基于Ansoft的特种锚机驱动电机的研究

潘登

摘要： 以一台特种锚机驱动电机设计项目为研究背景，根据设计输入，利用有限元分析软件Ansoft Maxwell对驱动电机进行2D建模，对其输出扭矩、电磁功率、定转子参数等数据进行研究分析，并结合Matlab软件中的simulink模块对电机的启动过程进行仿真分析。经分析，驱动电机的设计完全符合设计要求，并最终投入样机试制。

Abstract： With a special machine drive motor design project as the research background， according to the design input， using finite element analysis software Ansoft to 2D modeling of drive motor， to study the output torque， electromagnetic power and the rotor parameters， such as data analysis， and combined with matlab-simulink software simulation analysis was carried out on the startup process of the motor. By the analysis of the anchor machine drive motor design fully meet the design requirements， and finally into prototype test.

关键词： Ansoft;有限元;Matlab;仿真分析

Key words： Ansoft;finite element;Matlab;simulation analysis

中图分类号：TM305.1                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）01-0001-03

1  概述

根据校级某项目的设计输入并结合工程经验，特种锚机驱动电机设计成无刷直流电机形式。该型电机其最大的优势是定子绕组通入阶跃的电流时会产生步进磁动势，而永磁转子则在这个步进的磁动势中转动。额定工作时负载转速稳定，转子的磁场可以认为是稳定旋转的。

Ansoft Maxwell作为世界著名的商用低频磁场有限元软件之一，在各个工程电磁领域都得到了广泛的应用。它基于麦克斯韦微分方程，采用有限元离散形式，将工程中的电磁计算转变为庞大的矩阵求解，软件保证了计算的准确性和快捷性。Matlab是一个包含众多工程计算、仿真功能及工具的庞大系统，是目前世界上最流行的仿真计算软件，Simulink是运行在Matlab环境下用来实现对工程问题的模型化和动态仿真的工具。

本文利用Ansoft Maxwell对电机进行建模分析，得出电机各项性能参数，并结合Simulink进行带载仿真，建立全套的电机仿真模型，经过仿真分析，电机各项性能参数均符合设计需求，可投入样机试制。

2  仿真模型的建立

对驱动电机的研制必须严格遵循设计输入，电动锚机安装于给定平台上表面，由于总体方面的限制，电机外形尺寸最大值不能超过？覫125mm×85mm，电机工作负载约为180～200kg，最大负载不超过350kg，绞盘直径不大于？覫50mm，平台配电板分配给该设备最大工作电流80A，电源输入DC28V，根据如上所述，基本设计输入如表1。

如果锚机驱动电机电压等级设计为DC28V，那么意味着在额定功率下电机的工作电流大（60～70A），启动电流将会非常大（100A），这种设计当然不符合设计输入，基于以上考虑，我们使用升压模块把电源输入的电压等级提升为DC110V，以下计算仿真都基于此电压等级。目前国内主流的无刷直流电机基本设计成2级、24槽形式，电机输入电流为：

电机相关尺寸及参数如表2所示。

进入Ansoft Maxwell 2D模型建立界面，电机参数设置完毕后选择magnetostatic静态磁场求解器、Master/Slave边界条件，然后进行网格划分、设置求解参数，并执行Maxwell 2D/Validation check，对模型错误部分进行自动检查，检查无误后启动仿真。（电机模型图、磁通密度云图分别如图1、图2所示）

设计比较关心的是电机的输出功率与扭矩问题，图3、图4分别为给出了两项重要参数的波形图，从图中可以得出，电机在500～750rpm区间内输出功率均超过1000W，电机转速小于500rpm，电子输出扭矩大于20Nm，两项参数均符合设计需求。

3  电机带载启动的建模与仿真

为了进一步验证电机带载是否会对平台电网存在冲击，需要对电机的带载启动进行建模研究（图5所示），图6中Simulink模型中的“无刷交流电机”各项参数均按照Ansoft Maxwell 2D模型输出值设定，给定电机恒定扭矩30Nm，电压DC110V。

图7、图8分别为Simulink建模输出波形图。从图7可以看出，极限负载下电机输出电流的最大值约为70A，脉冲占空比为50%，图8所示为电机极限负载下的输出扭矩，基本满足最大负载扭矩35Nm的设计要求。电机带载各项参数符合设计要求。

4  样机试验

通过以上的仿真结果分析，电机各项性能参数均符合设计要求，直接选用NEWSTART公司的型号为WPL120L2-025-P2-02、减速比为1：5的减速箱，电机、绞盘自行设计。选取重量约200kg的负载进行拉力试验。经试验，电机带动负载时输入侧电流为26A，启动瞬间电流为71A（维持时间～300ms），负载拉起过程中无卡顿、停滞现象出现。

5  结论

本文以一台特种锚机驱动电机设计项目为研究背景，利用Ansoft软件对无刷直流电机的结构参数进行优化设计，通过建模分析得出电机输出的各项参数。并利用matlab/simulink进行负载启动仿真，试验证明，电机设计符合要求，电机转速稳定、扭矩均符合要求。

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