SOLIDWORKS Programında Fırçasız DC Motor Electromanyetik Simülasyonu

Genel Bakış

Elektrik motorları, elektrik gücünü (akım, voltaj) mekanik güce (tork, doğrusal / açısal yer değiştirme) dönüştürmek için kullanılır.İlk nesil elektrik motorları 1830'larda geliştirildi. Thomas Davenport, Joseph Henry, Michael Faraday, vb. Gibi birkaç bilim insanı bu gelişmeye dahil oldu. Daha önce icat edilen motorlar herhangi bir görevde insanların yerini alamayacak olsa da, gelecek nesil motorları geliştirmek için önemli ve vazgeçilmezdi.

Günümüzde elektrik motorları sağlamlıkları, yüksek verimlilikleri, daha az gürültü ve titreşimleri, temizlikleri vb. sayesinde nanoteknolojiden ağır sanayiye kadar tüm alanlarda ve uygulamalarda pratik olarak kullanılmaktadır. Ayrıca elektrikli araç fabrikası hızla büyümekte ve içten yanmalı motorların (ICE) yerini almaktadır. Gezegenimizde daha fazla yeşil arabaya sahip olmak, toksik gaz emisyonunu ve küresel ısınmayı azaltmaya yardımcı olabilir. 2017 yılında, Çin'de yarıdan fazla olmak üzere 1 milyonun üzerinde elektrikli araç satılarak yeni rekor kırıldı. Böylelikle yoldaki toplam otomobil sayısı 2016'ya göre% 50 artarak 3 milyonu aştı [1]. Tahminler, 125 milyon elektrikli arabanın 2030 yılına kadar yola çıkacağını söylüyor [2].

Bu artış, özellikle hafif, hızlı tepki, yüksek hız ve tork değerleri, daha az ısı, vb. Gibi birçok avantaj sunan gelişmiş elektrik motorlarının yaratılmasından kaynaklanmaktadır. Sınırlı hızlar için kullanılabilir tork geliştiren yanmalı motorların aksine, elektrik motorları daha verimli çalışabilir. geniş bir hız aralığı. Çok çeşitli hızlarda yüksek torklar üretmeye izin verirler ve bu, karmaşık dişli kutusu ve şanzıman sistemlerinin kullanımından kaçınmaya yardımcı olabilir. Dahası, elektrik motorları birincil dönme hareketi oluştururken, ICE piston boyunca dönmeye dönüştürülen doğrusal hareket oluşturduğundan, elektrik motorlarının kullanılması mekanik dengelemenin azaltılmasına yardımcı olur. Şu anda, asenkron motor, senkron makineler, fırçalı DC motorlar, fırçasız DC motor (BLDC), step motor vb. gibi farklı motor tipleri geliştirilmekte ve üretilmektedir. Bu makalede BLDC motor incelenecektir.

Fırçasız DC motor, çelik çekirdekten ve kalıcı mıknatıslardan oluşan bir rotor, çok fazlı sargılar içeren çelik çekirdekten yapılmış bir stator ve manyetik olmayan bir şafttan oluşur. Fırçalanmış DC motorun aksine ve adından da anlaşılacağı gibi, fırçasız DC motor fırça içermez. Fırçalı motorda rotor, fırçalı motorun dönüşünü, hızını ve yönünü kontrol eden fırça adı verilen komütatörler aracılığıyla sağlanır. Bir BLDC rotor kalıcı mıknatıslardan oluştuğundan ve bobinleri tutmadığından, makinenin dönüşü stator sargıları beslenerek sağlanır ve yönetilir. Elektrik motorlarının yukarıda belirtilen avantajlarına ek olarak, BLDC makinesi, motorun boyutuna göre yüksek bir tork oranı ile karakterize edilir, bu da onu yüksek güç gerektiren ancak hafifliğin ve kompaktlığın gerekli olduğu elektrikli araçlar için iyi bir seçim haline getirir. kritik faktörler de. BLDC motorları mekanik olarak olsa da, düzenlenmiş güç kaynakları ve gelişmiş kontrol elektronikleri gerektirirler.

BLDC Motorun CAD Modellemesi ve Simülasyonu

Bu makalede, sırasıyla SOLIDWORKS ve EMWorks2D kullanılarak bir BLDC motoru oluşturulmuş ve simüle edilmiştir (bkz. Şekil 1). Önerilen model, [3] 'te incelenmiştir. BLDC modeli, MotorWizard kullanılarak otomatik olarak oluşturulur. EMWorks tarafından sağlanan, elektrik motorlarının hem otomatik tasarımını hem de simülasyonunu sağlayan bir motor yazılımıdır. MotorWizard'a ek olarak EMWorks, sonlu elemanlar yöntemini (FEM) kullanan ve SOLIDWORKS'e entegre edilen bir 2D elektromanyetik yazılım (EMWorks2D) sağlar.

FEM simülasyonu, karmaşık elektromanyetik problemleri ve geometrileri analiz etme konusundaki yüksek yeteneğini kanıtlamıştır [3]. 1970'lerden beri elektrikli makinelere uygulanmaktadır. Sonlu eleman analizi (FEA), modeldeki makina geometrisini, manyetik malzemenin doğrusal olmayan davranışını ve sarım dağılımını dikkate alma yeteneği sağlayarak, elektrikli makinelerin incelenmesi ve tasarlanmasında karşılaşılan zorlukların üstesinden gelmeye yardımcı olur. Ayrıca, farklı tür kayıpların modeline ve hesaplanmasına farklı sınır koşullarını uygulama yeteneği, FEA'yı kullanışlı bir çözüm haline getirir.

3B çözüm, sarmal son efektleri, eğriltme efektleri, yerel efektler vb. Dikkate alınarak eksiksiz ve doğru sonuçlar sağlayabilse de - 2D simülasyonda durum böyle değildir - daha büyük hesaplama süresi ve daha yüksek bilgisayar kaynakları gerektirir. Bu nedenle, çeşitli modellerin ve koşulların çalışıldığı makinenin tasarım sürecinde veya arıza çalışmasında, daha düşük hesaplama süresi ve kabul edilebilir sonuçlar nedeniyle 2D yaklaşımın kullanılması daha tercih edilir. Bu, daha verimli ve yenilikçi motorların geliştirilmesini hızlandırmaya yardımcı olabilir.

Şekil 1, simüle edilmiş BLDC motorun 2D geometrisini içerir. 12 yuvalı ve 6 kutuplu 3 fazlı bir makineden oluşur. Bu nedenle, bu motorun simetri açısı büyük teta eşittir eğimli kesir payı 2 düz pi bölü payda 3 uç kesir mekanik derece

Şekil 1 - BLDC motorun başlangıç konumunda 2D modeli

Aşağıda her fazın uyarma sinyali gösterilmektedir. 3 ideal kare dalga akımından oluşur. Üç fazlı sargı, wye olarak bağlanır. Bununla birlikte, her pozisyonda sadece iki aşama sağlanır ve biri heyecanlı değildir. Fazlar arasında açma ve kapama rotor konumuna bağlıdır ve her 360 elektriksel dönüş derecesinde bir tekrarlanır.

Şekil 2 - Uyarma akımları

Bu simülasyonda Eddy etkileri ve demir kayıpları ihmal edildiğinden statik manyetik analiz yapılır. Çıkış torkunu ve manyetik akı sonuçlarını hesaplamak için hem akımların hem de rotor konumunun parametrik bir tarama çalışması tanımlanır. Ayrıca, endüktans ve akı bağlantısı sonuçları üretilecektir. Tork sonuçları ref [3] sonuçlarıyla karşılaştırılacaktır.

Mesh Tanımlama

Meshleme süreci, bir FEM simülasyonu için çok önemlidir. Daha küçük eleman boyutu, yani daha fazla sayıda ağ elemanı, sonuçların doğruluğunu artırabilir, ancak hesaplama süresinin artmasına neden olabilir. EMWorks2D, esnek ve kullanıcı dostu bir meshleme aracı ile birlikte gelir. Sonuçların ağa çok duyarlı olabileceği belirli yüzeylere ve kenarlara ağ denetimi eklemeye izin verir. Şekil 3, hava boşluğuna bir ağ kontrolü uygulanırken örgülü modeli göstermektedir.

Şekil 3 - Meshlenmiş model

Analiz Sonuçlarını Değerlendirme

Simülasyon farklı rotor konumunda çalıştırılır ve sonuçlar üretilir. Şekil 4a) ve 4b), başlangıç konumunda (0 derece, bobin A uyarılmamış) makinenin içindeki manyetik akı yoğunluğunu sırasıyla saçak ve vektör çizimlerini göstermektedir. Manyetik akı yoğunluğu makine merkezinden / merkeze doğru gitmektedir ve bu, faz B ve C'nin uyarılmış ters polaritesinden kaynaklanmaktadır. Stator diş köşelerinde yüksek manyetik akı yoğunluğu gözlemlenebilir.

Şekil 4 - Manyetik akı yoğunluğu, a) saçak grafiği, b) vektör grafiği

Şekil 5, rotor açısına karşı manyetik akı çizgilerinin bir animasyon grafiğini göstermektedir. Manyetik vektör potansiyelinin kontur çizgileri Şekil 6'da çizilmiştir. Manyetik alanın hemen hemen motorun içinde dolaştığını göstermektedir.

Şekil 5 - Manyetik akı yoğunluk çizgilerinin animasyonu

Şekil 6 - Manyetik vektör potansiyelinin kontur çizgi grafiği

Şekil 7, farklı rotor konumunda uygulanan akım yoğunluğunun bir animasyonunu içerir. Başka bir deyişle, Şekil 7, farklı rotor konumlarında üç fazın uyarılmasını göstermektedir. Bu komutasyon, mümkün olan en yüksek torku geliştirmeye ve tork dalgalanmasını azaltmaya izin verir.

Şekil 7 - Uygulanan akım yoğunluğunun animasyonu

Aşağıdaki şekil, EMWorks2D tarafından 0 alan d e g'den 3 bölü 40 alan d e g'ye eşit eğimli teta'ya kadar bir açı aralığı için hesaplanan yük torku sonuçlarını gösterir ve bunları [3] 'te sunulan sonuçlarla karşılaştırır. Tork eğrisi, küçük dalgalanma genliği, ancak önemli ölçüde yüksek sayıda dalgalanma (bir tam devirde toplam 18 dalgacık) ile karakterize edilir. Hesaplanan torkun maksimum ve minimum değerleri sırasıyla 2,05 Nm ve 1,53 Nm'dir. Ortalama geliştirilen tork yaklaşık 1,89 Nm'dir.

Şekil 9, amper dönüşlere karşı statik tork eğrisini (ortalama üretilen tork) verir. Torkun amper dönüşlerle orantılı olduğunu gösterir. Uyarma olmadığında, tork değeri 0.1Nm (Dişli tork) civarındadır ve 2916 A-t'de ortalama 1.89 Nm'ye ulaşacak şekilde artar. BLDC tarafından üretilen statik torkun Şekil 9'da gösterilen bu doğrusal bağımlılığı, fırçalanmış DC motorun bir avantajı olarak değerlendirilir. Bu nedenle, komütatör ve fırça kullanmadan BLDC'ye miras kalan bir avantajdır.

Tablo 1, motor fazlarının endüktans sonuçlarını özetlemektedir. Tüm fazlar aynı endüktans değerlerine sahiptir. Üç fazlı sargıların akı bağlantısı sonuçları Şekil 10'da çizilmiştir.

Şekil 8 - Tork eğrisi

Şekil 9 - Amper dönüşlerine karşı tork davranışı

Tablo 1 - Endüktans sonuçları

Şekil 10 - Akı bağlantısı sonuçları

Sonuç

Önerilen BLDC motoru EMWorks2D kullanılarak simüle edildi. Manyetik akı, tork ve endüktans sonuçları, rotor açısına göre doğru bir şekilde oluşturulur. EMWorks2D tarafından sağlanan 2D FEM çözümü, önerilen modelin verimli bir şekilde çalışılmasına yardımcı oldu. Daha az hesaplama süresi elde edilir ve bu daha fazla simülasyon senaryosu sunabilir. Bununla birlikte, 2D simülasyonun, sonuçların kesin olmamasına neden olan son etkiyi ihmal etme, eksenel akı, çarpıklık gibi bazı dezavantajları vardır. Bu nedenle, gerçek yaşam koşullarının çoğunu göz önünde bulundurarak tüm sonuçları tahmin etmek için bir 3D simülasyon gereklidir.

EMWorks ürünlerinin özelliklerini ve detaylarını incelemek için sitemizi ziyaret edebilirsiniz.

Kaynak : Electromagnetic Simulation of Brushless DC motor inside SOLIDWORKS - EMWorks