基于ANSYS电机磁场分析与试验研究

祁 瑞，曾 红，张志华

基于ANSYS电机磁场分析与试验研究

祁 瑞1，曾 红1，张志华2

（1.辽宁工业大学 机械工程与自动化学院，辽宁 锦州 121001；2.锦州汉拿电机有限公司，辽宁 锦州 121001）

为了能够满足CVVL技术发动机在高速区和低速区气门升程调节的要求，通过电机主要尺寸设计了一款永磁无刷直流电机，并运用ANSYS软件中RMxprt和Maxwell模块对该电机进行了磁场分析，最后试验验证了电机在规定负载量下电流和转速等情况，结果表明：该电机能够满足在规定转矩下的性能要求，仿真和试验能够吻合。

CVVL电机；RMxprt；Maxwell；永磁直流无刷电机；电磁分析

连续可变气门升程技术(continuously variable valve lift，CVVL)通过控制进气门升程起到与节气门相同的调节缸内充量的作用, 它能够调节气门升程大小，使发动机在高速区和低速区都能得到满足需求的气门升程，从而改善发动机高速功率和低速扭矩，显著减少泵气损失[1]。传统发动机的传统配气机构升程是固定不变的，而发动机的运行工况对气门升程要求是不同的。高速大负荷工况需要气门升程大、持续期长，低速小负荷工况需要气门升程小、持续期短[2]。而传统的配气机构只能使发动机某特定工况达到最优，无法满足所有的工况。CVVL技术就是解决了这一问题，它能够调节气门升程大小，使发动机在高速区和低速区都能得到满足需求的气门升程，从而改善发动机高速功率和低速扭矩。

CVVL技术的发展目前不是很成熟，其传动部分可基本满足工况需要，而电机部分难以达标。该机构的主要动力和转矩输出端为电机部分，电机部分要求在规定负载量的情况下，电流和速度需要满足一定标准，而现有的满足要求电机十分稀缺，因此设计并研究CVVL电机部分是当前技术发展的需要。

本文针对CVVL机构进行简要分析，并设计CVVL电机部分。设计电机大体通过理论计算、RMxprt软件进行分析和参数化设计，并通过Maxwell软件进行电磁分析，最后与实际生产手工样机测试数据进行对比。

1 CVVL机构分析

1.1 CVVL机构基本结构

CVVL机构可分为两部分，传动部分和电机部分，传动部分主要由蜗轮机构、凸轮轴、偏心轴、中间摆臂、摇臂、连接臂等部件构成。

本文设计的CVVL电机为永磁无刷直流电机，主要由蜗杆轴、转子、定子、位置传感器、轴承、机壳、铸铝前盖和电驱绕组等部件组成。

1.2 CVVL机构工作原理

车辆发动机在不同的工况状态下，CVVL电机收到不同的控制信号后转动到不同的角度位置，电机转子轴前端为蜗杆，蜗杆转动的同时带动相配合的蜗轮转动。而蜗轮相继带动偏心轴旋转相应角度，偏心轴的转动使得连接臂产生位移，进一步改变中间摆臂弧面工作段与摇臂接触位置，在凸轮轴驱动下实现气门升程开启大小的连续可变[3]。结构原理如图1所示。

图1 CVVL结构基本原理

偏心轴顺时针旋转时，调节臂推动中间摆臂向左运动，升程变小，偏心轴逆时针旋转时，调节臂推动中间摆臂向右运动，升程变大。

2 电机设计流程和理论计算

2.1 CVVL电机设计主要流程

设计电机流程如图2所示。

2.2 电机主要尺寸的计算

对于直流电机，计算功率为[4]：

式中：Ea为电枢绕组的电动势；Ia为电枢绕组的电流。

而电枢绕组的电动势E可以按照如下方程计算：

式中：为极对数；为转子转速，r/min；N为电枢绕组的总导体数；为电枢绕组的并联支路对数；为每极磁通。

而每极磁通

式中：B为气隙磁通密度的最大值，通常简称为气隙磁密；a＇为计算极弧系数：

其中，B为气隙平均磁密；l为电枢的计算长度；为极距，与电枢直径的关系为：

而线负荷[5]：

综上，整理后得：

到此，得到了直流电机的主要尺寸和计算功率、转速、电磁负荷和电机常数C之间的关系。

2.3 确定主要尺寸的方法

为了反应电机的几何形状关系和几何形貌，采用主要尺寸比的概念[6]，关系式如下：

主要尺寸比的大小与电机的性能、经济型和工艺性等都有着密切的联系或一定的影响。

首先，依据CVVL电机的额定功率P，通过公式计算出计算功率'：

式中：K为考虑电动机的电枢压降和并励绕组电流而引入的系数，η为额定负载时电动机的效率。

然后，依据计算功率'和电机额定转速，结合CVVL电机工作环境和特点，利用推荐数据或曲线选取电磁负荷、B，代入式(7)中即可计算出2l。参考推荐数据和相关资料，选取适当的，可分别计算出主要尺寸和电枢计算长度l，拟定的基本参数如表1所示。

表1 初始参数

参考同类电机和查阅文献，选定电机定子槽数=12，极对数为=7。根据上述计算出主要尺寸后，依照实际工况选定其他几何参数尺寸。

其中定子和转子的铁芯材料分别为50w270和50w470，转子永磁体磁钢材料为钕铁硼，型号为N38UH T，定子绕组线规为Φ1.05（含漆皮Φ1.1）。

3 ANSYS软件电机设计

3.1 导入数据并仿真分析

将确定的参数和依据经验等初定的参数依次输入至ANSYS中RMxprt模块并进行初步的仿真分析。如图3所示，电机的基本结构和电枢绕组结构可直观查看。

图3 电机基本结构和电枢绕组结构

大体过程为：

(1)创建项目，包括选择电机类型、添加材料库、定义线规等；

(2)设置电机参数，包括设置Machine项、Stator项、Rotor项等电机定子、转子相关参数；

(3)设置仿真参数，可定义的内容有负载类型额定电压等参数；

(4)求解及查看结果。通过RMxprt软件分析，电机在12v电压状态下的转矩等CVVL仿真曲线如图4所示，在模拟电机运转的过程中，转子输出转矩趋于稳定区域。

图4 电机转矩曲线

在电机空载状态为例，图5显示的数据为空载状态的仿真结果，通过分析在空载状态，可以得出空载速度可达6576.72 r/min平均气隙磁密约为1.09t等结论，仿真数据和理想的对比，吻合度较高，可以作为参考依据。

图5 仿真参数

3.2 RMpxrt参数化设计

对于不满足性能的结果，可以针对某一参数定义范围，在该范围内的变化查看仿真分析结果，并找到最优解，找到该参数的最佳值。

下面以定子槽齿靴高Hs2为优化参数，进行参数化设计。首先在对应的参数位置处建立变量hs2x，如图6所示。

图6 设置参数

在仿真设置中，选择上述变量为参数化设计的变量，并对其进行范围设置。本文设置的变化范围是5.0 mm至6.4 mm，步长为0.2 mm。

分析求解，并查看结果，可查看出不同取值下的分析结果，也可查看到该参数变化范围内连续变化对转矩或效率等的影响。由图7曲线变化可得，齿槽转矩与该变量的变化成正比。根据参数化设计找到该变量的最佳取值范围，再根据规定选取该参数值，根据分析可以得到在6.2mm点处，曲线的曲率发生变化，因此电机定子槽齿靴高Hs2的值越小越好。

图7 参数变量对齿槽转矩的影响

3.3 Maxwell模块电磁分析

将上述修正完毕的参数值导入Maxwell模块，并生成2D电机模型。将设计好的电机模型进行有限元分析，求解查看结果。

图8 磁力线分布图（上）磁密分布图（下）

如图8所示，显示的是瞬态的磁场分析后的磁力线分布图和磁密分布图，图中选取0.004s时刻电机状态。通过云图可以观察到电机在该时间状态下，转子转到的位置角度，气隙磁密幅值等与理想值相差情况，并可得知转子在该时间节点下与定子的电磁作用状态良好。

4 CVVL电机测试试验

4.1 电机测试试验台

基于上述CVVL电机准备，制作样机，并准备测试试验台、负载转矩机、电源、驱动器等。

由上位机、驱动器、电源、电机霍尔传感器依次接线连接，如图8所示。

图9 CVVL电机（左）试验台（右）

4.2 样机测试数据

将电机接入电源，安装在试验台上，将电机的转子输出端与可连续增加负载的扭矩机相连接。实验时，由负载为0开始递增，测量速度、电流和转矩等参数。测试数据如表2所示。

表2 测试数据（多次实验均值）

样机电机随着负载量的增加，转速逐渐降低，电流升高；在空载状态下，电机实际转速能达到 4 515 r/min，电流在3 A以下；在规定负载量500状态下，能够输出转矩0.3 N·m以上，电流低于16 A；在超出500负载量状态下，电机运转状态良好。据CVVL电机期望工作性能相比，样机电机满足要求。

5 结论

CVVL技术主要由CVVL电机部分和传动部分构成，可以实现发动机每个汽缸的气门升程调控，并通过汽车的不同转速信号来实时调整气门升程。本文主要设计CVVL电机部分，通过理论计算、RMxprt和Maxwell模块仿真分析、参数化设计，对电机进行了设计，并对样机进行了测试。通过分析和试验验证了该电机可满足在规定负载量500状态下，能够输出转矩0.3 N·m以上，电流低于16 A，电机运转状态良好等要求。该电机满足CVVL机构要求，能够在发动机不同工况下驱动传动部分完成调节气门升程大小的作用, 通过本课题的设计与优化将使整个CVVL系统变得高效，降低汽车燃油消耗，提高燃油利用率，同时将推进国产技术的发展，大力推进汽车节能减排和环保。

[1] 张宗澜. 一种连续可变气口升程机构的设计硏究[D]. 广州: 广东工业大学, 2016.

[2] 张宗澜, 熊锐, 吴坚, 等. 一种连续可变气口升程机构的动力学仿真[J]. 车用发动机, 2016(1): 33-36.

[3] Ha K P. Nu系列2.0L连续可变气门升程发动机的开发[J]. 国外内燃机, 2015, 47(2): 38-42.

[4] 谭建成. 永磁无刷直流电机技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2011.

[5] 邱国平, 邱明. 永磁直流电机实用设计及应用技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2009.

[6] 陈世坤. 电机设计[M]. 北京: 机械工业出版社, 2000.

Analysis and Experimental Study of Motor Magnetic Field Based on ANSYS

QI Rui1, ZENG Hong1, ZHANG Zhi-hua2

（1.College of Mechanical Engineering and Automation, Liaoning University of Technology，Jinzhou 121001, China；2.Jinzhou Halla Electrical Equipment co., ltd，Jinzhou 121001, China）

In order to meet the requirements of CVVL technology engine valve lift adjustment in high-speed and low-speed zones, a permanent magnetic brushless DC motor is designed by the main size target design of the motor, and the magnetic field analysis of the motor is carried out by RMxprt and Maxwell modules in ANSYS software. Finally, the test proves the current and speed of the motor under the specified load, and the results show that the motor can meet the performance requirements under the specified torque, and the simulation and test can match.

CVVL motor; RMxprt; Maxwell; permanent magnetic DC brushless motor; electromagnetic analysis

TM331

A

1674-3261(2020)04-0236-04

10.15916/j.issn1674-3261.2020.04.006

2019-10-19

辽宁省自然科学基金指导计划(20180550931)

祁瑞(1995-)，男，河北廊坊人，硕士生。

曾红(1964-)，女，辽宁朝阳人，教授，硕士。

责任编校：刘亚兵