电机有限元软件设计与优化摇臂钻

电机有限元软件设计与优化

电机有限元软件设计与优化 2012年09月20日 来源： 1有限元软件Magnet简介 本次设计计算采用的磁场有限元分析软件为Magnet。该软件为加拿人Infolytica公司的产品，已经广泛用于航空航天、汽车、消费电子产品、电气产品等领域，为高性能的机电产品进行设计与丌发，可显著节省设计时间和成本。 软件的特点主要有以下几个方面：具有直接的CAD接口，可导入／导出多种文件类型。先进的材料属性，可以根据需要定义材料的多种电、磁、热的线性或非线性属性。支持用于仿真负载与驱动的电路建模，如换向器电机的运行、无刷电动机驱动等。自适应网格剖分功能。有限元软件MagNet的基本操作步骤可分为前处理、求解、后处理三个部分。前处理包括建立几何模型、编辑和设定材料、设置线圈和电路连接、设置边界条件及剖分网格参数等。 2设计过程及优化 设计过程是在有限元分析软件Magnet下设定电机模型，通过软件求解计算出电机的矩角特性，然后分析选出性能较好的模型，再进一步优化，得出最终电机结构参数。图3是电机在Magnet软件中设定材料后的电机模型，图4是电机模型经过有限元剖分后的图形。 电机结构中，几个重要的参数为齿数、齿宽、空气隙大小。在仿真中对每一组的仿真都只改变其中一个参数，同时对绕组情况根据结构参数进行相应设定，一步一步通过优化选取得到一个比较理想的结构。 (1)齿数。在齿宽一定时，选用齿数为1 6、1 8，进行偏转角度和输出力矩关系的计算，进行绘图。 从输出力矩考虑，l 8个齿的结构输出力矩较大，效果更好。在软件仿真计算中，为了后处理程序更易于处理，把电机设转角设定从零角度开始按正方向旋转。由于电机的对称性，即图5中偏转角度1 0°～20°的回复力矩与一l 0°～0°偏转角度对应的回复力矩相同，实际电机在正常上作情况下，只能上作在一1 0°～l 0°偏转范围内。其它图形中偏转角和回复力矩的关系图中也同样处理。 (2)在齿数为l 8时，选取齿宽分别为9 mm、9．4mm进行计算和绘图。 图7在偏转0．5。时的输出力矩要比图8偏转 0．5。输出力矩大，图7中峰值力矩也比图8中要大，因此选择齿宽为9 mm的结构。 (3)气隙选取。在齿宽、齿数确定的情况下，选择气隙宽度分别为0．1 5 mm、0．2 mm、0．3 mm、0．4mm进行偏转角度和输出力矩关系的计算和绘图。 根据图9到图l 2可得表1的数据，从表l可以看出，在偏转0．5。时，气隙o．3 mm情况下输出力矩最大，更加满足电机堵转大于等于5 N·m的要求，选气隙为0．3 mm比较合适。 综合考虑上述计算结果、电机制作的上艺性以及电机的强度问题，我们决定采用定子轭和定子齿分离的方案，定子轭材料选用较为硬的1 0号钢，定子齿材料仍选为电上纯铁DT4C。齿数1 8，齿宽9mm，气隙o．3 mm，最终得出偏转角和输出力矩的关系如图1 3所示。偏转8。的力矩为9．7 1 Nm，峰值力矩为ll．65 Nm。 从图5～图l 3也可以看出，在偏转角度+1°～+8°、+1 2°～+1 9°(对应一8°～一1°)时输出力矩与式(6)推导结果是相符的°

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