电动轮椅永磁盘式电机有限元分析

邹 文， 邵大伟， 张 钢, 陈阿三， 张 全

(1. 上海大学 机电工程与自动化学院，上海 200072；2. 沈阳普泰安科技有限公司，辽宁 沈阳 110000；3. 宁波韵升股份有限公司 中央研究院，浙江 宁波 315040)

电动轮椅永磁盘式电机有限元分析

邹 文1,3， 邵大伟2， 张 钢1, 陈阿三3， 张 全1,3

(1. 上海大学 机电工程与自动化学院，上海 200072；2. 沈阳普泰安科技有限公司，辽宁 沈阳 110000；3. 宁波韵升股份有限公司 中央研究院，浙江 宁波 315040)

基于低频电磁场有限元分析软件Ansoft Maxwell，对一电动轮椅用永磁盘式电机进行3D建模与电磁场分析，分别就其空载气隙磁密、齿槽转矩、空载反电势、空载漏磁系数及轴向吸力进行了详细探讨，并试制了一台样机用于测试。对比仿真与测试结果，验证仿真结果的正确性。相关的仿真研究，可为同类盘式电机的分析设计提供参考。

电动轮椅； 永磁盘式电机； 有限元分析

0 引 言

随着我国人口老龄化进程的加快，以及因生产事故、交通事故等因素导致的残疾人口的增加，用于老年人士、残疾人士的电动轮椅的开发及生产日渐得到了大家的重视。其中尤以轮椅电驱动关键部件的研发备受关注。永磁盘式电机因其具有轴向尺寸短、结构紧凑、转矩重量比大、低速运行平稳、功率密度高等优点，广泛应用于工业自动化及航空航天业。此外，该类电机可以很方便地制成多气隙组合式以及多对极结构，可进一步提高转矩、降低转速。这些都使得它特别适合应用于电动轮椅类低转速、大扭矩驱动场合[1]。

针对电动轮椅的低速大扭矩、高可靠性与经济性等特殊要求，电动轮椅采用一单转子单定子盘式电机驱动。鉴于此类电机的轴向磁拉力的作用，需要相应轴承与之配合使用。由于盘式电机独特的三维磁路结构，决定了对盘式电机的电磁场分析必须使用3D有限元模型，才能精确地模拟电机内部的电磁场。应用Ansoft Maxwell 3D模块建立单转子单定子永磁盘式电机模型，并对该电机进行电磁场分析，通过仿真结果来预估所设计的电机性能，从而降低研发成本，试制了一台样机用于电机测试。对比仿真与测试结果，验证仿真结果的正确性。相关的仿真可为盘式电机电磁分析提供参考，同时为盘式电机的优化设计提供一定的依据。

1 永磁盘式电机电磁场分析

按照定转子数量的不同，盘式电机可分为单转子单定子结构、单转子双定子结构、双转子单定子结构及多转子多定子结构[2]。在设计之初，除了考虑上述因素外，还需兼顾定子与转子结构等。其中，定子结构主要指的是平行槽结构(见图1)与平行齿结构(见图2)，而转子结构主要指的是磁钢结构。平行槽结构的定子大都由专用卷冲设备一次成型，边冲边卷，也可先卷制后机加工。平行齿结构一般采用先卷制后机加工的工艺，或者定子齿与定子轭分块制造，而后拼装并用环氧树脂固化处理[3]。转子结构如图3所示，方形磁钢、梯形磁钢及环形磁钢因其制造成本低且加工方便而常被使用。

图1 平行槽结构

图2 平行齿结构

图3 转子磁钢结构

1.1 电机基本参数

通过对轮椅的起动特性、匀速运行特性、加速特性、爬坡特性的分析，以及参考电动轮椅国家标准GB12996—1991，得出轮椅驱动运行相关的参数如功率、转矩及转速等。结合电机实际运行情况，综合考虑电机驱动性能及制造工艺的复杂程度，将单转子单定子盘式电机的相关设计参数归纳如表1所示。

表1 盘式电机基本参数

1.2 模型及电磁场分析的几点假设

(1) 对定子及转子部分圆角、倒角等细微之处作近似处理；

(2) 忽略加工及装配误差对结构的影响；

(3) 永磁体轴向均匀磁化，并将电机填充实体部分如环氧树脂等等效成空气。

1.3 空载气隙磁密分析

气隙是电机进行电能与机械能转换的所在，也是磁路设计的重要参数。传统的气隙磁密计算往往是先预估或查表得出漏磁系数，预选永磁体工作点，然后进行磁路计算，最终校核永磁体工作点[4]。由于盘式电机的特殊结构，其气隙磁密不仅沿周向变化，且径向磁密也是变化的，故其难以通过经验计算准确地获得气隙磁密，而必须采用3D数值有限元分析。单转子单定子盘式电机一对极下3D气隙磁密分布如图4所示。其气隙磁密在圆周方向呈现出近似正弦分布，而在径向方向呈现近似梯形分布，平均磁感应强度为0.6T。实际上，定性要求时为了简化处理，可分别分析平均半径处的周向气隙磁密分布规律和极中心处的径向磁密分布规律，即可以基本上得出真实的气隙磁场分布情况。

图4 气隙磁密分布

1.4 齿槽转矩分析

永磁电机齿槽转矩由电机的物理结构引起，是永磁电机绕组不通电时转子永磁体和定子铁心之间的相互作用产生的转矩，更确切地说是永磁体与电枢齿槽结构之间相互作用力的切向分量的波动引起的一种振荡转矩。这种作用力试图将电枢齿和永磁体的位置保持对齐，并且该转矩与绕组通电与否无关，即使绕组中没有电流，这种转矩也会存在[5]。由于单转子单定子盘式电机的定子部分使用了开槽的铁心结构，不可避免地会产生齿槽转矩，引起噪声和振动，以及速度和转矩波动，从而影响电机的控制及轮椅的舒适性，故在盘式电机设计阶段必须将齿槽转矩限制在一定的范围内。

应用Ansoft Maxwell 3D瞬态场仿真齿槽转矩时，需在不加激励时设置较低的转速(一般取1deg/s)，并且要加密定子齿部、永磁体及气隙处的网格，因为齿槽转矩对网格比较敏感。然而，对于气隙网格的划分，最重要的是合理处理band处的网格，故需将气隙分层划分网格且适当加密，直至前后两次分析结果相差在0.5%以内，即计算结果基本与网格无关。由文献[6]可知，转子旋转一圈出现齿槽转矩的基波周期数等于定子槽数和转子极数的最小公倍数LCM(Z，2P)，故转子齿槽转矩的基波周期数为2π/LCM(24,16)=7.5°。图5为单转子单定子盘式电机仿真齿槽转矩分布图。其基波周期数为7.5°，与理论值相吻合，而最大值为105mN·m，为额定转矩的6%，故需对其齿槽转矩进行优化，优化后齿槽转矩为25mN·m，为额定转矩的1.4%。对于伺服电机，通常需将其限定在额定转矩的0.5%以内，而对于轮椅驱动，由于机械惯性，可将其适当地放大到额定转矩的3%以内。

图5 齿槽转矩分布

1.5 空载反电势分析

盘式电机的空载反电势解析式为

(1)

额定转速下的空载相反电势波形如图6所示。峰值为8.3V，绕组反电势波形分布及对称性较好。对空载反电势进行傅里叶分析，基波频率为p·n/60=8×650/60=86.67Hz，幅值为6.5118V，谐波含量比较低。因绕组为星型连接，则3次及3的倍数次谐波会相互抵消。

图6 空载反电势

1.6 空载漏磁系数

空载漏磁系数σ0为电机空载情况下永磁体向外磁路提供的总磁通与外磁路的主磁通之比，表现为空载时永磁体向外磁路提供的总磁通的有效利用程度，换言之，表明了永磁体的利用率[7]。空载漏磁系数也在一定程度上反映了永磁体抗去磁的能力。空载漏磁系数大，表明对电枢反应的分流作用大，电枢反应对永磁体两端的实际作用值的磁动势就越小，永磁体的抗去磁能力就强。空载漏磁系数的准确计算需要求解永磁同步电机的三维磁场，综合电机空载时的磁矢量云图(见图7)、磁钢三维磁密曲线图及磁链曲线图(见图8)，根据式(2)，可求出此电机空载漏磁系数为1.5。

(2)

1.7 空载轴向力分析

单转子单定子盘式电机因其转子磁钢与定子铁心之间的相互作用，不可避免地产生轴向磁吸力。故在安装盘式电机时需要装备相应的工装夹具，如图9所示。装配时需将转子端部与推柄端盘用螺纹固定，然后推动推柄以克服电机定子与转子间的吸力，方便定子与转子的装配。仿真得出需克服的轴向力为58.578N。

图7 电机磁矢量云图

图8 磁链分布图

图9 电机装配工装

2 试验测试与仿真对比

针对仿真分析结果，试制了一款样机，并搭建了相应的测试系统。测试系统如图10所示，由电机测试工装夹具、联轴器、对拖电机、盘式电机、盘式电机驱动器及相应的控制柜组成。测量到盘式电机的线反电势波形如图11所示，反电势波形分布及对称性较好，峰值为14.25V，换算成相电压峰值为8.23V，与仿真反电势相电压幅值相差0.84%，所以测试结果与仿真值较吻合。

图10 试验测试系统

图11 额定转速反电势波形

3 结 语

本文通过应用Ansoft Maxwell对一轮椅用盘式电机的电磁场进行三维有限元仿真，分别对电机空载气隙磁密、齿槽转矩、空载反电势、空载漏磁系数及轴向力进行了详细分析，结果表明： 此电机满足设计要求。仿真结果也可为同类电机的电磁设计和优化研究提供一定的思路与参考。

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

[2] 杜智明.盘式低速永磁同步电机电磁场分析[D].天津： 天津大学，2007.

[3] 邹文，竺韵德，张钢，等.基于Ansoft Maxwell的盘式永磁电机齿槽转矩的优化设计[J].微特电机，2015,43(12)： 10-13.

[4] 王凌峰.盘式永磁无刷直流电机的电磁设计[D].杭州： 浙江大学，2005.

[5] 王秀和.永磁电机[M].北京： 中国电力出版社，2007.

[6] 刘婷.表贴式永磁同步电机齿槽转矩削弱方法研究[D].长沙： 湖南大学，2012.

[7] 唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京： 机械工业出版社,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)

邹 文(1990—)，男，硕士研究生，研究方向为永磁盘式电机设计与控制。

TM 351

A

1673-6540(2017)02- 0083- 04

2016-01-19