三维虚拟直流无刷电机动态仿真方法技术

本发明专利技术涉及一种三维虚拟直流无刷电机动态仿真方法，属于计算机辅助设计的技术领域。其包括如下步骤：ａ、建立直流无刷电机的机理模型；ｂ、建立直流无刷电机的三维虚拟现实场景模型：建立直流无刷电机的各个部分及负载的三维模型，并将所述三维模型转换为３ｄｓ文件输出；ｃ、实现虚拟现实场景；ｄ、实现虚拟仿真程序的交互。本发明专利技术所述三维直流无刷电机交互操作时，可视化性好；直流无刷电机交互时，能够通过交互操作过程中，对电机的设计及运行参数进行修正，能够使电机的设计达到最佳性能，能够预先对设计的直流无刷电机性能进行测试。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种动态仿真方法，尤其是一种三维虚拟直流无刷电机动态仿真方 法，具体地说是一种对三维可视化虚拟直流无刷电机的动态仿真方法，属于计算机辅助设 计的

技术介绍
在近几十年内，随着计算机运算能力的提高，国内外对计算机的辅助设计进行了 大量的研究，开发出许多优秀的计算机辅助设计软件。目前，在电机行业，CAD软件已经是 电机开发人员不可缺少的辅助工具，它大大地减少了设计人员们的工作量，使人们从以往 的繁琐计算中解放出来。在国外，计算机辅助设计软件主要有美国SolidWorks公司开发的SolidWorkS3D 软件、美H参数技术公司(Parametic technology Corporation)开发的 Pro/Engineer 软 件、美国Autodesk公司开发的AutoCAD软件、EDS公司开发的UG软件，它们几乎是机械行 业中不可缺少的工具。上述计算机辅助设计软件虽然功能强大，但是对于电机的设计来说， 它们的针对性不强。在国内，对电机的辅助设计也进行了大量的研究，其中具有代表性的是浙江大学 开发的Visual EMCAD软件，此软件包括了三相异步电动机、单相异步电动机、永磁直流电 动、单相串励电动机、永磁无刷直流电动机和开关磁阻电动机的设计。在国内的一些企业中 也对电机的辅助设计进行了一些研究，其中包括宁波高新区南牛电机技术有限公司开发的 南牛单相串激电机设计软件、南牛外转子三相异步电机设计软件等。虽然它们都是专门针 对电机辅助设计的软件，但是使用这些辅助设计软件所得的分析结果都是以二维图形和图 表的形式给出，因此其直观性和交互性有限，而且其不能够预先对电机在驱动负载的时运 行情况进行动态仿真；不能对辅助设计电机的性能进行有效评价，不利于电机设计的改进， 延长了电机设计的时间，增加了电机设计的成本。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种三维虚拟直流无刷电机动 态仿真方法，其能够对直流无刷电机的情况进行动态仿真，可视性强，能够进行交互设计，可靠性高。按照本专利技术提供的技术方案，所述，包括如 下步骤a、建立直流无刷电机的机理模型包括直流无刷电机的尺寸、额定转速、定子冲片 与转子冲片的类型、直流无刷电机的额定功率、额定电压与额定电流、所述直流无刷电机的 数学模型、驱动负载模型与温度变化模型；b、建立直流无刷电机的三维虚拟现实场景模型建立直流无刷电机的各个部分及 负载的三维模型，并将所述三维模型转换为3ds文件输出；C、实现虚拟现实场景根据步骤a中直流无刷电机的机理模型建立直流无刷电机 的仿真运算程序模块，所述仿真运算程序模块读取预先建立数据库的信息，对直流无刷电 机的机理模型进行仿真计算，并输出直流无刷电机的仿真计算结果；所述数据库包括若干 直流无刷电机机理模型的参数和直流无刷电机的运行环境参数；d、实现虚拟仿真程序的交互读取步骤b中生成的3ds文件，并生成对应的三维 直流无刷电机图形；所述三维直流无刷电机图形利用步骤c仿真计算结果驱动，并对所述 三维直流无刷电机进行交互操作，且利用输出设备对三维直流无刷电机的运行进行动态展 现。所述步骤a中直流无刷电机的数学模型为， 其中，U1,U2，U3分别为三相定子相绕组电压，i1;i2，i3分别为三相定子相绕组电流， L为每相绕组的自感，M为任意两相绕组间的互感，ei;e2, e3分别为三相定子相绕组电动势， P为微分算子；RS为任一定子绕组的电阻。所述步骤a中直流无刷电机驱动负载的数学模型为， 其中，Te为直流无刷电机输出的电磁转矩，IY为负载转矩，B为阻尼系数，ω为直 流无刷电机旋转角速度，J为转动惯量。所述步骤a中直流无刷电机的温度变化模型为，θ = θ0+(θ ^-O0) (l-e-tT)；其中，θ为发热物体表面对于周围介质的温升，θ ^为发热物体的起始温升，Ooo 为发热物体升温稳定后的温度，T为发热时间常数。本专利技术的优点所述三维直流无刷电机交互操作时，可视化性好；通过对所述交 互过程采用多重窗口进行显示的方案，能够同时对直流无刷电机内部运行状态、负载运行 状态进行有效监视，便于对直流无刷电机的运行状态进行有效分析，提高了电机设计的效 率。直流无刷电机交互时，能够通过交互操作过程中，对电机的设计及运行参数进行修正， 能够使电机的设计达到最佳性能，能够预先对设计的直流无刷电机性能进行测试。附图说明图1为本专利技术的动态仿真的流程图。图2为所述直流无刷电机的等效电路图。图3为交互操作时采用多重窗口显示的示意图。具体实施例方式下面结合具体附图和实施例对本专利技术作进一步说明。如图1所示为对直流无刷电机进行三维动态仿真的流程图。所述直流无刷电机 进行三维动态仿真包括如下步骤a、建立直流无刷电机的机理模型包括直流无刷电机的尺寸、额定转速、定子冲片 与转子冲片的类型、直流无刷电机的额定功率、额定电压与额定电流、所述直流无刷电机的 数学模型、驱动负载模型与温度变化模型；根据前期对直流无刷电机的参数设计，得到直流无刷电机的主要尺寸参数；在直 流无刷电机的设计中，只要尺寸包括电枢直径Da和电枢铁芯有效长度La，这两个参数确定 了直流无刷电机的外形轮廓、重量及材料费用，与电机的技术性能指标有密切关系。在给定 直流无刷电机的额定功率和转速下，电枢直径Da和电枢铁芯有效长度La与电磁符合的关系 如下， Da为电枢直径(cm)，La为电枢铁芯长度(cm)，nN为额定转速(r/min)，A为电负荷 (A/cm)，B5为磁负荷即电机气隙磁密(T)，α i为永磁体极弧系数，P'为电磁功率(VA)。60/当所述直流无刷电机的额定转速％确定后，由 =一知，所述直流无刷电机的P极数P也能够确定，其中f为电网的频率，中国电网的频率为50Hz。直流无刷电机的磁路结 构形式与所选择的永磁材料有关，依具体的应用要求而定。直流无刷电机的转子结构形式， 主要有凸装式、嵌入式、内埋式三种基本形式。根据直流无刷电机的结构，电机的建模应包括电机机壳、电机转子、转轴、转子冲 片的、电枢绕组风扇等组件的建模。直流无刷电机在结构上分为两类内转子直流无刷电动 机，定子在外，永磁体在内；外转子直流无刷电机，定子在内，永磁体在外。外转子无刷直流 电动机由3部分组成电动机本体、转子位置传感器、电子换向线路。外转子式方波永磁电 机的结构比普通交直流电机的更为简单，其励磁由粘结在转子表面的永磁体产生。用户进 行设计时应先选择槽型(或有槽、无槽)，再选择转子结构(内、外转子)，然后再进行详细 参数设计。假定直流无刷电机工作在两相导通星形三相六状态下，反电势波形是平顶宽度为 120°电角度的梯形波；电机在工作过程中磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗，三相绕组完 全对称，气隙磁场为方波，定子电流、转子磁场分布皆对称，电枢绕组在定子内表面均勻连 续分布。设U1, U2，U3为定子相绕组电压山，i2, i3为定子相绕组电流;e1 e2, e3为定子相绕 组电动势；L为每相绕组的自感；M为每两相绕组间的互感；δ为微分算子，δ =d/dt，则三相绕组的电压平衡方程可表示为 当J相绕组的电压为星形连接，且没有中线时，则有并且 ⑷将公式(3)和(4)式代入(2)式，可得到电压方程为 /V由公式(5)式本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维虚拟直流无刷电机动态仿真方法，其特征是，所述动态仿真方法包括如下步骤：（ａ）、建立直流无刷电机的机理模型：包括直流无刷电机的尺寸、额定转速、定子冲片与转子冲片的类型、直流无刷电机的额定功率、额定电压与额定电流、所述直流无刷电机的数学模型、驱动负载模型与温度变化模型；（ｂ）、建立直流无刷电机的三维虚拟现实场景模型：建立直流无刷电机的各个部分及负载的三维模型，并将所述三维模型转换为３ｄｓ文件输出；（ｃ）、实现虚拟现实场景：根据步骤（ａ）中直流无刷电机的机理模型建立直流无刷电机的仿真运算程序模块，所述仿真运算程序模块读取预先建立数据库的信息，对直流无刷电机的机理模型进行仿真计算，并输出直流无刷电机的仿真计算结果；所述数据库包括若干直流无刷电机机理模型的参数和直流无刷电机的运行环境参数；（ｄ）、实现虚拟仿真程序的交互：读取步骤（ｂ）中生成的３ｄｓ文件，并生成对应的三维直流无刷电机图形；所述三维直流无刷电机图形利用步骤（ｃ）仿真计算结果驱动，并对所述三维直流无刷电机进行交互操作，且利用输出设备对三维直流无刷电机的运行进行动态展现。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周治平，周亮，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]