基于Ansoft的液压电机叶片泵电机的仿真研究.pdf

2 0 1 0年 9月 第 3 8卷 第 l 7期 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAUL I CS S e p ． 2 01 0 Vo 1 ． 3 8 No ．1 7 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 7 ． 0 3 1 基于 A n s o fl的液压 电机叶片泵电机的仿真研究 祁琦 ，冀宏。 1 ．淮南联合大学机 电系，安徽淮南 2 3 2 0 0 1 ；2 ．兰州理工大学流体动力与控制学院，甘肃兰州 7 3 0 0 5 0 摘要 基 于 A n s o f t 公司的 M a x w e l l 2 D的仿 真环境 ，建立液压电机叶片泵 电机和普通三相异步 电动机 的仿 真模 型，对 两 种电机的起动瞬态特性进行仿真分析，结果表明液压油对电机瞬态起动性能有影响。仿真结果可用来指导液压电机叶片泵 电机的设计。 关键词液压电机叶片泵电机；A n s o fl Ma x w e l l 2 D；瞬态仿真 中图分类号 T H 3 8 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 71 0 2 4 S i mu l a t i o n a n d Ana l y s i s o f S pe c i a l M o t o r o f t he Hy d r a ul i c M o t o r v a ne Pu m p Ba s e d o n An s o f t Q I Q i ，J I H o n g 1 ． Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l D e p a r t me n t ，H u a i n a n U n i o n U n i v e r s i t y ，H u a i n a n A n h u i 2 3 2 0 0 1 ，C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f Hu i d P o w e r C o n t r o l E n g i n e e r i n g ，L a n z h o u U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，L a n z h o u G a n s u 7 3 0 0 5 0 ，C h i n a Ab s t r ac tThe mo d e l s o f t h e s p e c i a l mo t o r o f t h e h y d r a u l i c mo t o r v a n e pu mp a n d t h r e e p ha s e a s y nc h r on o u s mo t o r we r e b ui l t us i ng An s o fi Ma x we l l 2D． Th e b a s i c p e r f o r ma n c e s a n d t r a n s i e nt c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e t wo mo d e l s we r e s i mu l a t e d． Th e s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t ha t h y d r a u l i c o i l ha s i nfl ue n c e o n t h e p e r f o r ma n c e o f t h e s p e c i a l mo t o r ． Th e s i mu l a t i o n r e s u l t s c a n b e a v a i l a bl e t o de s i g n t hi s s p e c i a l mo t o r ． Ke ywo r dsSp e ci a l mo t o r o f t h e hy d r a u l i c mo t o r v a n e p ump；An s o fl Ma x we l l 2D； Tr a ns i e n t s i mul a t i o n 液压 电机叶片泵是把 电动机与液压叶片泵 中的关 键运动件合二为一，把液压叶片泵直接集成在特制的 电动机转子 内部 ，构成 的新型液压 动力单元 。与传统 液压动 力单元 相 比它具有 结构 紧凑 、体 积小 、质量 轻 、噪声低 、可靠性高 、无 外泄漏等一系列突出的优 点 ，有着广泛 的应用前景 。由于电机叶片泵的电 机全部浸在液压油里所存在的特殊 问题 ，因此在设计 前对 电机的起动瞬态性能进行计算机仿真就显得 十分 重要 。作者采 用 A n s o fl公 司的 M a x w e l l 2 D软 件将 电 机三维场 问题转化为二维场对 电机的起动特性进行瞬 态仿真分析，深入研究电机性能，将为开发研究此类 液压 电机泵应用于生产实际奠定理论基础 。 1 电机仿真模型的建立 利用 A n s o fl M a x w e l l 2 D软件对 电机建立二维有 限 元模型 ，具体步骤如下 1 确定研究对象 结 构尺寸 ，用 前处 理 R M x p r t 模块和 Ma x w e l l 2 D的接 口功能生 成 Ma x w e l l 2 D的二 维模 型 ； 2 确定研究对象材料属性 ； 3 确定研究对象边界 条件和激励源 ； 4 设置执行参数 ，如转矩 、损耗等 ； 5 确定求 解参 数 ，包 括运 动边 界 、时 间步 长 等。 完成 以上几个 步骤就可 以对研究对象的瞬态场进 行求解 。 液压 电机 叶片泵 的电机采 用经 过修 改定转 子 尺 寸去 除冷却风扇 的三 相异 步 电动机 ，其 主要 参数 见 表 l 。 表 1 液压电机 叶片泵 电动机的主要技 术参数 额定 电压／ V 3 8 0 效率0 ． 8 5 工作频率／ H z 5 0 定子槽数 3 6 额定转速／ r m i n 1 5 0 0 转子槽数 2 6 功 电流／ A 9 ． 6 5 相数 、 极数 3相 4极 功率因数0 ． 8 4 定子绕线接法 Y 一 △型 定子 内径／ ra m 1 7 0 气隙／ ra m 0 ． 5 定子外径／ m m 2 6 0 冲片材料D 2 3 转子 内径／ ra m 1 0 4 在前处理 R Mx p r t 模块 中输人设 计尺寸建立 电机 模型 ，由 R M x p r t 即可生 成电机二 维模 型并计 算 出电 机性能 。 收稿 日期 2 0 0 9 0 8一l 1 基金项 目国家 自然科学基金项 目 5 0 6 0 5 0 3 0 ；浙江大学流体传 动及控制国家重点试验室开放基金 G Z K F一 2 0 0 5 0 2 作者简介 祁琦 1 9 8 0 一 ，女 ，讲师 ，硕 士 。主 要从 事流 体传 动 与控 制 方面 的科 研 与教 学 工作 ；电话 1 3 8 5 5 4 8 8 6 5 5 0 5 5 4 5 7 2 4 5 5 5 。Ema i l F l y i n g q i q i 1 6 3 ． c o rn。 第 l 7期 祁琦 等基于 A n s o f t 的液压电机叶片泵电机的仿真研究 1 0 3 通过接 口功能从 P r o j e c t D i r e c t o r i e s中导入建 立的 电动机二维模 型 ，选择 T r a n s i e n t 。指 定模型所 用的材 料 ，该 例 中指 定 A i r G a p 、A i r S t a t o r 、B a r为 h y d r a u l i c 0 i l 。线圈指 定为 C o p p e r ，定转子材料指 定为 D 2 3 ，指 定边 界条 件 为 气 球 B a l l o o n 边 界 条 件 和 激 励 源 。 在 Ma x w e l l 2 D的 “ 执行参 数设 置 ” 中设 定 电机 的损 耗 ，主要 是设 置铁 芯 损耗 C o r e l o s s 。在 求解 参 数的设 置中设定 仿真 步长 为 0 ． 0 0 2 S ，仿 真求 解停 止 时间为 0 ． 1 S 。完成 以上 工作后 ，即可进 行 电机模 型 的网格剖分 如图 1 及仿真计算 。 从 图 2、3可 以 得 出，油 液 对 电机 反 电势 和 磁 链 的影 响不大 ，反 电势 波形 基本 接 近 正 弦 ，但 是有 谐波 的成分 ，起 始 的 突 变是 由 电动 机启 动造 成 的。 从瞬态 磁链 曲线 中可 以看 出 ，磁链 中存 在 基频 脉振 的衰减 分量 ，衰减速度 比较快 ，只在前 0 ． 0 5 S 左右 比较 明显 。这 与电动机 气 隙较 大 、初 级 电 阻与 电抗 比值大 有关 。 从 图4 _ _ 6中可 以得 出 ，油液 对定转 子 的电流 和 电压影响不是很大。转子导条的电流和电压与启动时 电机的负载大小有关 ，当电机里充满液压油时 ，电机 起动相当于增大 了负载 ，所 以图 4 a 、5 a 的起始 阶段 的电压和电流要 比图 b 大一些 。当电机起 动 后 ，大约在 t 0 ． 0 6 S 以后 ，电机 工作稳 定处 于空载 状态 ，液压 油 对转 子导 条 的 电压 和电流 影 响就 很小 了。图 4 b t 0 ． 0 6 S以后 电流还有突起 ，是 由于磁 漏产生的。 8 4 蟋 脚 ． 4 ．8 图 1 电机叶片泵 电动 二维网格剖分 图 2仿真 结 果及 其分 析0 ． 3 A n s o fl的求解 是 自动 完成 的 ，作 者做 了一 个 普 通的1 1 k W三相异步电动机的仿真，和电机叶片泵 皇 0 电机仿 真做 比较 ，以此 对 比液 压 油对 电 机 叶片泵 电 - 0 _ 2 机性能 的影 响 图 2 1 2中液 压 电机 叶 片泵 电机 简 加 称浸油 电机 ，普 通 1 1 k W 三相 异步 电动 机简 称普 通 电机 。 寐 需 一 翼 Am 相， 0 ．04 0． 08 0． 1 2 时 间／ s a 浸 油 电机 60 40 20 帽 Ⅻ - 20 ．40 ．60 8 0 4 0 煺 ．4 0 8 0 0 0． 04 0． 08 0． 1 2 时 间 ， s a 浸 油 电机 O 0． 04 0． 08 0． 1 2 时 间／ s b 普 通 电 机 图 4 转子导条 电流 图 4 』jII IIIII 唧 1 1IfI『lI If冒 1Ⅵ O． 3 0． 2 0． 1 0 ．0． 1 0 0． 04 0． 08 0． 1 2 时 间／ s a 浸 油 电机 ．0． 2 ．0． 3 图 5 转子导条 电压 图 图 2 反电势波形图 时 间／ s b 普通 电机 时 间， s 时 间／ s a 浸 油 电机 b 普 通 电机 图 3 磁链 曲线 图 时 间 ， s a 浸 油 电机 lS O l 00 50 煺0 ．50 ． 1 00 ．15 0 时 间 ， s b 普通 电机 t 糯 I 1／ 一 ＼ 一 0 0． 04 0． 08 0 ． 1 2 时间／ s b 普 通 电机 图 6 绕组电流图 从 图 6中分析 可 得 ，油 液对 绕 组 电流 的影 响 不 大。同一条 件下三相电流不对称 ，这是 由于纵 向边端 效应 削弱了气隙磁 场 ，造 成感应 电势减 小 ，引起感应 电场 强度 幅值分布曲线沿纵向发生变化 ，造成 三相感 应 电势 的不 对称 ，再加上 初级两 端不连续 ，绕组 中各 相 的互感不 相等 ，从 而使 三相 电流不对称 ，而且 由于 边端效应 的存在 ，使 得三 相 电流 波形 的幅值呈 齿形 ， 波形发 生 了畸 变。还 可 以看 出 ，A、B相 电流 较大 ， 懈 啪 一 躲一。 嘴 ～ 鳖 ～ 1 0 4 机床与液 第 3 8卷 而 c相 电流 相对较 小 ，这 是 因为 电动机初 级三 相绕 组的分布不同 ，A相 的 A 和 B相的 B一 位于电机 的入 口端和出 口端 ，而电机出入端 的磁场削弱 比较大 ，使 得 A、B相 的感 应 电势较 小 ，而 电流 较大 。大约 在 t 0 ． 0 2 S 以前图 a 比图 b 的三相电流要 大一 些 ，这也是 由于液压油相 当于增加 了负载 。 _ - -1 ’ C ‘iI 10 8 6 4 2 。 一2 时 间／ s 。 ‘； o 0 兰 6 0 20 20 0 0． I l 4 0． 08 0 ． 1 2 时 f J ／ s a 浸 油电机 b 普通 电机 7肩动速嘘圈 时 间／ s b 普 通 电机 a 浸 油电机 由于液压油的负载效应 ，使得 电机的启 动转矩增 大 ，在 t 0 ． 0 5 s左右 电机 叶片泵 电机的转速就基 本 达到了稳态 。图 8 a 的启 动转矩 比图 b 大 了约 2 0 0 N m，是 由液压油造成 的 ，可以从理论上分析 出 启动转矩 的大小取决于液压油 的黏滞系数。当转矩波 动比较大 的时候导致功率损耗的波动也大 ，而转矩 又 和转子导条 电流有 关 ，在 t 0 ． 0 6 S 后 ，由于普通 电 机的转子 导条 电流有 突起 ，导 致 了普 通 电机转 矩在 t 0 ． 0 6 S 后还有 很大 波动 ，导致 了普通 电机功 率在 ， 0 ． 0 6 S 后还有损耗 从图 2 9比较分 析可 以得 出 ，电机 内有无 液压 油对电机是有影响 的。在有液压油空载状态时，液压 油对电动机有负载效应产生 ，负载的大小取决于液压 油黏滞系数和液压油温度 。 3后处理 电磁场 分析 经过后处理 ，可以得到 电动机在某一时刻的磁力 线分布 、磁感应 强 度分 布 、电流密度 等 ，如 图 1 0 1 2所示 为电机在 t 0 ． 1 S时的后处理 电磁场。 从图 1 0 a 可 以看出磁力线分布很均匀 ，没有磁 漏现象 ，符合设 汁的要求 。而图 b 有 电机 的磁力 线通过气隙闭合 ，有少部分漏磁通 。等势线 的疏密表 示了场磁通量密度的强 弱。因此 ，图中磁力线密集的 地方其 电磁通量密度也 强 。图 1 1中普通 电机的转子 的磁通密度 比浸油电机 小 ，由于有磁漏 的原因，普通 电机 的转子导条有很高 的磁通密度 。定转子电流密度 大 小跟定转 子 电流大 小成 正 比，因为普通 电机 有磁 漏 ，所以普通 电机 的转子 电流密度 比浸油 电机的要大 些 ，如图 1 2所示。 图 1 0磁力线分 布图 l 】 } 普 通 电 机 第 1 7期 祁琦 等基于 A n s o f t 的液压电机叶片泵电机的仿真研究 1 0 5 图 1 1 磁通密度幅值 图 a 浸 油 电机 b 普通 电机 图 l 2电流密度分布图 4结 论 作者利用 A n s o f t M a x w e l l 2 D对普通 电机 和液压 电 机叶片泵电机进行 了瞬态仿真 ，得到 了电机 的电磁场 分布 、变化 及电流等性 能曲线 ，清楚 直观地了解 了电 机内部磁场 分布以及液压 油对电机瞬态起动性能的影 响 ，为液压 电机 叶 片泵 电机 的设计 提供 了一定 的依 据 ，使 电机 的性 能达到最佳 ，确保 电机加工完成后运 行的可靠性 、性 能的准确性 。 参考 文献 【 1 】祁琦． 液压电机H 片泵能量转化效率的分析[ D] ． 兰州 兰州删 工大学 ， 2 0 0 8 ． 5 ． 【 2 】j i H o n g ， Q i Q i ， Wa n g Z h e n g r o n g ， e t a 1 ． A n o v e l d e s i g n o f hy d r a u l i c mo t o r v a n e p ump wi t h a u x i l i a U c e n t r i f u g a l p ump [ c ] ／ ／ P r o c e e d i n g s o f t h e 5 I n t e rna t i o n a l s y m p o s i u m o n Fl u i d Po we r Tr an s mi s s i o n a n d Co nt r o l ， Bei d a i b e， 20 07 1 41 b 普 通 电机 一 1 4 4． 【 3 】刘国强， 越凌志， 蒋继娅． A n s o fl 程电磁场有限元分析 [ M] ． 北京 电子工业出版社 ， 2 0 0 5 ． 【 4 】李勇． 井下震源用二相圆筒型直线感应电动机及其变频 电源 的没计 [ D] ． 西安 西安交通大学 ， 2 0 0 4 ． 欢 迎订 阅 欢 迎投 稿 欢迎 刊登广 告