高功率密度無刷伺服電機多物理場綜合設計

楊素香，單鵬飛，郝 葉，肖淵海，陳薇薇

（中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海200233）

0 引 言

現有武器裝備及未來武器裝備發展為提高產品可靠性及長壽命要求，執行機構多采用無刷伺服電機作為動力源。無刷電機具有結構優勢：其發熱源位于電機外圍，更有利于高功率密度產品的散熱；無接觸換相，可靠性更高，可實現長壽命的要求。

武器裝備小型化的迅速發展，對驅動機構產品性能提出了小體積、高功率輸出的更高要求。小體積高功率密度無刷伺服電機多應用于短時、少頻次場景中，也適用于很多比較特殊的應用狀況，目前對該類電機的需求越來越大。高功率密度電機的功率密度比同類電機高出2～3倍，由于體積小，速度、功率的大幅增加會導致電機各部分損耗增加。如何通過合理的電磁方案來減少電機內部各部分損耗，是產品功能性能實現的關鍵。目前，國內對電動汽車用高功率密度永磁同步電機的研究較多［1?2］，對體積更小的電機研究較少。

本文介紹了高功率密度無刷電機電磁、機械、熱、損耗等多物理場聯合仿真設計的方法，模擬電機應用場景，開展了一款小型無刷伺服電機多物理場仿真設計，并完成了產品加工，進行了電機性能測試、熱適應性試驗、力學環境試驗等，試驗結果與設計結果相吻合，為該類高功率密度伺服電機產品性能及環境適應性設計提供了參考依據。

1 高功率密度電機設計關注點

高功率密度電機通常為短時、少頻次工作制模式，工作需達到百分百的可靠，因此，在高功率密度無刷伺服電機設計過程中需關注以下幾點：無刷伺服電機主要工作性能指標的實現，工作狀態下的熱環境，發射狀態需承受的強沖擊振動條件，轉子永磁體高速旋轉產生的離心力，高速高轉矩工作模式狀態下的各類損耗考慮。以上關注點是電機設計過程中需要重點考慮的設計因素，如何通過仿真設計手段對以上關注點進行聯合仿真設計，迭代各設計參數，并且設計過程中的關鍵問題同時得到解決，是實現電機設計的關鍵技術。

2 多物理場仿真設計

2.1 電磁設計

高速電機頻率較高，會在定子繞組導體中產生附加損耗，為了降低定子繞組的損耗，定子繞組需采用多根并繞形式。為提高槽滿率，電機設計時需優化定子槽內空間，結合工藝及高功率密度電機工作時間相對較短的工作特點，以熱分析結果為依據，適當增加電流密度值來達到高功率輸出的要求。

（1）為了減小鐵損，提高輸出轉矩，采用6極18槽整數槽繞組設計，永磁體采用溫度系數較高的釤鈷磁鋼。

（2）碳纖維綁扎永磁體［3］不便于轉子散熱，為實現高速可靠運行，轉子采用鈦合金保護套結構形式。

（3）定子鐵心采用低損耗系數、厚0.35 mm硅鋼片材料H12，為了降低鐵耗，定子齒磁密盡量小。

（4）定子鐵心與機殼之間采用過盈配合安裝，機殼材料采用散熱良好、質量輕的鋁合金材料。

電機電磁仿真設計采用MagneForce BLDC軟件進行模型建立，對電機主要性能及各部分參數進行仿真設計，如見圖1～圖4所示。

圖1 電機模型

圖2 磁密分布圖

圖3 反電動勢波形

圖4 特性曲線

電機電磁仿真設計結果作為產品多物理場設計的基礎，機械強度設計、熱設計、損耗設計基于電磁設計開展。在每個物理場設計過程中，如出現不符合設計要求的參數、材料、結構形式，需要重新修改電機電磁設計參數，不斷迭代優化后，最終滿足無刷伺服電機高功率密度設計的要求。

2.2 機械強度設計

高功率密度無刷伺服電機的應用場景要滿足特殊力學環境要求；沖擊、振動強度大，需滿足導彈等特殊條件的機械強度要求。因此，在電機設計過程中需開展機械強度設計，提高產品環境適應性要求。

2.2.1 模型建立及參數輸入

電機仿真計算基于ANSYS?Workbench平臺，對電機特殊力學試驗等進行有限元分析。依據電機電磁設計參數完成機械強度仿真模型建立，依據特殊力學試驗條件要求進行參數輸入。

2.2.2 有限元分析過程

根據電機實際應用場景試驗條件要求，將有限元分析過程確定為先進行模態分析，再進行沖擊試驗和隨機振動分析，其仿真流程如圖5所示。

圖5 仿真流程圖

仿真過程中需考慮電機總裝結構、實際使用和振動試驗的安裝方式，對電機的帶繞組定子鐵心、轉子鐵心及磁鋼等，通過加質量點的方式進行簡化，考慮到振動仿真的線性要求，這種簡化對電機的仿真結果不會帶來太大的影響。簡化后形成的仿真結構模型圖，如圖6所示。

圖6 機械強度仿真結構模型圖

2.2.3 仿真分析結果

1）模態分析及結果

模態分析主要用于獲得結構系統的固有振動頻率及相應的振型，是結構動力學分析的基礎。通過分析，計算電機前6階固有頻率及振型云圖如圖7、圖8所示。

圖7 電機前6階固有頻率

圖8 電機前6階固有頻率振型分布云圖

2）力學條件下的仿真分析及結果

力學試驗條件要求參數輸入，提取電機模態分析結果，通過加載沖擊試驗加速度、PSD參數，對電機進行不同方向沖擊、振動仿真分析。得到不同方向試驗分析等效應力云圖及位移云圖，仿真出電機最大等效應力點及最大位移點，圖9～圖12為部分仿真結果。

結合仿真結果，可以驗證電機設計過程中的薄弱點，對電機的結構、材料進行優化，驗證設計的合理性，為電機結構設計提供有效支撐。

圖9 軸向沖擊試驗分析等效應力云圖

圖10 軸向沖擊試驗分析位移云圖

圖11 軸向隨機振動分析等效應力云圖

圖12 軸向隨機振動位移云圖

2.3 熱設計

高功率密度無刷伺服電機體積小、輸出功率大、電磁負荷高、環境條件高、溫升高，為確保電機工作的可靠性，熱設計是電機設計需要關注的重要特性。

2.3.1 熱源確定

舵機電機熱源主要為定子繞組銅耗及鐵耗。依據產品電磁設計參數，確定電機的熱源參數及電機表面主要散熱系數，并結合電機材料的物理屬性，即可對電機的瞬態溫度場進行求解。

2.3.2 基于ANSYS的電機溫度場計算模型

采用ANSYS軟件進行舵機電機熱仿真模型建立，分別對電機定子和轉子進行參數設置，并設定相應的邊界條件，依據電機最高工作溫度、工作點及工作時間進行仿真條件的設置，建立瞬態溫度場模型。

2.3.3 仿真計算

基于電機短時工作制的特點，采用以上熱分析手段，設定初始溫度點、額定工作點、工作時間等參數后，對產品進行三維溫度場的計算溫度場分布，仿真結果如圖13所示。

圖13 熱仿真結果圖

通過熱仿真分析，可以確定電機各關鍵位置的溫升情況，如表1所示。對溫度敏感點進行識別，如繞組溫升、位置傳感器工作環境溫度等影響電機工作可靠性的關鍵參數進行確認，在電機設計過程進行迭代設計，優化電機參數設計，為產品溫度可靠性提供參考依據。

表1 電機熱設計結果

2.4 損耗設計

結合產品熱仿真分析結果，轉子保護套優選金屬保護套，金屬合金鋼材料的電導率較高，但渦流損耗較大。針對渦流損耗大的因素，需開展轉子渦流損耗計算。

2.4.1 轉子損耗仿真模型建立

采用ANSYS Maxwell軟件的RMxprt Design進行無刷伺服電機的建模，分別對電機定子和轉子進行參數設置。然后將RMxprt導入至Maxwell 2D有限元模塊，進行二維瞬態場仿真，根據額定轉速、運行溫度進行仿真條件的設置，二維瞬態場的電機仿真模型如圖14所示。

圖14 電機二維瞬態場仿真模型

2.4.2 設置轉子材料屬性

設置轉子各零件所用材料的電導率，且對應設置渦流效應和激勵電流，其中電流值設置為0。

2.4.3 轉子損耗仿真結果

進行二維瞬態場仿真，仿真得到磁鋼、護套、轉軸各部分渦流損耗，如圖15所示。

圖15 轉子各零件渦流損耗隨時間變化曲線

從圖15可以看出，在轉子各零件中，套筒渦流損耗最大，磁鋼次之，轉軸最小。對穩定后的曲線求平均值，得到轉子總渦流損耗0.9 W，約占輸出功率的0.7%，設計時可以忽略不計。

3 仿真設計實例

結合以上設計方法，進行了一款J28無刷伺服電機多物理場仿真設計及樣機制作，圖16為實物照片。

圖16 樣機照片

3.1 電機性能指標實現

表2為設計值與樣機性能測試數據對比，設計吻合度較高。

表2 樣機性能對比

3.2 機械強度適應性驗證

依據GJB1863A－2015無刷直流電動機通用規范，對樣機進行了彈載系列振動、脈沖沖擊、穩態加速度試驗，試驗后未出現零部件松動等現象，復測電機性能指標滿足設計要求。

3.3 熱試驗驗證

常溫常壓下通過對拖方式給電機加載，額定工況下運行1 min，采用電阻法測試繞組溫升為86℃，與熱仿真溫升88.4℃基本吻合。

4 結 語

本文介紹了一種基于多物理場聯合仿真的高功率密度無刷伺服電機設計。在電磁、機械強度、熱設計、損耗設計的多物理場設計基礎上，開展了一款高功率密度無刷伺服電機試制，驗證了多物理場聯合仿真設計方法合理有效，設計吻合度較高。該方法為同類產品研制提供參考，可以有效減少樣機生產迭代次數，提高產品開發周期，具有重要的意義。