液壓電機泵中電機定子形狀對電磁特性的影響

冀宏，汪翔羚

(蘭州理工大學能源與動力工程學院，甘肅蘭州730050)

液壓電機泵是將浸油電動機和液壓泵集成在一個殼體內(nèi)的新型一體化電動液壓動力單元，電動機和液壓泵共用同一根軸，省去冷卻風扇，由油流冷卻，轉(zhuǎn)軸無外伸軸、無需動密封，具有結(jié)構(gòu)緊湊、噪聲低等優(yōu)點[1－2]。為了獲得體積更小的電機泵，考慮縮小電機定子外形尺寸，作者設計了八邊形電機。運用Ansoft RMxprt模塊分析電機定子外徑變化對電機性能的影響，然后采用Ansoft Maxwell 2D 對八邊形電機進行空載瞬態(tài)計算和分析，最后對比分析了八邊形電機與圓形電機的電磁性能。

1 八邊形電機結(jié)構(gòu)

作者在原液壓電機泵(其結(jié)構(gòu)及工作原理詳見文獻[1－2])圓形電機(如圖1(a))的基礎上對液壓電機泵電機定子的外形進行了設計(見圖1(b)所示)，提出了液壓電機泵八邊形電機結(jié)構(gòu)。由圖1可知，八邊形電機定子外形尺寸較圓形電機有所減小，其轉(zhuǎn)子和泵芯部分沒有改變。

圖1 電機泵剖面圖

液壓電機泵圓形電機的主要參數(shù)見表1。為了分析電機定子外徑變化對電機性能的影響，在前處理RMxprt模塊中調(diào)整液壓電機泵圓形電機外徑尺寸，將原來的定子外徑改為參數(shù)L1，L1的取值范圍為250～260 mm，每1 mm為一個計算步長，進行數(shù)值計算，得到電機性能參數(shù)隨定子外徑的變化，如表2所示。

表1 液壓電機葉片泵電機的主要技術(shù)參數(shù)

表2 液壓電機泵電機隨定子外徑變化的性能參數(shù)

表2列出了電機定子外徑變化時，定子軛部磁密、定子齒部磁密、氣隙磁密、轉(zhuǎn)矩及空載電流隨電機定子外徑的變化數(shù)據(jù)。為了保證電機合理的鐵心損耗和空載電流，定子軛部磁通密度一般低于定子齒部磁通密度[3]。由表2可以看出，液壓電機泵電機定子外徑取值范圍在255～260 mm之間時，定子軛部磁密小于定子齒部磁密。

取電機定子外徑為255 mm，并切掉八個邊以提供一定的通流面積，作為電機泵冷卻流道，設計出八邊形電機。經(jīng)計算，設計出的八邊形電機定子比原液壓電機泵中圓形電機定子的體積減小16% (如圖1所示)。

2 圓形電機與八邊形電機電磁性能比較

2.1 電機模型的建立

采用Ansoft Maxwell 2D軟件分別建立圓形電機和八邊形電機的二維有限元模型?，F(xiàn)假設如下:因為電源的頻率很低，位移電流可以忽略;不考慮端部效應;忽略定子鐵心外表面和轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)表面的漏磁;電磁場的各場量隨時間按正弦規(guī)律變化[4]。

(1)構(gòu)建模型

在項目管理器中建立電機有限元分析項目，采用瞬態(tài)求解器Transient。建立xy 平面幾何模型。電機電磁場有限元模型如圖2所示。

圖2 電機泵定轉(zhuǎn)子部分幾何模型

(2)定義材料屬性

指定模型所用的材料:電機定子鐵心與轉(zhuǎn)子鐵心材料為D23，線圈指定為Copper，轉(zhuǎn)子導條材料指定為Copper_75C。指定Inner_region、Out_region、Air_gap以及Band為Oil Hydraulic。由于液壓電機泵電機是全部浸在液壓油中的，材料庫中并無此種材料，需要將材料特性輸入到電機材料數(shù)據(jù)庫中。其中液壓油相對磁導率μr(MURX)=1[5]，密度取為850 kg/m3。

(3)網(wǎng)格剖分與求解設置

設置定子外徑的邊界矢勢為0，添加三相電壓激勵源。設置運動選項，并考慮電機空載啟動過程。對模型進行剖分，采用Inside Selection 命令對電機整體進行內(nèi)部剖分，并使用Surface Approximation 命令對邊界曲線的部位進行進一步的細致剖分。為使計算精確，在氣隙部分剖分較密，網(wǎng)格剖分如圖3所示。

圖3 電機網(wǎng)格劃分

設置硅鋼片鐵損系數(shù)，并選擇求解參數(shù)——定子的鐵心損耗(Core Loss)。在求解參數(shù)的設置中設置步長為0.001 s，計算時間為0.4 s。設置模型長度為155 mm。

2.2 仿真結(jié)果分析

針對八邊形電機空載啟動進行分析。當電機空啟動至穩(wěn)定運行時，電機勵磁電流If=4.93 A，轉(zhuǎn)速n=1 450 r/min。

由圖4可見:當八邊形電機運行時，電磁轉(zhuǎn)矩在啟動過程中波動明顯，由于液壓油的負載效應[6]，使得電機的啟動轉(zhuǎn)矩增大。電磁轉(zhuǎn)矩大幅波動的過程中，電機轉(zhuǎn)速快速增加，在t=0.3 s 附近趨于穩(wěn)定。由圖5可見:在電機空載啟動過程中，三相電流波動幅值很大，這種沖擊電流對電機運行的穩(wěn)定性有很大影響，在t=0.2 s 附近，三相電流對稱分布，且基本接近正弦。圖6為電機空載啟動時轉(zhuǎn)速隨時間的變化曲線圖，其中從啟動到t=0.22 s 轉(zhuǎn)速變化較大，t=0.22 s以后轉(zhuǎn)速變化平緩，逐步達到同步轉(zhuǎn)速1 500 r/min。圖7所示為電機空載啟動時電機籠型繞組中的感應電流在電機啟動過程中感生出較大的電流，從而產(chǎn)生較大的電磁轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子導條的電流與啟動時電機負載大小有關(guān)，當電機里充滿液壓油時，電機啟動相當于增加了負載[7]。最后隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的提高，轉(zhuǎn)子籠型繞組切割磁場的頻率增加，感應電流減小，當電機轉(zhuǎn)速為1 450 r/min時，轉(zhuǎn)子籠型繞組電流接近0。大約t=0.3 s時，電機工作穩(wěn)定處于空載狀態(tài)。

圖4 空載啟動時電磁轉(zhuǎn)矩曲線

圖5 空載啟動時三相繞組電流曲線

圖6 空載啟動時轉(zhuǎn)速曲線

圖7 空載啟動時的轉(zhuǎn)子電流曲線

2.3 圓形電機與八邊形電機電磁場比較

對于圓形電機和八邊形電機，由于定子外形尺寸不同，首先考察不同模型定子軛部磁密及齒部磁密的大小。圖8是t=0.3 s時的電機定子軛部磁密在軛部中心圓(軛部平均直徑)上磁感應強度模的曲線。可以看出，八邊形電機的軛部磁密大于圓形電機軛部磁密。在軛部中心圓上，圓形電機最大軛部磁密為1.350 1 T，平均軛部磁密為0.874 7 T;八邊形最大軛部磁密為1.637 1 T，平均軛部磁密為1.072 1 T。分析其主要原因，是由于磁束閉環(huán)上各部分的有效寬度決定其通過的磁通密度，八邊形電機定子軛部鐵心截面減小，其有效軛部磁路寬度減小，在磁通量不變的前提下，八邊形電機的軛部磁密較大。

圖8 定子軛部中心圓上磁感應強度模的曲線

圖9是t=0.3 s時的電機定子齒部磁密在齒部中心半圓(半圓位于定子齒一半高度處)上磁感應強度模的曲線。可以看出:與軛部磁密相比，齒部磁密變化比較小，在同樣的三相電壓激勵源條件下，圓形電機齒部最大磁密為1.606 1 T，八邊形電機齒部最大磁密為1.562 3 T，兩者相差較小。這主要是由于圓形電機與八邊形電機的不同之處在于軛部鐵心截面的變化，對軛部磁密影響較大，而對齒部磁密影響較小。最后校驗定子齒最小截面處的齒磁密，不應該超過2 T。當t=0.3 s時圓形電機定子齒部最小截面處的平均齒磁密為1.225 5 T，八邊形電機定子最小截面處的平均齒磁密為1.287 0 T，其值都未超過2 T，說明八邊形電機設計合理。

圖9 定子齒部中心半圓上磁感應強度模的曲線

圖10為電機空載運行0.3 s時的磁通密度分布圖?？芍?八邊形電機和圓形電機磁密分布相似，且磁密較大的部分主要出現(xiàn)在一相的定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組之間(大小見圖10所示)。八邊形電機定子軛部四極對稱部位磁密較大，定子軛部最高磁密為1.946 4 T，圓形電機定子軛部最高磁密為1.558 3 T，可見八邊形電機軛部磁密較圓形電機軛部磁密局部有所變大。

圖10 磁通密度云圖

為了更好地分析磁通密度的分布，在Ansoft 后處理中，利用場計算器繪制出t=0.3 s時八邊形電機與圓形電機氣隙中心磁通密度變化曲線，如圖11所示。理想的氣隙磁密隨圓周長度的變化曲線應該是正弦曲線，且呈現(xiàn)周期性變化趨勢。由圖11可知，八邊形電機和圓形電機在不同程度上都存在諧波分量，且變化趨勢與普通空冷電機相同。諧波磁勢會對電機泵帶來一系列不利的影響，如產(chǎn)生較大的損耗而使電機的效率降低和溫升增高，產(chǎn)生較大的振動、噪聲和附加轉(zhuǎn)矩，影響電機啟動等[8]。利用FFT函數(shù)對曲線進行傅里葉變換，頻譜圖如圖12所示。圓形電機的基波幅值為0.757 37，較大幅值的諧波為0.178 5，占基波幅值的23.57%;八邊形電機的基波幅值為0.757 14，較大幅值的諧波為0.176 73，占基波幅值的23.34%。其余諧波幅值較小，在此忽略不計?？梢姡诉呅坞姍C諧波分量較小，因此造成的影響較小。

圖11 空載氣隙磁通密度沿圓周方向變化曲線

圖12 氣隙磁通密度傅里葉分析

3 總結(jié)

利用Ansoft軟件對液壓電機泵中圓形電機與八邊形電機空載穩(wěn)定運行時的電磁場進行分析與計算，得到如下結(jié)論:

(1)所設計的八邊形電機電磁性能合理，其定子體積較圓形電機定子體積減小16%，八邊形電機定子軛部磁密有所增加，磁密最大值為1.946 4 T。相比圓形電機，八邊形電機氣隙諧波分量影響較小。

(2)八邊形電機是依據(jù)普通空冷電機要求進行設計的。在液壓油冷卻情況下，電機的冷卻效果更好，考慮在此基礎上對樣機進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，能進一步縮小電機尺寸。

【1】冀宏，張立升，王崢嶸，等.電動液壓動力單元的一體化演變[J].機床與液壓，2011，39(19):117－120.

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