的商用低頻磁場(chǎng)有限元軟件之一，在各個(gè)工程電磁領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)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(jì)算轉(zhuǎn)變?yōu)辇嫶蟮木仃嚽蠼猓浖ＷC了計(jì)算的準(zhǔn)確性和快捷性。Matlab是一個(gè)包含眾多工程計(jì)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(jì)算軟件，Simulink是運(yùn)行在Matlab環(huán)境下用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工程問(wèn)題的模型化和動(dòng)態(tài)仿真的工具。

　　本文利用Ansoft Maxwell對(duì)電機(jī)進(jìn)行建模分析，得出電機(jī)各項(xiàng)性能參數(shù)，并結(jié)合Simulink進(jìn)行帶載仿真，建立全套的電機(jī)仿真模型，經(jīng)過(guò)仿真分析，電機(jī)各項(xiàng)性能參數(shù)均符合設(shè)計(jì)需求，可投入樣機(jī)試制。

　　2 仿真模型的建立

　　對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研制必須嚴(yán)格遵循設(shè)計(jì)輸入，電動(dòng)錨機(jī)安裝于給定平臺(tái)上表面，由于總體方面的限制，電機(jī)外形尺寸最大值不能超過(guò)?覫125mm×85mm，電機(jī)工作負(fù)載約為180～200kg，最大負(fù)載不超過(guò)350kg，絞盤直徑不大于?覫50mm，平臺(tái)配電板分配給該設(shè)備最大工作電流80A，電源輸入DC28V，根據(jù)如上所述，基本設(shè)計(jì)輸入如表1。

　　如果錨機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)電壓等級(jí)設(shè)計(jì)為DC28V，那么意味著在額定功率下電機(jī)的工作電流大(60～70A)，啟動(dòng)電流將會(huì)非常大(100A)，這種設(shè)計(jì)當(dāng)然不符合設(shè)計(jì)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(jí)提升為DC110V，以下計(jì)算仿真都基于此電壓等級(jí)。目前國(guó)內(nèi)主流的無(wú)刷直流電機(jī)基本設(shè)計(jì)成2級(jí)、24槽形式，電機(jī)輸入電流為：

　　電機(jī)相關(guān)尺寸及參數(shù)如表2所示。

　　進(jìn)入Ansoft Maxwell 2D模型建立界面，電機(jī)參數(shù)設(shè)置完畢后選擇magnetostatic靜態(tài)磁場(chǎng)求解器、Master/Slave邊界條件，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分、設(shè)置求解參數(shù)，并執(zhí)行Maxwell 2D/Validation check，對(duì)模型錯(cuò)誤部分進(jìn)行自動(dòng)檢查，檢查無(wú)誤后啟動(dòng)仿真。(電機(jī)模型圖、磁通密度云圖分別如圖1、圖2所示)

　　設(shè)計(jì)比較關(guān)心的是電機(jī)的輸出功率與扭矩問(wèn)題，圖3、圖4分別為給出了兩項(xiàng)重要參數(shù)的波形圖，從圖中可以得出，電機(jī)在500～750rpm區(qū)間內(nèi)輸出功率均超過(guò)1000W，電機(jī)轉(zhuǎn)速小于500rpm，電子輸出扭矩大于20Nm，兩項(xiàng)參數(shù)均符合設(shè)計(jì)需求。

　　3 電機(jī)帶載啟動(dòng)的建模與仿真

　　為了進(jìn)一步驗(yàn)證電機(jī)帶載是否會(huì)對(duì)平臺(tái)電網(wǎng)存在沖擊，需要對(duì)電機(jī)的帶載啟動(dòng)進(jìn)行建模研究(圖5所示)，圖6中Simulink模型中的“無(wú)刷交流電機(jī)”各項(xiàng)參數(shù)均按照Ansoft Maxwell 2D模型輸出值設(shè)定，給定電機(jī)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(fù)載下電機(jī)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(jī)極限負(fù)載下的輸出扭矩，基本滿足最大負(fù)載扭矩35Nm的設(shè)計(jì)要求。電機(jī)帶載各項(xiàng)參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求。

　　4 樣機(jī)試驗(yàn)

　　通過(guò)以上的仿真結(jié)果分析，電機(jī)各項(xiàng)性能參數(shù)均符合設(shè)計(jì)要求，直接選用NEWSTART公司的型號(hào)為WPL120L2-025-P2-02、減速比為1：5的減速箱，電機(jī)、絞盤自行設(shè)計(jì)。選取重量約200kg的負(fù)載進(jìn)行拉力試驗(yàn)。經(jīng)試驗(yàn)，電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載時(shí)輸入側(cè)電流為26A，啟動(dòng)瞬間電流為71A(維持時(shí)間～300ms)，負(fù)載拉起過(guò)程中無(wú)卡頓、停滯現(xiàn)象出現(xiàn)。

　　5 結(jié)論

　　本文以一臺(tái)特種錨機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)項(xiàng)目為研究背景，利用Ansoft軟件對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)建模分析得出電機(jī)輸出的各項(xiàng)參數(shù)。并利用matlab/simulink進(jìn)行負(fù)載啟動(dòng)仿真，試驗(yàn)證明，電機(jī)設(shè)計(jì)符合要求，電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、扭矩均符合要求。

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