使用2D FEM对低功率直流无刷电机进行数值建模外文翻译资料

使用2D FEM对低功率直流无刷电机进行数值建模

摘要：本文介绍了一种用于为家用电器中的风扇供电的永磁体的电子开关直流电动机的数值和实验研究。起点是定子和转子磁芯的对称性和周期性，导致了磁场的二维数值模型的发展。该分析建立了整体电机性能和设计优化，以减小其体积并降低齿槽转矩。并对基于有限元方法开发的二维数值模型和与电路结合的磁场计算产生的问题进行了讨论。

关键字：有限元建模，电磁场，直流电

一 介绍

在广泛的应用中，无刷电机在技术和经济上提出了可行的替代方案。用电子开关替换电刷，与传统的直流电动机相比，这些电动机具有减小的尺寸，高扭矩，低动态响应时间和噪音等优点。

我们在这项研究中使用的电机是一个四极（2p=4），内定子和由四个表观极组成的磁芯的无刷直流电机，每个配有两个集中绕组。定子几何形状确定了可变气隙，其使电磁转矩平衡，减少了齿槽转矩。大块铁芯转子安装在外面，并有四个陶瓷磁铁放置在外边缘。

定子的旋转磁场由电子开关产生，电子开关由两个晶体管组成，两个晶体管以恒定电压（30-60）从相同的源提供定子绕组的串联线圈中的四组。

该方法的缺点是同时有四个电源线圈和四个阻塞线圈。 然而，优点在于，我们有一个简单的控制方案，低成本的变频器以恒定的转矩工作在开环中，效率和安全性高。

功率晶体管由与转子位置同步的逻辑系统命令。同步信号从放置在气隙电压中的霍尔变换器[2]和12V电源获得。传感器给出的频率指令为：

(1)

控制和电源电路研究的主要焦点是来自定子绕组的e.m.f. ，但是我们也确定了由霍尔发生器产生的信号的波形。 该研究使用无刷电动机在发电机模式下以n = 2730rpm的速度进行。

图2 电机电路

该分析确定了传感器的正确位置，以使脉冲与线圈的电压同步。 从霍尔获得的控制脉冲和来自定子线圈的EMF的波形如图3所示。

图3 霍尔指令脉冲和两个线圈的电压

二 用于无刷电机中磁场计算的二维有限元模型

为了确定磁力并建立无刷电机的性能，我们需要解决一个与瞬态模式电路相结合的磁场问题。 当定子极绕组以来自晶体管T1和T2的矩形脉冲命令并且励磁场由转子的永磁体产生时，该状态被建立。

图的几何对称性和周期性条件来自于图1建立了磁场的计算域[3]。 无刷电动机产生的电磁场的真实3D结构可以通过2D数值模型以高精度近似，因为问题的几何承认了平面对称性和定义问题的所有属性（几何，源，边界条件 ，和材料），这些都可以在所有的xOy平面中找到。

2D计算场的180°宽度也覆盖转子和定子的一对磁极，如图4。

图4 物理描述和计算

考虑到电路没有感应磁电流，场内的源由密度为Jne;0的电流通过的线圈和具有剩余感应的永磁体B r（r，t）=mu;0Mp（r， t）时间不变。系统瞬态模式的数学模型[3]由麦克斯韦方程描述：

通过式（3）应用可变方法的变化，引入未知磁矢量电位A。我们获得：

关系（5）不能确保磁矢量电位A的一致性。因此需要使用库仑条件（6）。

基于关系式（2），（4），（5）我们得到（7），其中我们知道J和B r，其解是磁矢量电位A.通过推导，我们可以确定B和H.

使用磁矢量电位A具有将所有方程减小到可应用于整个计算场的式（7）的优点。在2D场问题中，向量A具有明确定义的方向，式（7）的集成简化了计算单个未知标量的问题。

由外部转子铁芯表示的施加的边界条件分别提供磁矢量电位A t = 0的切向分量，磁感应B n = 0的正常分量。磁芯具有由式（4）定义的非线性磁特性。

三 实验和数据结果

解决现场问题意味着知道定子铁心中使用的片材的非线性特性B = f（H）和转子中使用的永磁体的退磁特性[4]。

数值模型在专业软件Flux 2D中实现，该软件产生了一个具有26,706个节点和18,246个二阶表面元素的网格，密度在气隙中最高（如图5）。从图中可以看出，有限元在99％的理想等边三角形中。

图5有限元计算域和二维网格的主要区域

（一）验证在发电机模式下运行的数值模型

验证模型的第一个阶段是将机器的运行模式考虑为n = 2730 rpm驱动的发电机模式。解决了在瞬态模式和磁场中使用耦合电路的几个问题，这导致了图6中以彩色图表示的场线和磁力的确定。

图6磁场图生成器

发电机模式绕组的电气模型如图1所示。 [5] R1和L1是第一绕组的电阻和电感，R2和L2是第二绕组的电阻和电感。 在两个绕组中感应的电压被施加到高电阻R_S1si R_S2。

图7发电机电路

图8给出了elf的测量值和计算值的变化。

图8电压测量和计算

为了在转子完全旋转的高保真度下，我们求解了361个等式（7）。 这些方程使用Delta;theta;= 1°离散化率来获得。 高保真度总是在离散化率和期望的计算速度方面取得平衡[6]。

（二）验证在电机模式下运行的数值模型

在这种情况下，电机通过30V直流电源供电，晶体管T1和T2接收来自放置在转子附近的霍尔传感器的矩形指令脉冲(图1的电源电路)。 如图2所示，通过用电触点G11 G12和G21 G22替换晶体管T1和T2(如图9)。

图9 电机电路

在t = 45·（30 /pi;·2552），t = 0，theta;= 0°时，电机的横截面磁场的映射图，在n = 2552°时theta;= 45° / min如图10所示。

图10 磁场图电机

从上面的等式可以看出，对于施加的速度驱动，需要时间Delta;t来完成俯仰角Delta;theta;= 1°。为了验证模型，我们在两种情况下都使用直接比较电流和电压的计算值与带负载的情况。如图11,12和13。

图11 通过电机线圈电流，空载

图12 线圈B1上的电压

图13 晶体管上的电压

结论

在开发数值模型时，计算出的电量回归的关键部分是由于磁芯和永磁体的材料特性，而且还是电机物理模型的设计特点。 在图8中，在给出了e.m.f的图形表示的情况下，可以注意到计算的e.m.f与测量的e.m.f的小偏差。 这是由于产生可变间隙的极的不对称性。

分析图11中的图形表示，我们可以看到线圈交替运行。 当电流通过线圈消失时，当导通关闭时，强制电流峰值出现在实模型上，应该使用另一个晶体管类来消除。 换向期间晶体管的负载也可以在图13中看到。测量值和计算值的比较可以得出电机有限元数值模型的验证。该模型可用于模拟不同速度，无负载和负载情况下的其他运行状态。

参考文献

[1] CEDRAT Recherche: Modeacute;lisation des pheacute;nomegrave;nes eacute;lectromagneacute;tiques par la meacute;thode des eacute;leacute;ments finis, -2005

[2] Corzine K. A., Sudhoff S. D., A hybrid observer for high performance brushless DC motor drives, IEEE Trans. On Energy Conversion, vol. 11, no. 2, pp. 318–323, Jun. 1996.

[3] M. A. Jabbar, H. N. Phyu, Zhejie Liu and Chao Bi.“Modeling and numerical simulation of a brushless permanent-magnet DC motor in dynamic conditions by time-

stepping technique”, IEEE Trans. on Industry Applications,Vol. 40, No. 3, pp. 763-770, May/June 2004

[4] A. Boglietti, M. Chiampi, D. Chiarabaglio, and M.Tartaglia, 'Finite element analysis of permanent magnet motors', IEEE Trans. Magn., vol. 25, pp.3584 -3586 1989

[5] M. Dai, A. Keyhani, and T. Sebastian, 'Torque ripple analysis of a permanent magnet brushless DC motor using finite element method', Proc. Electric Machines and Drives

Conf. (IEMDC 2001), pp.241 -245 2001

[6] .F.Laza, D.Cazacu, G.Champenois, M.M.Radulescu, ”Finite element analysis of a small flux-reversal doubly-salient permanent magnet motor”, The 6th International Symposium on electric and magnetic fields,Procc. ISSN 2030-5451, pp.179-182, Aachen, Germany, 6-9 October, 2003.

2016 International Conference on Advances in Electrical, Electronic and System Engineering, 14-16 Nov 2016, Putrajaya, Malaysia

针对高效多机设计的直流无刷电机的表征

Arif Hafifi Zulkipli 1 ,Thinal Raj 2 Fazida Hanim Hashim 3 , Aqilah Baseri Huddin 3 Department of Electric, Electronic and System Engineering, Faculty of Engineering and Built Environment

The National University of Malaysia, Selangor, Malaysia ariffhafiffy@gmail.com1,thinal@live.com2,fazida@ukm.my3,aqilah@ukm.edu.my

摘要：无人机（UAV）由于其独特的功能而近日在众多行业中获得普及。 由于价格合理，多用途飞机正在越来越多地取代传统的直升机和固定翼面作为最常生产的微型飞行器。 与固定翼飞机的长途飞行操作不同，多机只能在短时间内运行。多机器的性能取决于使用的电机的特性。将更多的有效载荷添加到多用户将会在稳定性和飞行时间方面降低性能。本文的目的是研究无刷直流电机的特点，以实现多机设计。确定无刷直流电机特性的实验分为两部分。实验的第一部分是在各种负载下的升力，功耗和电流消耗的测量。实验的下一部分是螺旋桨RPM的测量。所有实验使用相同的螺旋桨，电机和电子速度控制器（ESC）设置进行。从实验收集的数据用于生成五个特征图，其中包括螺旋桨旋转与节气门，功率与螺旋桨旋转，升力与节气门，电流与节气门，最后功率与节流。此外，估计了飞行时间与油门输入的图表。所有数据用于构建参考表，以估计各种多机配置的最小起飞油门输入和飞行时间。总之，参考表和图表可以帮助多机设计师设计八声道飞机。

关键字：直流无刷电机，多机，无人驾驶的航空器，微型飞行器，远程驾驶车

一 介绍

多机是一种可以归类为无人机（UAV）的飞机，由于不需要机上飞行员来控制其飞行[1]。 由于多螺旋桨的动力学特征，多机设计在控制和稳定性方面优于直升机[2]。 随着时间的推移，与现代高速电子设备的帮助相比，多机设计已经演变为更好的

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