液壓電機(jī)泵中電機(jī)定子形狀對(duì)電磁特性的影響

冀宏，汪翔羚

(蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，甘肅蘭州730050)

液壓電機(jī)泵是將浸油電動(dòng)機(jī)和液壓泵集成在一個(gè)殼體內(nèi)的新型一體化電動(dòng)液壓動(dòng)力單元，電動(dòng)機(jī)和液壓泵共用同一根軸，省去冷卻風(fēng)扇，由油流冷卻，轉(zhuǎn)軸無外伸軸、無需動(dòng)密封，具有結(jié)構(gòu)緊湊、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)[1－2]。為了獲得體積更小的電機(jī)泵，考慮縮小電機(jī)定子外形尺寸，作者設(shè)計(jì)了八邊形電機(jī)。運(yùn)用Ansoft RMxprt模塊分析電機(jī)定子外徑變化對(duì)電機(jī)性能的影響，然后采用Ansoft Maxwell 2D 對(duì)八邊形電機(jī)進(jìn)行空載瞬態(tài)計(jì)算和分析，最后對(duì)比分析了八邊形電機(jī)與圓形電機(jī)的電磁性能。

1 八邊形電機(jī)結(jié)構(gòu)

作者在原液壓電機(jī)泵(其結(jié)構(gòu)及工作原理詳見文獻(xiàn)[1－2])圓形電機(jī)(如圖1(a))的基礎(chǔ)上對(duì)液壓電機(jī)泵電機(jī)定子的外形進(jìn)行了設(shè)計(jì)(見圖1(b)所示)，提出了液壓電機(jī)泵八邊形電機(jī)結(jié)構(gòu)。由圖1可知，八邊形電機(jī)定子外形尺寸較圓形電機(jī)有所減小，其轉(zhuǎn)子和泵芯部分沒有改變。

圖1 電機(jī)泵剖面圖

液壓電機(jī)泵圓形電機(jī)的主要參數(shù)見表1。為了分析電機(jī)定子外徑變化對(duì)電機(jī)性能的影響，在前處理RMxprt模塊中調(diào)整液壓電機(jī)泵圓形電機(jī)外徑尺寸，將原來的定子外徑改為參數(shù)L1，L1的取值范圍為250～260 mm，每1 mm為一個(gè)計(jì)算步長，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到電機(jī)性能參數(shù)隨定子外徑的變化，如表2所示。

表1 液壓電機(jī)葉片泵電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

表2 液壓電機(jī)泵電機(jī)隨定子外徑變化的性能參數(shù)

表2列出了電機(jī)定子外徑變化時(shí)，定子軛部磁密、定子齒部磁密、氣隙磁密、轉(zhuǎn)矩及空載電流隨電機(jī)定子外徑的變化數(shù)據(jù)。為了保證電機(jī)合理的鐵心損耗和空載電流，定子軛部磁通密度一般低于定子齒部磁通密度[3]。由表2可以看出，液壓電機(jī)泵電機(jī)定子外徑取值范圍在255～260 mm之間時(shí)，定子軛部磁密小于定子齒部磁密。

取電機(jī)定子外徑為255 mm，并切掉八個(gè)邊以提供一定的通流面積，作為電機(jī)泵冷卻流道，設(shè)計(jì)出八邊形電機(jī)。經(jīng)計(jì)算，設(shè)計(jì)出的八邊形電機(jī)定子比原液壓電機(jī)泵中圓形電機(jī)定子的體積減小16% (如圖1所示)。

2 圓形電機(jī)與八邊形電機(jī)電磁性能比較

2.1 電機(jī)模型的建立

采用Ansoft Maxwell 2D軟件分別建立圓形電機(jī)和八邊形電機(jī)的二維有限元模型。現(xiàn)假設(shè)如下:因?yàn)殡娫吹念l率很低，位移電流可以忽略;不考慮端部效應(yīng);忽略定子鐵心外表面和轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)表面的漏磁;電磁場的各場量隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化[4]。

(1)構(gòu)建模型

在項(xiàng)目管理器中建立電機(jī)有限元分析項(xiàng)目，采用瞬態(tài)求解器Transient。建立xy 平面幾何模型。電機(jī)電磁場有限元模型如圖2所示。

圖2 電機(jī)泵定轉(zhuǎn)子部分幾何模型

(2)定義材料屬性

指定模型所用的材料:電機(jī)定子鐵心與轉(zhuǎn)子鐵心材料為D23，線圈指定為Copper，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條材料指定為Copper_75C。指定Inner_region、Out_region、Air_gap以及Band為Oil Hydraulic。由于液壓電機(jī)泵電機(jī)是全部浸在液壓油中的，材料庫中并無此種材料，需要將材料特性輸入到電機(jī)材料數(shù)據(jù)庫中。其中液壓油相對(duì)磁導(dǎo)率μr(MURX)=1[5]，密度取為850 kg/m3。

(3)網(wǎng)格剖分與求解設(shè)置

設(shè)置定子外徑的邊界矢勢為0，添加三相電壓激勵(lì)源。設(shè)置運(yùn)動(dòng)選項(xiàng)，并考慮電機(jī)空載啟動(dòng)過程。對(duì)模型進(jìn)行剖分，采用Inside Selection 命令對(duì)電機(jī)整體進(jìn)行內(nèi)部剖分，并使用Surface Approximation 命令對(duì)邊界曲線的部位進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)致剖分。為使計(jì)算精確，在氣隙部分剖分較密，網(wǎng)格剖分如圖3所示。

圖3 電機(jī)網(wǎng)格劃分

設(shè)置硅鋼片鐵損系數(shù)，并選擇求解參數(shù)——定子的鐵心損耗(Core Loss)。在求解參數(shù)的設(shè)置中設(shè)置步長為0.001 s，計(jì)算時(shí)間為0.4 s。設(shè)置模型長度為155 mm。

2.2 仿真結(jié)果分析

針對(duì)八邊形電機(jī)空載啟動(dòng)進(jìn)行分析。當(dāng)電機(jī)空啟動(dòng)至穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電機(jī)勵(lì)磁電流If=4.93 A，轉(zhuǎn)速n=1 450 r/min。

由圖4可見:當(dāng)八邊形電機(jī)運(yùn)行時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩在啟動(dòng)過程中波動(dòng)明顯，由于液壓油的負(fù)載效應(yīng)[6]，使得電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩增大。電磁轉(zhuǎn)矩大幅波動(dòng)的過程中，電機(jī)轉(zhuǎn)速快速增加，在t=0.3 s 附近趨于穩(wěn)定。由圖5可見:在電機(jī)空載啟動(dòng)過程中，三相電流波動(dòng)幅值很大，這種沖擊電流對(duì)電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性有很大影響，在t=0.2 s 附近，三相電流對(duì)稱分布，且基本接近正弦。圖6為電機(jī)空載啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化曲線圖，其中從啟動(dòng)到t=0.22 s 轉(zhuǎn)速變化較大，t=0.22 s以后轉(zhuǎn)速變化平緩，逐步達(dá)到同步轉(zhuǎn)速1 500 r/min。圖7所示為電機(jī)空載啟動(dòng)時(shí)電機(jī)籠型繞組中的感應(yīng)電流在電機(jī)啟動(dòng)過程中感生出較大的電流，從而產(chǎn)生較大的電磁轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的電流與啟動(dòng)時(shí)電機(jī)負(fù)載大小有關(guān)，當(dāng)電機(jī)里充滿液壓油時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)相當(dāng)于增加了負(fù)載[7]。最后隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的提高，轉(zhuǎn)子籠型繞組切割磁場的頻率增加，感應(yīng)電流減小，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 450 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)子籠型繞組電流接近0。大約t=0.3 s時(shí)，電機(jī)工作穩(wěn)定處于空載狀態(tài)。

圖4 空載啟動(dòng)時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩曲線

圖5 空載啟動(dòng)時(shí)三相繞組電流曲線

圖6 空載啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速曲線

圖7 空載啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)子電流曲線

2.3 圓形電機(jī)與八邊形電機(jī)電磁場比較

對(duì)于圓形電機(jī)和八邊形電機(jī)，由于定子外形尺寸不同，首先考察不同模型定子軛部磁密及齒部磁密的大小。圖8是t=0.3 s時(shí)的電機(jī)定子軛部磁密在軛部中心圓(軛部平均直徑)上磁感應(yīng)強(qiáng)度模的曲線。可以看出，八邊形電機(jī)的軛部磁密大于圓形電機(jī)軛部磁密。在軛部中心圓上，圓形電機(jī)最大軛部磁密為1.350 1 T，平均軛部磁密為0.874 7 T;八邊形最大軛部磁密為1.637 1 T，平均軛部磁密為1.072 1 T。分析其主要原因，是由于磁束閉環(huán)上各部分的有效寬度決定其通過的磁通密度，八邊形電機(jī)定子軛部鐵心截面減小，其有效軛部磁路寬度減小，在磁通量不變的前提下，八邊形電機(jī)的軛部磁密較大。

圖8 定子軛部中心圓上磁感應(yīng)強(qiáng)度模的曲線

圖9是t=0.3 s時(shí)的電機(jī)定子齒部磁密在齒部中心半圓(半圓位于定子齒一半高度處)上磁感應(yīng)強(qiáng)度模的曲線?？梢钥闯?與軛部磁密相比，齒部磁密變化比較小，在同樣的三相電壓激勵(lì)源條件下，圓形電機(jī)齒部最大磁密為1.606 1 T，八邊形電機(jī)齒部最大磁密為1.562 3 T，兩者相差較小。這主要是由于圓形電機(jī)與八邊形電機(jī)的不同之處在于軛部鐵心截面的變化，對(duì)軛部磁密影響較大，而對(duì)齒部磁密影響較小。最后校驗(yàn)定子齒最小截面處的齒磁密，不應(yīng)該超過2 T。當(dāng)t=0.3 s時(shí)圓形電機(jī)定子齒部最小截面處的平均齒磁密為1.225 5 T，八邊形電機(jī)定子最小截面處的平均齒磁密為1.287 0 T，其值都未超過2 T，說明八邊形電機(jī)設(shè)計(jì)合理。

圖9 定子齒部中心半圓上磁感應(yīng)強(qiáng)度模的曲線

圖10為電機(jī)空載運(yùn)行0.3 s時(shí)的磁通密度分布圖。可知:八邊形電機(jī)和圓形電機(jī)磁密分布相似，且磁密較大的部分主要出現(xiàn)在一相的定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組之間(大小見圖10所示)。八邊形電機(jī)定子軛部四極對(duì)稱部位磁密較大，定子軛部最高磁密為1.946 4 T，圓形電機(jī)定子軛部最高磁密為1.558 3 T，可見八邊形電機(jī)軛部磁密較圓形電機(jī)軛部磁密局部有所變大。

圖10 磁通密度云圖

為了更好地分析磁通密度的分布，在Ansoft 后處理中，利用場計(jì)算器繪制出t=0.3 s時(shí)八邊形電機(jī)與圓形電機(jī)氣隙中心磁通密度變化曲線，如圖11所示。理想的氣隙磁密隨圓周長度的變化曲線應(yīng)該是正弦曲線，且呈現(xiàn)周期性變化趨勢。由圖11可知，八邊形電機(jī)和圓形電機(jī)在不同程度上都存在諧波分量，且變化趨勢與普通空冷電機(jī)相同。諧波磁勢會(huì)對(duì)電機(jī)泵帶來一系列不利的影響，如產(chǎn)生較大的損耗而使電機(jī)的效率降低和溫升增高，產(chǎn)生較大的振動(dòng)、噪聲和附加轉(zhuǎn)矩，影響電機(jī)啟動(dòng)等[8]。利用FFT函數(shù)對(duì)曲線進(jìn)行傅里葉變換，頻譜圖如圖12所示。圓形電機(jī)的基波幅值為0.757 37，較大幅值的諧波為0.178 5，占基波幅值的23.57%;八邊形電機(jī)的基波幅值為0.757 14，較大幅值的諧波為0.176 73，占基波幅值的23.34%。其余諧波幅值較小，在此忽略不計(jì)。可見，八邊形電機(jī)諧波分量較小，因此造成的影響較小。

圖11 空載氣隙磁通密度沿圓周方向變化曲線

圖12 氣隙磁通密度傅里葉分析

3 總結(jié)

利用Ansoft軟件對(duì)液壓電機(jī)泵中圓形電機(jī)與八邊形電機(jī)空載穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的電磁場進(jìn)行分析與計(jì)算，得到如下結(jié)論:

(1)所設(shè)計(jì)的八邊形電機(jī)電磁性能合理，其定子體積較圓形電機(jī)定子體積減小16%，八邊形電機(jī)定子軛部磁密有所增加，磁密最大值為1.946 4 T。相比圓形電機(jī)，八邊形電機(jī)氣隙諧波分量影響較小。

(2)八邊形電機(jī)是依據(jù)普通空冷電機(jī)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)的。在液壓油冷卻情況下，電機(jī)的冷卻效果更好，考慮在此基礎(chǔ)上對(duì)樣機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，能進(jìn)一步縮小電機(jī)尺寸。

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