基于ANSYS的轴向柱塞液压电机泵电磁场数值计算与分析.pdf

第 4 4卷第 1 2 期 2 0 0 8年 1 2月 机械工程学报 v 0 l -4 4 N o ． 1 2 CHI NESE J OURNAL OF M ECHANI CAL E NGI NEERIN G De c ． 2 0 0 8 DoI 1 O ． 3 9 0 1 ， E． 2 0 0 8 ． 1 2 ． 0 6 9 基于 A NS YS的轴向柱塞液压电机泵电磁场 数值计算与分析水 张大杰 高殿荣 王有杰 郭明杰 燕山大学重型机械流体动力传输与控制河北省重点实验室秦皇岛0 6 6 0 0 4 摘要提出了一种新型轴向柱塞液压电机泵，简要介绍了其结构组成和工作原理。应用 A NS YS ／ E ma g模块对带有不同冷却 流道的三种电机泵的定子模型对应的空载电磁场进行了数值计算。 通过对计算结果进一步的分析和计算得到了电机泵电磁场 的分布及油隙磁感应强度，并进行了对比分析。研究表明，带有 1 2个条形冷却流道的定子结构的磁感应强度最大，带有 2 4 个圆形冷却流道的定子磁感应强度最低，带有 8 个条形冷却流道的定子结构的磁感应强度介于上述两种之间。所作研究为新 型轴向柱塞液压电机泵定子的结构设计和优化提供了依据。 关键词液压电机泵AN S YS ma g 电磁场冷却流道数值计算 中图分类号T H1 3 7 ． 5 1 T M3 5 Nu me r i c a l Ca l c u l a t i o n a n d An a l y s i s o f El e c t r o - ma g n e t i c Fi e l d o f Ax i a l Pi s t o n Hy d r a u l i c M o t o r Pu mp Ba s e d o n ANS YS Z H ANG Da j i e GAO Di a n r o n g WA NG Y o u j i e GU O Min g j i e He b e i P r o v i n c e Ke y L a b o r a t o r y o f He a v y Ma c h i n e ry F l u i d P o we r T r a n s mi s s i o n a n d C o n t r o l ， Y a n s h a n U n i v e r s i t y , Q i n h u a n g d a o 0 6 6 0 0 4 Ab s t r a c t A n e w k i n d o f a x i a l p i s t o n h y d r a u l i c mo t o r p u mp i s c o n c e i v e d ， i t s s t r u c t u r e a n d wo r k i n g p r i n c i p l e i s i n t r o d u c e d b rie fl y ． ANS YS ma g mo d u l e i s a p p l i e d t o c o mp u t i n g t h e e l e c t r o ma g n e t i c fi e l d o f t h e s t a t o r mo d e l s wi t h t h r e e d i ffe r e n t k i n d s o f c o o l i n g c h a n n e l s ． W i t h f ur t h e r c a l c u l a t i n g a n d a n a l y z i n g b a s e d o n t h e n u me ri c a l r e s u l t s ，the e l e c tro - ma gn e t i c d i s t r i b u t i o n and ma g n e t i c i n d u c t i o n i n o i l c l e a r a n c e a r e o b t a i n e d ， a n d t h e c o mp a r i s o n b e t we e n t h e m i s a l s o c a r r i e d o u t ． T h e r e s e arc h i n d i c a t e s tha t the s t a t o r wi t h 1 2 r e c t a n g u l a r c r o s s s e c t i o n c o o l i n g c h a n n e l s h a s t h e s t r o n g e s t ma g n e t i c i n d u c t i o n ， t h e s t a t o r wi t h 2 4 c i r c u l ar c r o s s s e c t i o n c o o l i n g c h a n n e l s h a s t h e s ma l l e s t ma gn e t i c i n d u c t i o n ， a n d t h e ma g n e t i c i n d u c t i o n o f t h e s t a t o r wi t h 8 r e c t ang u l a r c r o s s s e c t i o n c o o l i n g c h a n n e l s i s b e tw e e n tho s e o f t h e a b o v e - me n t i o n e d tw o s t a t o r s ． T h e i n v e s t i g a t i o n p r o v i d e s t h e f o u n d a t i o n f o r the s t r u c t u r e d e s i gn and o p t i mi z a t i o n o f the n e w k i n d o f a x i a l p i s t o n h y dra u l i c mo t o r p u mp ． Ke y wo r d s Hy dra u l i c mo t o r p u mp ANS YS ma g E l e c tr o ma gne t i c f i e l d Co o l i n g c h an n e l Nu me ri c a l c a l c u l a t i o n 0 前言 借鉴屏蔽泵的特点，国外著名的液压元件生产 厂家开展 了液压泵与电动机合一化这方面 的研究工 作 l 。 泵是由电动机转子经离合器驱动的， 转子轴 承安装在泵壳上，通过油流导热冷却l 。这种泵传 国家 自然科学基金 5 0 7 7 5 1 9 4 和河北省 自然科学基金 2 0 0 8 0 0 0 8 4 1 资助项目。2 0 0 8 0 2 1 4收到初稿，2 0 0 8 1 0 0 6收到修改稿 动效率高 、 噪声低、节省空间。虽然有 了一些进展 ， 但 目前也只是把液压泵与 电动机沿轴 向排列共轴、 共壳体，没有外伸轴 ，减少了一些体积 ，并没有真 正做到液压泵与电动机的高度融合，有一些深层次 的基础理论问题还需要解决 ，可供研究的空间还 很大。 本文提出了一种新型的轴向柱塞液压电机泵， 它把轴向柱塞泵工作原理、异步电动机工作原理以 及电磁驱动原理等有机的融合到一起。是集交流电 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 70 机械 工程学报第4 4卷第12期 动机驱动与控制技术，电传动技术以及液压技术于 一 体的新型高效节能机电 一 体化动力单元 。电动机 的转子即是轴向柱塞泵 的缸体，转子磁场与定子上 的交变磁场相互作用使转子旋转完成吸排油过程。 由于电机泵 的结构特殊，故电动机属于非标准电动 机，此种电动机无风扇，电机泵工作中产生的热量 可以由所输送的介质进行自冷却，即利用流道里的 液压油带走热量，因此冷却流道的设计对电动机磁 场分布和电动机泵散热都是至关重要的。本文利用 A NSYS软件对此种电机泵驱动磁场进行了数值计 算和分析，所作的研究对电机泵 的流道布置以及电 动机设计具有指导意义。 1电机泵结构简介及有限元分析原理 1．1轴 向柱塞液压电机泵的结构 轴 向柱塞液压电机泵的外形结构示意图如 图1所示，主要由轴 向柱塞泵和电动机融合而成。 轴 向柱塞泵部分由斜盘、配流盘、柱塞等组成； 电动机部分由定子、转子 、 壳体组成 。 其中，电 动机的转子也是柱塞泵 的缸体，转子磁场与定子 上的交变磁 场相互作用使转子旋转完成吸排油 过程。 图I轴 向柱塞 电机泵结构示意图 该种电机泵没有传统电动机上的冷却风扇，液 压油从定子冷却流道里流过，带走所产生的热量， 又经过配流盘、柱塞和转子形成的控制腔室流 出。 带有冷却流道的电机泵定子结构如 图2所示，按照 传统 电动机冷却方式来说，这种电机泵属于内循环 直接冷却式。这种液压电机泵具有结构紧凑，体积 小，质量轻，无冷却风扇，噪声较低，机电液高度 集成的特点。 1． 2A N SYS电磁场分析基本原理 电动机电磁场数值分析的方法主要有以下几 种有限元法、边界元法和有限差分法。目前应用 最广的是有限元法。 图2电机泵定子结构示意图 A NSYS以Maxwel l方程组作为电磁场分析的 出发点。有限元方法计算的未知量也称 自由度主 要是磁位或者电位 。其他诸如磁场通量密度、电流 密度、能量、力、损耗、电感和电容可以由这些已 知量导出【 。 邶 ] 。 用ANSYS进行电磁场分析大致有以下几步。 1创建物理环境 。 2建立模型、划分网格，赋予特性。 3加边界条件和载荷。 4求解 。 2电磁计算与ANSYS 分析 应用A NSYS 8 ．0的Em ag仿真模块对电磁场进 行仿真分析。采用二维场模拟电动机中心横断面空 载磁场分布，现假设如下电机泵轴向无限长，不 考虑端部效应；定转子外缘的漏磁忽略不计；不计 转子导条的集肤效应 。 2．1前处理 f1利用A NSYS软件，注意坐标系的选取，通 过自下而上的建模方法，构建基本几何形状，然后 利用相关的布尔操作和复制得到所需的物理模型， 根据所设计的电机泵冷却流道不同，三种电动机定 子模型如图3所示。图3a为模型1，带有12个短 的长条形冷却流道，图3b为模型2，带有8个稍长 一 些的长条形冷却流道，图3c为模型3，带有24 个圆形冷却流道。 2定义材料属性 ，需要定义五种材料。对于 线性磁材料，用命令M P设置相对磁导率值MUR X、 MUR Y和MU RZ。对线性各向同性材料，需要指定 MU R X、MUR Y和MURZ，默认值是MU R X _J“ 。 油隙与流道的相对磁导率胁1 1；空气∥r 2 l；线圈 ／ ．／ r3 1，电阻率p 0．0245x10 - 6 Qm；铜∥r 4 0．999 9； 硅钢片采用DW54 0 ．50， 其磁化特性如表1所示， B -H 曲线如图4所示。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2008年12月张大杰等基于A N S YS的轴向柱塞液压电机泵电磁场数值计算与分析 71 a模型1 表1 D W540 ．50磁化特性表 b模g ,112 c模型3 图3电机泵定子几何模型断面图 ┏━━━ ━ ━━ ━ ━━━ ━ ━━ ┳ ━━━ ━ ━━ ━ ━━━ ━ ━━ ┓ ┃ 磁感应强度磁场强度 ┃ 磁感应强度磁场强度 ┃ ┃ B／TH／Am 一 ’ ┃ B／TH／Am 一 ’ ┃┣━━ ━ ━━ ━ ━━━ ━ ━━ ━ ╋━━ ━ ━━ ━ ━━━ ━ ━━ ━ ┫┃ 0．135．03 ┃ 0．9117．83 ┃ ┃ O．246．97 ┃ 1．0136．15 ┃┃ 0．357_ 32 ┃ 1．1160．8 3 ┃ ┃ 0．466．08 ┃ 1．2203．03 ┃┃ O．574．04 ┃ 1．328 6．62 ┃ ┃ O．682．0l ┃ 1．44 61．78 ┃┃ 0．79 1．56 ┃ 1．5955．4 1 ┃ ┃ O．8103．5 ┃ 1．6254 7．8 ┃ ┗ ━━━ ━ ━━━ ━ ━━━ ━ ━┻━ ━ ━━ ━ ━━━ ━ ━━ ━ ━┛ 鼍 ∞ 魁 簸 倒 镄 凝 磁场强度H／A m 一 ’ 图4硅钢片磁化特性曲线 a模型1 数值计算结果及分析 3单元 网格划分因为对 电磁场作二维平面 分析，所以单元类型用P LANE53。由于断面形状不 规格，故利用ANSYS软件提供的自由网格剖分功 能生成单元。为使计算精确，在油隙部分网格剖分 较密，三种模型的电动机定子网格剖分如图5所示。 2．2求解 1添加边界条件在定子外径和转子内径上 加边界条件Az 0满足第 一 类边界条件即齐次狄里 克莱边界条件。 2加载根据4极24槽异步电动机绕组连接， 本电动机选取单层链式绕组，在相应转子槽内加 电 流密度。 3求解采用波前求解器进行求解 。 2． 3后处理 通过后处理程序可获得求解结果，并对其进行 计算。A NSYS提供了强大的后处理功能，如磁力 线、等值线、矢量显示、磁力、磁力矩都可以由后 处理或通过计算得到。各种流道情况下的磁力线分 布如图6，同时可得到沿油隙圆周磁感应强度的分 布 曲线如图7。 b模型2 c模型3 图5电动机网格剖分 3．1不同流道模型的比较 由图6可知，不同流道模型都形成 了三相 四极 鼠笼式异步电动机。由图7可知，受电动机磁路铁 心段饱和 的影响，油隙主磁场沿圆周分布将偏离正 弦形，在同 一 励磁电流的作用下，三种模型电动机 油隙磁感应强度的最大值依次为 1．113T、1．060 T、 1．002T可知模型1磁感应强度最大；模型2次之； 模型3最小。 三种模型最高齿部磁密及最高轭部磁 密见表2，可见模型 1的最高齿部磁密、 最高轭部 磁密最小；模型2次之；模型3最大。 ， 、、 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 机械工程学报 第4 4卷第 1 2期 ∞ 氍 趟 锋 襻 9 4 0 7 6 6 5 9 2 41 8 a 模型 1 油隙圆周长度 L ／ m a 模型 l 毫 鬻 慷 攫 8 8 5 7 0 7 5 2 9 3 5 1 b 模型 2 c 模型 3 图 6 磁力线分布图 O O ． O 5 0 ． 1 0 0 ． 1 5 0 ． 2 0 0 ． 2 5 0 _ 3 0 0 ． 3 5 油隙圆周长度 L ／ m b 模型2 图 7 油隙磁感应强度分布曲线 对于磁通的计算 ，可 以用磁感应强度的面积分 』 A d l 。在二维磁场中，两点之间矢量磁位差就 是两点之间的磁通量 。在 ANS YS中，提供 了定义 路径方法可直接得到通过这段路径的磁通量，每极 下的磁通量见表 2 ，对于不同的模型来税，可见每 极下的磁通量逐渐减小。 表2 三种模型电机泵不同部位磁通密度及每极下的磁通量 分析其原因，主要是由于流道模型不 同，电动 机饱和 的难易程度就不同，对于模型 3来说，铁心 最容易饱和，模型 1 铁心不易饱和。 作为比较，又分析了定子不采用冷却流道时的 磁场分布，电动机模型见图 8 ，油隙磁感应强度曲 线见图 9 ，结果显示在相同励磁 电流情况下 ，电 动机轭部最高磁密为 1 ． 7 6 7 3 T ，齿部最高磁密为 1 ． 7 6 1 1 T ， 油隙部分最高磁密为 1 ． 1 2 5 T ， 可见齿部、 轭部最高磁密降低 ，油隙部分磁密有所增大，所 以 铁心饱和程度下降。 1 ． 1 2 5 O ．9 4 8 嚣o ．7 6 6 骥 藿0 -5 8 4 樱 0 ．4 0 2 0 ．2 2 0 油隙圆周长度 L ／ m f c 模型3 图 8 无流道电动机模型 0 0 ． 0 5 0 ． 1 0 0 ． 1 5 0．2 0 0 ．2 5 0 - 3 0 0 ． 3 5 油隙圆周长度 L ／ m 图9 无流道油隙磁感应强度分布曲线 3 ． 2 旋转磁场的产生 在鼠笼式异步电动机 中，旋转磁场是由三相交 流电通过相应的定子绕组时产生的。三个对称 的相 绕组 UX、VY、WZ接成星形 Y型 连接 ，U、V、 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 0 8 年 l 2月 张大杰等基于A NS YS的轴向柱塞液压电机泵电磁场数值计算与分析 w三个头接电源， x、 Y、 z三个尾短路， 它们彼此 按 1 2 0 。 的空间角度嵌放到定子铁心中。三相交流电 波形图如图 1 O所示，电流表达式如下所示 s i n f { ／ v s i n c o t 一 1 2 0 。 【 i w I m s i n co t 一 2 4 0 。 由于空间排列相差 1 2 0 。 的定子绕组，当通以时 间上也相差 1 2 0 。 的交流电流时，其产生的磁场必定 在 空 间与 时 间 上 相 差1 2 0 o ， 当各 绕 组 的 电流 f w相继达到最大值时 ，其相应的绕组磁场 也先后到达最大值，其效果必定是磁极的旋转。 4 结论 a a t O 。 脚 O 图 1 0 三相交流电波形 图 各相电流每旋转 3 0 。 ， 磁场旋转 1 5 。 ， 即一个定 子齿距，因此 从 0 。 变化到 1 8 0 。 ，磁场便变化 了 9 0 。 。以模型 1 带有 1 2个流道的电动机为例进行分 析，旋转磁场磁力线变化过程见 图 l l ，可知 当耐 从0 。 变化到 1 8 0 。 时，磁场确实跟随旋转了 9 0 。 。 b c o t 6 0 。 c rot 9 0 。 d c o t 1 2 0 。 e c o t 1 5 0 。 f O g t 1 8 0 。 图 l 1 模型 1 旋转磁场磁力线变化过程 1 利用 ANS YS软件对轴 向柱塞 电机泵进行 电磁场的计算和分析，模型 1 的最高齿部、轭部磁 密较小，油隙磁密较大，每极下的磁通量较大，从 铁心饱和程度来说，模型 1 不易饱和，比其他两种 模型好；从加工制造方面而言，由于模型 3为圆形 流道，故模型 3易于加工。 2 三种模型均可形成三相四极电动机， 若仅 从电磁场分析方面， 论证了冷却流道设计的正确性， 同时当三相交流电通过模型 l 的定子绕组时，利用 A N S Y S对其进行电磁场分析，此种模型可以产生 旋转磁场。 综上，在制作液压 电机泵的物理样机之前，可 以根据不同要求进行不同流道的设计，并在此基础 上对样机进行结构的优化设计，这对于减少开发成 本，缩短开发周期，优化电机泵性能具有重要的实 际意义 。 参考文献 [ 1 】 S C OT T C ． T h e a d v a n t a g e o f r e t r o fi t t i n g u s i n g c a n n e d mo t o r s [ J ] ． Wo r l d P u m p s ， 2 0 0 5 ， 4 6 2 3 2 3 4 ． 【 2 】GR O T S C H J ， T I MC K E J ， C I n s i d e t h e c a n n e d mo t o r c e n t r i f u g a l p u m p [ ．Wo r l d P u mp s ， 1 9 9 9 ， 3 9 6 5 8 - 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