摘要： 以一臺特種錨機驅(qū)動電機設(shè)計項目為研究背景，根據(jù)設(shè)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(shè)計完全符合設(shè)計要求，并最終投入樣機試制。

　　關(guān)鍵詞： Ansoft;有限元;Matlab;仿真分析

　　概述

　　根據(jù)校級某項目的設(shè)計輸入并結(jié)合工程經(jīng)驗，特種錨機驅(qū)動電機設(shè)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(fù)載轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，轉(zhuǎn)子的磁場可以認(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(yīng)用。它基于麥克斯韋微分方程，采用有限元離散形式，將工程中的電磁計算轉(zhuǎn)變?yōu)辇嫶蟮木仃嚽蠼?，軟件保證了計算的準(zhǔn)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(shè)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(yán)格遵循設(shè)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(fù)載約為180～200kg，最大負(fù)載不超過350kg，絞盤直徑不大于?覫50mm，平臺配電板分配給該設(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)計輸入如表1。

　　如果錨機驅(qū)動電機電壓等級設(shè)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(shè)計當(dāng)然不符合設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(fù)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(fù)載下的輸出扭矩，基本滿足最大負(fù)載扭矩35Nm的設(shè)計要求。電機帶載各項參數(shù)符合設(shè)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(shè)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(shè)計。選取重量約200kg的負(fù)載進行拉力試驗。經(jīng)試驗，電機帶動負(fù)載時輸入側(cè)電流為26A，啟動瞬間電流為71A(維持時間～300ms)，負(fù)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(shè)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(shè)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(fù)載啟動仿真，試驗證明，電機設(shè)計符合要求，電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、扭矩均符合要求。

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