電動輪椅永磁盤式電機有限元分析

鄒 文， 邵大偉， 張 鋼, 陳阿三， 張 全

(1. 上海大學 機電工程與自動化學院，上海 200072；2. 沈陽普泰安科技有限公司，遼寧 沈陽 110000；3. 寧波韻升股份有限公司 中央研究院，浙江 寧波 315040)

電動輪椅永磁盤式電機有限元分析

鄒 文1,3， 邵大偉2， 張 鋼1, 陳阿三3， 張 全1,3

(1. 上海大學 機電工程與自動化學院，上海 200072；2. 沈陽普泰安科技有限公司，遼寧 沈陽 110000；3. 寧波韻升股份有限公司 中央研究院，浙江 寧波 315040)

基于低頻電磁場有限元分析軟件Ansoft Maxwell，對一電動輪椅用永磁盤式電機進行3D建模與電磁場分析，分別就其空載氣隙磁密、齒槽轉矩、空載反電勢、空載漏磁系數及軸向吸力進行了詳細探討，并試制了一臺樣機用于測試。對比仿真與測試結果，驗證仿真結果的正確性。相關的仿真研究，可為同類盤式電機的分析設計提供參考。

電動輪椅； 永磁盤式電機； 有限元分析

0 引 言

隨著我國人口老齡化進程的加快，以及因生產事故、交通事故等因素導致的殘疾人口的增加，用于老年人士、殘疾人士的電動輪椅的開發及生產日漸得到了大家的重視。其中尤以輪椅電驅動關鍵部件的研發備受關注。永磁盤式電機因其具有軸向尺寸短、結構緊湊、轉矩重量比大、低速運行平穩、功率密度高等優點，廣泛應用于工業自動化及航空航天業。此外，該類電機可以很方便地制成多氣隙組合式以及多對極結構，可進一步提高轉矩、降低轉速。這些都使得它特別適合應用于電動輪椅類低轉速、大扭矩驅動場合[1]。

針對電動輪椅的低速大扭矩、高可靠性與經濟性等特殊要求，電動輪椅采用一單轉子單定子盤式電機驅動。鑒于此類電機的軸向磁拉力的作用，需要相應軸承與之配合使用。由于盤式電機獨特的三維磁路結構，決定了對盤式電機的電磁場分析必須使用3D有限元模型，才能精確地模擬電機內部的電磁場。應用Ansoft Maxwell 3D模塊建立單轉子單定子永磁盤式電機模型，并對該電機進行電磁場分析，通過仿真結果來預估所設計的電機性能，從而降低研發成本，試制了一臺樣機用于電機測試。對比仿真與測試結果，驗證仿真結果的正確性。相關的仿真可為盤式電機電磁分析提供參考，同時為盤式電機的優化設計提供一定的依據。

1 永磁盤式電機電磁場分析

按照定轉子數量的不同，盤式電機可分為單轉子單定子結構、單轉子雙定子結構、雙轉子單定子結構及多轉子多定子結構[2]。在設計之初，除了考慮上述因素外，還需兼顧定子與轉子結構等。其中，定子結構主要指的是平行槽結構(見圖1)與平行齒結構(見圖2)，而轉子結構主要指的是磁鋼結構。平行槽結構的定子大都由專用卷沖設備一次成型，邊沖邊卷，也可先卷制后機加工。平行齒結構一般采用先卷制后機加工的工藝，或者定子齒與定子軛分塊制造，而后拼裝并用環氧樹脂固化處理[3]。轉子結構如圖3所示，方形磁鋼、梯形磁鋼及環形磁鋼因其制造成本低且加工方便而常被使用。

圖1 平行槽結構

圖2 平行齒結構

圖3 轉子磁鋼結構

1.1 電機基本參數

通過對輪椅的起動特性、勻速運行特性、加速特性、爬坡特性的分析，以及參考電動輪椅國家標準GB12996—1991，得出輪椅驅動運行相關的參數如功率、轉矩及轉速等。結合電機實際運行情況，綜合考慮電機驅動性能及制造工藝的復雜程度，將單轉子單定子盤式電機的相關設計參數歸納如表1所示。

表1 盤式電機基本參數

1.2 模型及電磁場分析的幾點假設

(1) 對定子及轉子部分圓角、倒角等細微之處作近似處理；

(2) 忽略加工及裝配誤差對結構的影響；

(3) 永磁體軸向均勻磁化，并將電機填充實體部分如環氧樹脂等等效成空氣。

1.3 空載氣隙磁密分析

氣隙是電機進行電能與機械能轉換的所在，也是磁路設計的重要參數。傳統的氣隙磁密計算往往是先預估或查表得出漏磁系數，預選永磁體工作點，然后進行磁路計算，最終校核永磁體工作點[4]。由于盤式電機的特殊結構，其氣隙磁密不僅沿周向變化，且徑向磁密也是變化的，故其難以通過經驗計算準確地獲得氣隙磁密，而必須采用3D數值有限元分析。單轉子單定子盤式電機一對極下3D氣隙磁密分布如圖4所示。其氣隙磁密在圓周方向呈現出近似正弦分布，而在徑向方向呈現近似梯形分布，平均磁感應強度為0.6T。實際上，定性要求時為了簡化處理，可分別分析平均半徑處的周向氣隙磁密分布規律和極中心處的徑向磁密分布規律，即可以基本上得出真實的氣隙磁場分布情況。

圖4 氣隙磁密分布

1.4 齒槽轉矩分析

永磁電機齒槽轉矩由電機的物理結構引起，是永磁電機繞組不通電時轉子永磁體和定子鐵心之間的相互作用產生的轉矩，更確切地說是永磁體與電樞齒槽結構之間相互作用力的切向分量的波動引起的一種振蕩轉矩。這種作用力試圖將電樞齒和永磁體的位置保持對齊，并且該轉矩與繞組通電與否無關，即使繞組中沒有電流，這種轉矩也會存在[5]。由于單轉子單定子盤式電機的定子部分使用了開槽的鐵心結構，不可避免地會產生齒槽轉矩，引起噪聲和振動，以及速度和轉矩波動，從而影響電機的控制及輪椅的舒適性，故在盤式電機設計階段必須將齒槽轉矩限制在一定的范圍內。

應用Ansoft Maxwell 3D瞬態場仿真齒槽轉矩時，需在不加激勵時設置較低的轉速(一般取1deg/s)，并且要加密定子齒部、永磁體及氣隙處的網格，因為齒槽轉矩對網格比較敏感。然而，對于氣隙網格的劃分，最重要的是合理處理band處的網格，故需將氣隙分層劃分網格且適當加密，直至前后兩次分析結果相差在0.5%以內，即計算結果基本與網格無關。由文獻[6]可知，轉子旋轉一圈出現齒槽轉矩的基波周期數等于定子槽數和轉子極數的最小公倍數LCM(Z，2P)，故轉子齒槽轉矩的基波周期數為2π/LCM(24,16)=7.5°。圖5為單轉子單定子盤式電機仿真齒槽轉矩分布圖。其基波周期數為7.5°，與理論值相吻合，而最大值為105mN·m，為額定轉矩的6%，故需對其齒槽轉矩進行優化，優化后齒槽轉矩為25mN·m，為額定轉矩的1.4%。對于伺服電機，通常需將其限定在額定轉矩的0.5%以內，而對于輪椅驅動，由于機械慣性，可將其適當地放大到額定轉矩的3%以內。

圖5 齒槽轉矩分布

1.5 空載反電勢分析

盤式電機的空載反電勢解析式為

(1)

額定轉速下的空載相反電勢波形如圖6所示。峰值為8.3V，繞組反電勢波形分布及對稱性較好。對空載反電勢進行傅里葉分析，基波頻率為p·n/60=8×650/60=86.67Hz，幅值為6.5118V，諧波含量比較低。因繞組為星型連接，則3次及3的倍數次諧波會相互抵消。

圖6 空載反電勢

1.6 空載漏磁系數

空載漏磁系數σ0為電機空載情況下永磁體向外磁路提供的總磁通與外磁路的主磁通之比，表現為空載時永磁體向外磁路提供的總磁通的有效利用程度，換言之，表明了永磁體的利用率[7]。空載漏磁系數也在一定程度上反映了永磁體抗去磁的能力?？蛰d漏磁系數大，表明對電樞反應的分流作用大，電樞反應對永磁體兩端的實際作用值的磁動勢就越小，永磁體的抗去磁能力就強?？蛰d漏磁系數的準確計算需要求解永磁同步電機的三維磁場，綜合電機空載時的磁矢量云圖(見圖7)、磁鋼三維磁密曲線圖及磁鏈曲線圖(見圖8)，根據式(2)，可求出此電機空載漏磁系數為1.5。

(2)

1.7 空載軸向力分析

單轉子單定子盤式電機因其轉子磁鋼與定子鐵心之間的相互作用，不可避免地產生軸向磁吸力。故在安裝盤式電機時需要裝備相應的工裝夾具，如圖9所示。裝配時需將轉子端部與推柄端盤用螺紋固定，然后推動推柄以克服電機定子與轉子間的吸力，方便定子與轉子的裝配。仿真得出需克服的軸向力為58.578N。

圖7 電機磁矢量云圖

圖8 磁鏈分布圖

圖9 電機裝配工裝

2 試驗測試與仿真對比

針對仿真分析結果，試制了一款樣機，并搭建了相應的測試系統。測試系統如圖10所示，由電機測試工裝夾具、聯軸器、對拖電機、盤式電機、盤式電機驅動器及相應的控制柜組成。測量到盤式電機的線反電勢波形如圖11所示，反電勢波形分布及對稱性較好，峰值為14.25V，換算成相電壓峰值為8.23V，與仿真反電勢相電壓幅值相差0.84%，所以測試結果與仿真值較吻合。

圖10 試驗測試系統

圖11 額定轉速反電勢波形

3 結 語

本文通過應用Ansoft Maxwell對一輪椅用盤式電機的電磁場進行三維有限元仿真，分別對電機空載氣隙磁密、齒槽轉矩、空載反電勢、空載漏磁系數及軸向力進行了詳細分析，結果表明： 此電機滿足設計要求。仿真結果也可為同類電機的電磁設計和優化研究提供一定的思路與參考。

[1] GIERAS J, WANG R J, KAMPER M J. Axial Flux Permanent Magnet Brushless Machines[M]. Berlin: Springer Netherlands,2008.

[2] 杜智明.盤式低速永磁同步電機電磁場分析[D].天津： 天津大學，2007.

[3] 鄒文，竺韻德，張鋼，等.基于Ansoft Maxwell的盤式永磁電機齒槽轉矩的優化設計[J].微特電機，2015,43(12)： 10-13.

[4] 王凌峰.盤式永磁無刷直流電機的電磁設計[D].杭州： 浙江大學，2005.

[5] 王秀和.永磁電機[M].北京： 中國電力出版社，2007.

[6] 劉婷.表貼式永磁同步電機齒槽轉矩削弱方法研究[D].長沙： 湖南大學，2012.

[7] 唐任遠.現代永磁電機理論與設計[M].北京： 機械工業出版社,1997.

Finite Element Analysis of Disc-Type Permanent Magnet Motor for Electrical Wheelchair

ZOUWen1，3,SHAODawei2,ZHANGGang1,CHENAsan3,ZHANGQuan1,3

(1. College of Mechatronic Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai 200072, China; 2. Shenyang P.T. Security Technology Co., Ltd., Shenyang 110000, China; 3. Central Research Academy, Ningbo Yunsheng Co., Ltd., Ningbo 315040, China)

Based on the low frequency electromagnetic analysis software Ansoft Maxwell, a disc-type permanent magnet motor applied for the driving of electrical wheelchair was modeled and analysed three dimensionally. And then the analysis result was discussed simultaneously mainly focus on the motor without load. Meanwhile, a prototype was also fabricated for the testing experiment and comparison of the simulation result was explored and validate. While the analys was process could provided some guidance for the related disc-type motor design.

electrial wheel chair； disc-type permanent magnet motor； finite element analysis(FEA)

鄒 文(1990—)，男，碩士研究生，研究方向為永磁盤式電機設計與控制。

TM 351

A

1673-6540(2017)02- 0083- 04

2016-01-19