一种多能域耦合微特电机的有限元磁路热模型分析方法

1.本发明设涉及有多能域耦合下微特电机有限元建模设计、印刷电路板式(pcb)绕组的电磁场模型解析方法与halbach型永磁阵列设计、微特电机的绕组损耗热分析方法。


背景技术：

2.微特电机具有微型化、高效率等特点，一般而言，提高输出效率的方法有使用新型材料、改善冷却条件、利用新的拓扑结构、磁阻转矩以及增加谐波等方法，比如超导材料绕组，不同的高性能软磁合金铁芯材料等。文献[f.marignetti,g.volpe,s.m.mirimani and c.cecati,"electromagnetic design and modeling of a two-phase axial-flux printed circuit board motor,"in ieee transactions on industrial electronics,vol.65,no.1,pp.67-76,jan.2018]提出了一种采用pcb绕组的轴向磁通永磁电机的原始布局。与其他同类型的轴向磁通电机一般采用三相分数槽绕组相比，本文提出的电机在pcb的两侧印刷有两相波动绕组。这种配置允许增加极对的数量和电源频率，以减少定子和转子的核心宽度。此外，[w.zhou et al.,"a piezoelectric microultrasonic motor with high q and good mode match,"in ieee/asme transactions on mechatronics,vol.26,no.4,pp.1773-1781,aug.2021]本文通过定子的模态分析和能量耗散评价，提出了一种改进定子模态匹配和q值的精细超声微电机设计。随着印制电路板层数上限提高，铜箔厚度更精准，印刷电路板代替传统的线圈绕组成为了可能，印制电路板技术的应用简化了盘式无铁芯永磁电机电枢生产制造工艺，充分利用了气隙空间，将定子绕组的精确的印制在pcb绝缘板上，使得定子绕组定位更加准确，并且转矩脉动更小，电机的轴向长度更短，从而提高气隙磁通密度，提高电机的功率密度等，使得电机的性能进一步得到提高，并且pcb绕组加工工艺简单，成本较低。同时由于pcb定子绕组具有良好的导热性，而且散热面积大，可以通过提高pcb定子绕组的电流密度来增加电机的功率密度。


技术实现要素：

[0003]
本发明要解决多能域耦合微特电机内部电磁场求解复杂、pcb定子绕组存在的气隙磁通密度小、微特电机毫米级的机械结构和电机的封装式结构造成的pcb绕组的散热性能降低等问题，提出分析模型。
[0004]
本发明解决上述问题所采用的方法是通过微特电机的有限元建模以及通过有限元解析分析的方法对电机内部电磁场进行辅助求解；通过分析了电机空载时的气隙磁通密度、采用halbach型永磁阵列排布方案，来提高气隙磁通密度并改善磁场的正弦性；通过pcb绕组损耗热分析改善pcb绕组的散热性能降低的问题。其主要过程为：
[0005]
首先，微特电机有限元建模主要包含五个步骤：局部模型建立、空气包模型建立、运动体设置及边界条件添加、网络剖分设置、求解时间以及步长设置。使用magnet软件对微特电机模型进行建模仿真。首先考虑到对微特电机的全模型进行建模仿真时的工作量，magnet每运行一次需要耗费大量时间，因此选择对模型的局部进行建模仿真。再通过构建
空气包模型将电机的三维空间内的磁场分布转化为有限空间内的磁场分布。为了对电机额定功率下的工况进行仿真，需要对电机的定子运动体、转子运动体进行设置、并加上相应的边界条件。在网络剖分中，考虑仿真速度和准确度，设置上下两个转子及其空气包的最大剖分尺寸，定子及其空气包的最大剖分尺寸。最后设置求解时间以及步长进行求解，设置步数、步长和求解时长。融合微特电机电场特性、磁场特性、机械特性和电磁力多能域耦合非线性关系，以及微特电机在空载时气隙磁通密度特性，先绘制pcb定子绕组与转子的二维平面图，再其导入magnet软件后，通过旋转、平移等操作后生成三维立体图，最后导入电机各项参数，生成实体模型；采用基于有限元动力学基础方法，建立的空气包模型，令两个侧面与磁钢侧面和背铁侧面完全贴合，考虑转子运动体中空气包的加入和边界条件的设置，模型结构包括上转子空气包、上转子重剖分空气包、上定子重剖分空气包、定子空气包、下定子重剖分空气包、下转子重剖分空气包、下转子空气包；设置运动体为：设置定子运动体的转速为v，将转子运动部件包括上下转子以及随转子一起运动的空气包视为一个转子运动体，将其设置为速度驱动，并设置其转速为v
max
，添加边界条件添加为：偶边界条件；设置网络剖分的参数，将上下两个转子及其空气包的最大剖分尺寸设为l
rotor
，定子及其空气包的最大剖分尺寸设为l
stator
。
[0006]
然后，为减轻计算压力，提高计算效率，在完成有限元建模的前期处理后，通过有限元解析方法对电机电磁场进行辅助求解。解析流程中前处理包括建立几何模型、材料特性处理、边界条件处理、网络剖分，电磁场有限元计算包括建立问题的变分描述、建立差值函数、变分问题离散化、求解代数方程，之后再进行后处理。对电机空载运行下的磁通密度分布图以及磁通密度分布曲线进行分析，并采用halbach型永磁阵列的排布方案来提高气隙磁通密度，改善磁场的正弦性，削弱谐波磁场，使电机运行的更为平稳。
[0007]
最后，基于微特电机的结构特点，进行绕组损耗热分析，以绕组的最高温度来近似评估pcb基材的温度，可以得到某一特定转速下的整机温度场分布。应用有限元法对电机运行在不同转速下的绕组三维温度场分别进行数值计算，以绕组的最高温度来近似评估pcb基材的温度，实现整机温度场有限元模拟分析，解决微特电机微尺度下机械结构和电机封装式结构造成的pcb绕组散热性能降低的问题。
附图说明
[0008]
图1为本发明多能域耦合微特电机的有限元磁路热模型分析系统框图；
[0009]
图2为本发明有限元分析计算方法的具体流程。
具体实施方式
[0010]
下面结合附图详细阐述本发明的技术方案。
[0011]
如图1所示，本发明主要针对多能域耦合微特电机内部电磁场求解复杂、pcb定子绕组存在的气隙磁通密度小、微特电机毫米级的机械结构和电机的封装式结构造成的pcb绕组的散热性能降低等问题，提出有限元分析模型方法。首先，多能域耦合下微特电机有限元建模设计、印刷电路板式(pcb)绕组的电磁场模型解析方法与halbach型永磁阵列设计、微特电机的绕组损耗热分析方法。如图2所示，主要流程如下：
[0012]
步骤1：通过magnet软件进行微特电机的模型进行建模仿真。融合微特电机电场特
性、磁场特性、机械特性和电磁力多能域耦合非线性关系，以及微特电机在空载时气隙磁通密度特性，先绘制pcb定子绕组与转子的二维平面图，再其导入magnet软件后，通过旋转、平移等操作后生成三维立体图，最后导入电机各项参数，生成实体模型。magnet每运行一次需要耗费大量时间，因此选择对模型的局部进行建模仿真。在对电机的建模开始前，需要先绘制pcb定子绕组与转子的二维平面图，再将其导入magnet软件，然后通过旋转、平移等操作生成三维立体图，最后导入电机各项参数，生成实体模型。
[0013]
步骤2：采用基于有限元动力学基础方法，建立的空气包模型，令两个侧面与磁钢侧面和背铁侧面完全贴合，考虑转子运动体中空气包的加入和边界条件的设置，模型结构包括上转子空气包、上转子重剖分空气包、上定子重剖分空气包、定子空气包、下定子重剖分空气包、下转子重剖分空气包、下转子空气包。空气包的作用在于将电机的三维空间内的磁场分布转化为有限空间内的磁场分布，空气包的边界就是磁场的边界。空气包模型的正确性将直接影响到电机模型能否准确的进行仿真。因此，在空气包模型的建立过程中需要注意到，空气包的两个侧面应该与磁钢侧面和背铁侧面完全贴合；同时，建立空气包的过程中还需要考虑转子运动体中空气包的加入和边界条件的设置。图1所示的空气包模型是本发明提出一种有效模型。
[0014]
步骤3：设置运动体为：设置定子运动体的转速为v，将转子运动部件包括上下转子以及随转子一起运动的空气包视为一个转子运动体，将其设置为速度驱动，并设置其转速为v
max
，添加边界条件添加为：偶边界条件。为了对电机额定功率下的工况进行仿真，需要对电机的运动体进行设置。考虑到定子是不运动的，所以对于定子运动体，设置其转速为静止；转子运动部件包括上下转子以及随转子一起运动的空气包，将这些运动部件视为一个转子运动体，将其设置为速度驱动，并设置其转速为v
max
。而对于边界条件的添加，由于模型只存在一对磁极，属于整周期的边界条件，所以在magnet软件中给电机模型添加偶边界条件即可。
[0015]
步骤4：设置网络剖分的参数，将上下两个转子及其空气包的最大剖分尺寸设为l
rotor
，定子及其空气包的最大剖分尺寸设为l
stator
。网络剖分的设置主要影响到模型仿真的结果准确度和速度。网络剖分如果设置的太大，仿真时间虽然会较短，但是仿真结果的准确度将大大降低；如果设置的太小，虽然能提高仿真结果的准确度，但会消耗大量的时间成本。因此，综合考虑仿真速度和准确度是设置网络剖分尺寸的一个重要指标。本发明将上下两个转子及其空气包的最大剖分尺寸设为l
rotor
，定子及其空气包的最大剖分尺寸设为l
stator
。在magnet软件中，一般把求解时间设置为一个周期；进而设置步长到一定范围内，步数越多(步长越短)，仿真的准确度越高，但仿真时间越长。本发明设置步数为s1，得到最终的设置参数为：求解时间：ts，步长：sm。在完成对微特电机的有限元建模的前期处理后，通过应用有限元解析方法对电机电磁场进行辅助求解，可以大幅度的减轻计算压力，提高计算效率。
[0016]
步骤5：解析流程中前处理包括建立几何模型、材料特性处理、边界条件处理、网络剖分，电磁场有限元计算包括建立问题的变分描述、建立差值函数、变分问题离散化、求解代数方程，之后再进行后处理，采用halbach型永磁阵列的排布方案提高气隙磁通密度，改善磁场的正弦性，削弱谐波磁场，使电机运行的更为平稳。对于微特电机而言，气隙磁通密度的正弦性对电机的输出性能的好坏有较大的影响。本发明详细分析了电机空载运行下的
磁通密度分布图以及磁通密度分布曲线。在一对极下的中心气隙处，取出周向及径向不同位置点的磁通密度值，生成气隙磁通密度三维分布图，在一定的磁钢半径范围内，气隙磁通密度值从磁钢的内径到外径是逐渐增加的，在接近外径处与绕组交链的磁链大于在接近内径处与绕组交链的磁链。在此基础上取径向平均半径处的气隙磁通密度周向分布曲线，取气隙磁通密度波形幅值为t。对气隙磁通密度周向分布曲线进行傅立叶分解，可以得到气隙磁通密度的谐波含量。气隙磁密的谐波分量主要以三次、五次和七次谐波为主，其中三次谐波所占比例最高，通过采用三相星接绕组，可以在产生的线电压波形中将其消除，得到较正弦的输出波形。考虑到毫米级超薄轴向磁场盘式无刷电机的毫米级机械结构，其pcb定子绕组通常为无铁心结构，这就会导致双边转子上的磁钢的间隙较大，气隙磁通密度较小，从而使得电机的输出性能降低。本发明提出采用halbach型永磁阵列的排布方案来提高气隙磁通密度，同时halbach型永磁阵列还能改善磁场的正弦性，削弱谐波磁场，使电机运行的更为平稳。
[0017]
步骤6：应用有限元法对电机运行在不同转速下的绕组三维温度场分别进行数值计算，以绕组的最高温度来近似评估pcb基材的温度，实现整机温度场有限元模拟分析，解决微特电机微尺度下机械结构和电机封装式结构造成的pcb绕组散热性能降低的问题。基于微特电机的结构特点，根据传热学理论，暂态运行下的电机三维温度场计算模型为：
[0018][0019]
其中t为定子温度，x、y、z表示温度场三维坐标，q为热力学常数，c为比热容系数，τ表示时间系数，k
x
、ky、kz表示温度系统的三维矢量系数，k为温度传导系数，n为转子转速，α导热系数，te为转子温度，s1表示转子，s2表示定子。通常热量传递的方式主要有三种，分别为热传导、热对流和热辐射。微特电机的定子绕组产生的热量，一部分通过pcb传导至pcb表明，通过热对流的方式由气隙传递给转子，转子再与外界环境进行热交换的方式将热量传递给外界环境；另一部分则通过pcb基材传导至与之想接触的外壳，再通过外壳表面扩散到外界环境去。可以看出，整个过程中，热传导和热对流在热烈传递过程中占据主导作用。应用有限元法对电机运行在不同转速下的绕组温度分别进行数值计算，以绕组的最高温度来近似评估pcb基材的温度，最后可以得到某一特定转速下的整机温度场分布。

技术特征：
1.一种多能域耦合微特电机的有限元磁路热模型分析方法，其特征在于，包括多能域耦合下微特电机有限元建模设计、印刷电路板式(pcb)绕组的电磁场模型解析方法与halbach型永磁阵列设计、微特电机的绕组损耗热分析方法。2.根据权利要求1所述的多能域耦合微特电机有限元建模设计，其特征在于，融合微特电机电场特性、磁场特性、机械特性和电磁力多能域耦合非线性关系，以及微特电机在空载时气隙磁通密度特性，先绘制pcb定子绕组与转子的二维平面图，再其导入magnet软件后，通过旋转、平移等操作后生成三维立体图，最后导入电机各项参数，生成实体模型。3.根据权利要求1所述的多能域耦合微特电机有限元建模设计，其特征在于，采用基于有限元动力学基础方法，建立的空气包模型，令两个侧面与磁钢侧面和背铁侧面完全贴合，考虑转子运动体中空气包的加入和边界条件的设置，模型结构包括上转子空气包、上转子重剖分空气包、上定子重剖分空气包、定子空气包、下定子重剖分空气包、下转子重剖分空气包、下转子空气包。4.根据权利要求1所述的多能域耦合微特电机有限元建模设计，其特征在于，设置运动体为：设置定子运动体的转速为v，将转子运动部件包括上下转子以及随转子一起运动的空气包视为一个转子运动体，将其设置为速度驱动，并设置其转速v
max
，添加边界条件添加为：偶边界条件。5.根据权利要求1所述的多能域耦合微特电机有限元建模设计，其特征在于，设置网络剖分的参数，设置上下两个转子及其空气包的最大剖分尺寸l
rotor
，定子及其空气包的最大剖分尺寸设为l
stator
。6.根据权利要求1所述的pcb绕组的电磁场模型解析方法与halbach型永磁阵列设计，其特征在于，解析流程中前处理包括建立几何模型、材料特性处理、边界条件处理、网络剖分，电磁场有限元计算包括建立问题的变分描述、建立差值函数、变分问题离散化、求解代数方程，之后再进行后处理。7.根据权利要求1所述的pcb绕组的电磁场模型解析方法与halbach型永磁阵列设计，其特征在于，采用halbach型永磁阵列的排布方案提高气隙磁通密度，改善磁场的正弦性，削弱谐波磁场，使电机运行的更为平稳。8.根据权利要求1所述的微特电机的绕组损耗热分析方法，其特征在于，应用有限元法对电机运行在不同转速下的绕组三维温度场分别进行数值计算，以绕组的最高温度来近似评估pcb基材的温度，实现整机温度场有限元模拟分析，解决微特电机微尺度下机械结构和电机封装式结构造成的pcb绕组散热性能降低的问题。

技术总结
本发明涉及微特电机的有限元动力学基础建模和有限元模拟分析方法。本发明公开了一种多能域耦合下的微特电机的建模仿真方法，通过分析多能域耦合效应下微特电机的非线性特性，以及微特电机空载时气隙磁通密度，采用基于有限元动力学基础方法，实现对微特电机模型构建、空气包模型构建、运动体及边界条件添加、网络剖分的参数设置；进一步地，针对PCB定子绕组存在气隙磁通密度小问题，采用Halbach型永磁阵列排布方案，提高气隙磁通密度，同时改善磁场的正弦性；最后通过PCB的绕组损耗热分析，计算暂态运行下的电机三维温度场计算模型，从而实现整机温度场有限元模拟分析，改善微特电机微尺度下机械结构和电机封装式结构造成的PCB绕组散热性能降低的问题。绕组散热性能降低的问题。绕组散热性能降低的问题。


技术研发人员：陈勇 杨鑫宇 张龙杰
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2023.04.26
技术公布日：2023/8/1