高功率密度无刷直流电动机设计研究
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本文研究的高功率密度无刷直流电机用于电动 伺服系统中,具有重量轻、转速高、可靠性高等特点,
·35·
采用三相六状态的方波驱动方式,电机主要性能要
求见表 1。
表 1摇
电机主要性能要求
项摇 摇 目 工作电压
极对数 空载
0. 8N·m 1. 2N·m 1. 5N·m
性能参数 100V 3 对极
>16000rpm >14000rpm >13000rpm >12000rpm
Design and research of high power density brushless DC motor
TAN Er,ZHAO Fei,QIN Wanjian
Abstract:A high power density brushless DC motor is presented in this paper. The application prospect of high power densi鄄 ty brushless DC motor is introduced. The basic points of electromagnetic field and stress field design of the motor are expoun鄄 ded,and the electromagnetic field and stress field are simulated. The simulation results show that each working point of the motor satisfied the technical performance requirements and the design of the whole machine structure strength and rotor reso鄄 nance frequency is reasonable. The experimental results show that the design of the motor is correct. Keywords:high power density,brushless DC motor,electromagnetic field,stress field,resonance frequency
0摇 引言
高功率密度电机是指单位体积或重量输出功率 高的电机,功率密度指标的高低主要取决于电机的 结构形式、电机的设计水平、材料水平、制造水平等 综合因素[1] 。 高功率密度电机在武器装备中用作 驱动元件以及能源输出元件,主要应用于( 导弹、鱼 雷、飞机) 舵系统、飞机电动缸以及油泵系统、飞航 式导弹以及飞机电源系统、军事机器人关节驱动等, 在武器系统里起到至关重要的作用,直接影响武器 装备的效能。 为适应未来高科技战争的需要,高功 率密度电机对武器系统性能的提升起着至关重要的 作用[2] 。 因此有必要对高功率密度电机的性能和 工作可靠性进行设计研究。 本文研究的高功率密度 无刷直流电机主要针对电磁场、应力场进行设计方 法研究。
1摇 电磁场设计
无刷直流电动机是用永磁体建立磁场的一种直 流电机,具有很好的机械特性和调节特性。 它具有 体积小、效率高、转速变化范围大、有较大的起动转 矩、励磁方法简单等特点。 因而,其用途比较广泛, 特别适用于对性能、体积、重量要求更高的场合,如 航天航空高功率密度电机等领域[3-4] 。
根据高功率密度电机性能指标需对电机进行初 步分析计算, 通 过 调 整 电 机 的 极 槽 配 合 方 式、 长 径 比、磁钢极弧系数等对电机进行优化设计,利用软件 设置优选目标,对电机进行参数化Fra Baidu bibliotek计,选取最优的 结果,同时通过仿真分析和实验考核确定电机的技 术状态。
为了在安全范围内最大限度增大电机电负荷和
磁负荷,电机采用 6 极 18 槽的极槽配合方式,并且
采用高饱和设计思路。
根据电机输出功率公式:
P2
=
1 6. 1
琢
啄
A啄B啄
nN 姿D3e2
伊
10 -8
(1)
其中: P2 — 输出功率;琢啄— 极弧系数;A啄— 电负荷; B啄 — 气隙磁密;nN— 转速;姿— 电机长径比;De2 — 电 机铁芯外径。
(2)
式中:M 代表质量矩阵,C 为阻尼矩阵,K 为刚度矩
阵,x 为位移量,F 为所加载荷。 J 为转动惯量矩阵,
B 为机械阻尼矩阵,兹o(t) 为输出转速,兹i(t) 为输入 转速。
考虑到本电机的 实 际 工 作 情 况, 忽 略 阻 尼 矩阵
对旋转系统的影响,因而电机的平动与转动状态方
程如下所示: M[·x·] + K[ x] = F
高功率密度无刷直流电动机设计研究
谭摇 耳1,2 ,赵摇 飞1,2 ,覃万健1,2
(1. 贵州航天林泉电机有限公司,贵州 贵阳 550081;2. 国家精密微特电机工程技术研究中心,贵州 贵阳 550081)
摘摇 要:本文提出了一种高功率密度无刷直流电动机,介绍了高功率密度无刷直流电动机的应用前景,阐述了该电 机电磁场和应力场设计的基本要点,并对其进行了电磁场和应力场仿真。 仿真结果表明,电机各个工作点满足技术 性能要求,整机结构强度和转子共振频率设计合理。 试验结果验证了该电机设计的正确性。 关键词:高功率密度摇 无刷直流电动机摇 电磁场摇 应力场摇 共振频率 中图分类号:TM341摇 摇 摇 摇 摇 文献标识码:A摇 摇 摇 摇 摇 文章编号:1002-6886(2019)03-0035-04
通过优化设计,电机铁芯外径选 58 mm,转子磁
钢极弧系数选 0. 8。
2摇 应力场设计
由弹性力学有限 元 法, 经 分 析 可 得 转 子 振 动系
统在笛卡尔坐标系中的运动微分方程[5] :
M[·x·] + C[·x] + K[ x] = F
J
d2 dt2
兹o( t)
+
B
d dt
兹o(
t)
+
K兹o(t) = K兹i(t)
J
d2 dt2
兹o(
t)
+
K兹o(t) =
K兹i( t)
(3)
本项目涉及的高功率密度电机工作环境要求电
机能承受最大 100g 的加速度冲击,而且电机转速较
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采用三相六状态的方波驱动方式,电机主要性能要
求见表 1。
表 1摇
电机主要性能要求
项摇 摇 目 工作电压
极对数 空载
0. 8N·m 1. 2N·m 1. 5N·m
性能参数 100V 3 对极
>16000rpm >14000rpm >13000rpm >12000rpm
Design and research of high power density brushless DC motor
TAN Er,ZHAO Fei,QIN Wanjian
Abstract:A high power density brushless DC motor is presented in this paper. The application prospect of high power densi鄄 ty brushless DC motor is introduced. The basic points of electromagnetic field and stress field design of the motor are expoun鄄 ded,and the electromagnetic field and stress field are simulated. The simulation results show that each working point of the motor satisfied the technical performance requirements and the design of the whole machine structure strength and rotor reso鄄 nance frequency is reasonable. The experimental results show that the design of the motor is correct. Keywords:high power density,brushless DC motor,electromagnetic field,stress field,resonance frequency
0摇 引言
高功率密度电机是指单位体积或重量输出功率 高的电机,功率密度指标的高低主要取决于电机的 结构形式、电机的设计水平、材料水平、制造水平等 综合因素[1] 。 高功率密度电机在武器装备中用作 驱动元件以及能源输出元件,主要应用于( 导弹、鱼 雷、飞机) 舵系统、飞机电动缸以及油泵系统、飞航 式导弹以及飞机电源系统、军事机器人关节驱动等, 在武器系统里起到至关重要的作用,直接影响武器 装备的效能。 为适应未来高科技战争的需要,高功 率密度电机对武器系统性能的提升起着至关重要的 作用[2] 。 因此有必要对高功率密度电机的性能和 工作可靠性进行设计研究。 本文研究的高功率密度 无刷直流电机主要针对电磁场、应力场进行设计方 法研究。
1摇 电磁场设计
无刷直流电动机是用永磁体建立磁场的一种直 流电机,具有很好的机械特性和调节特性。 它具有 体积小、效率高、转速变化范围大、有较大的起动转 矩、励磁方法简单等特点。 因而,其用途比较广泛, 特别适用于对性能、体积、重量要求更高的场合,如 航天航空高功率密度电机等领域[3-4] 。
根据高功率密度电机性能指标需对电机进行初 步分析计算, 通 过 调 整 电 机 的 极 槽 配 合 方 式、 长 径 比、磁钢极弧系数等对电机进行优化设计,利用软件 设置优选目标,对电机进行参数化Fra Baidu bibliotek计,选取最优的 结果,同时通过仿真分析和实验考核确定电机的技 术状态。
为了在安全范围内最大限度增大电机电负荷和
磁负荷,电机采用 6 极 18 槽的极槽配合方式,并且
采用高饱和设计思路。
根据电机输出功率公式:
P2
=
1 6. 1
琢
啄
A啄B啄
nN 姿D3e2
伊
10 -8
(1)
其中: P2 — 输出功率;琢啄— 极弧系数;A啄— 电负荷; B啄 — 气隙磁密;nN— 转速;姿— 电机长径比;De2 — 电 机铁芯外径。
(2)
式中:M 代表质量矩阵,C 为阻尼矩阵,K 为刚度矩
阵,x 为位移量,F 为所加载荷。 J 为转动惯量矩阵,
B 为机械阻尼矩阵,兹o(t) 为输出转速,兹i(t) 为输入 转速。
考虑到本电机的 实 际 工 作 情 况, 忽 略 阻 尼 矩阵
对旋转系统的影响,因而电机的平动与转动状态方
程如下所示: M[·x·] + K[ x] = F
高功率密度无刷直流电动机设计研究
谭摇 耳1,2 ,赵摇 飞1,2 ,覃万健1,2
(1. 贵州航天林泉电机有限公司,贵州 贵阳 550081;2. 国家精密微特电机工程技术研究中心,贵州 贵阳 550081)
摘摇 要:本文提出了一种高功率密度无刷直流电动机,介绍了高功率密度无刷直流电动机的应用前景,阐述了该电 机电磁场和应力场设计的基本要点,并对其进行了电磁场和应力场仿真。 仿真结果表明,电机各个工作点满足技术 性能要求,整机结构强度和转子共振频率设计合理。 试验结果验证了该电机设计的正确性。 关键词:高功率密度摇 无刷直流电动机摇 电磁场摇 应力场摇 共振频率 中图分类号:TM341摇 摇 摇 摇 摇 文献标识码:A摇 摇 摇 摇 摇 文章编号:1002-6886(2019)03-0035-04
通过优化设计,电机铁芯外径选 58 mm,转子磁
钢极弧系数选 0. 8。
2摇 应力场设计
由弹性力学有限 元 法, 经 分 析 可 得 转 子 振 动系
统在笛卡尔坐标系中的运动微分方程[5] :
M[·x·] + C[·x] + K[ x] = F
J
d2 dt2
兹o( t)
+
B
d dt
兹o(
t)
+
K兹o(t) = K兹i(t)
J
d2 dt2
兹o(
t)
+
K兹o(t) =
K兹i( t)
(3)
本项目涉及的高功率密度电机工作环境要求电
机能承受最大 100g 的加速度冲击,而且电机转速较