基于Ansoft的开关磁阻电机设计和有限元分析(1)

利用 Rmxp rt模块 ,根据软件依次进行主要性 能设计 、定子铁心设计 、定子绕组设计 、转子铁心 设计 ; 最后 可以得 到性 能参 数 。其 中额 定功 率 0. 55kW ,额定电压 300V ,额定转速 2 500 rpm ,并 且可以得到几条重要的性能曲线见图 1、图 2、 图 3、图 4、图 5。
X u Z h iw ei, X ie W eica i, L in You jie, and Chen Q iang Abstract The sw itched reluctance motor, as a electromechanical integration one, has more comp lex electrom agnetic relationship s. Firstly, electromagnetic design of the mo2 tor was carried out and the perform ance curves were given. Then the 32D static magnetic field and the transient m agnetic field were analyzed by finite2element method, and the mo2 tor’s static m agnetic field distribution and transient response curves were obtained. It p ro2 vides the basis for design, simulation and control of the sw itched reluctance motor. Key words Sw itched reluctance motor; finite elem ent; static m agnetic field; transi2 ent m agnetic field
( 1 )转子静止时 为了进行瞬态 3D 分析 ,假定绕组的线圈都 是串联而成 。利用电压源 ,组成某一相绕组的瞬 态求解电路模型 。电压源模型见图 10。
图 12 实体模型图 图 13 转子位置曲线
图 14 转矩波形
图 10 电压源模型
电压源可以是常数 ,函数或者线性波形 。本 文中设定为 120V。实体建模的过程和静态分析 完全相同 ,采用自然边界条件 ,利用瞬态求解器求 解 。波形见图 11。
图 4 磁链波形图
电流的方向如图 6 箭头的方向所示 ,本文分 析求解的时候设定的安匝数的大小为 3 570。设 定的安匝数作为电流源 ,根据下式可以计算电流 密度 。
J = I n^
(1)
S
式中 , I—总的电流 ; S —导线截面积 ; n^—单位电流
的方向 ; J —电流密度矢量 。 利用 Ansoft的软件 ,建立分析模型 ,步骤如下
场量的切向和法向边界条件 。利用静态磁场求解
器分析 ,可用得到图 7、图 8、图 9所示的结果 。
图 5 气隙电感波形图
2 静态磁场分析
在三维静磁分析中 ,源可以处理为电压降 、电 流源 、电流密度源等 。本文使用电流源 ,用于指定 流过导体的总电流 。当在物体上定义电流时 ,物 体上会出现一个指示电流方向的箭头 ,在模拟区 域内这个箭头的方向指示正电流的方向 。分析 时 ,将线圈建模成绞线 ,并且将多匝线圈用绞线代 替有很多优点 ,然而对于上千匝的线圈 ,分别对每 匝进行建模显然是行不通的 。多匝线圈用单个对 象代替使问题简化 [ 2 ] ,而且通过导体截面的电流 密度的 大 小 处 处 相 等 。静 态 磁 场 分 析 原 理 见 图 6。
3 结语
本文以一台三相 12 /10 极 AFFSPM 电机为 例 ,在介绍其结构特点的基础上 ,详细阐述了其定 子各结构参数的优化过程 ,结果表明 ,定子齿宽 、 永磁体磁化厚度与定子槽口宽分别占内径圆弧 7. 5°时 ,该电机的性能最佳 ;定子厚度需根据实际 情况而定 。另外 ,通过对转子结构参数进行优化 , 可使该电机的性能大大提升 ,且转子结构参数对 该电机性能的影响很大 。AFFSPM 电机的深入研 究奠定了基础 ,并具有重要的实际意义 。
为了不使定子轭部铁心过饱和 ,在改变定子 厚度过程中 ,保持定子轭厚与定子槽深的比例不 变 。通过计算分析可知 ,随着定子厚度的减小 ,感 应电势的幅值和齿槽转矩都将相应减小 。定子厚 度在 15mm 时的感应电势幅值相比 17mm 时减小 了 5. 4V , THD 降低了 2. 62% ,但通过采取相应措 施 ,例如增加电枢绕组匝数 ,可以增大感应电势幅 值 ,所以定子厚度需根据工程需要 ,综合考虑电机 各项性能确定 。
[ 2 ] Rauch S E, Johnson L J. Design p rincip les of flux2 sw itching alternators[ J ]. A IEE Trans, 1955. [ 3 ] E. Hoang, A. H. ben2Ahmed, J. Lucidarme, Sw itching flux permanent magnet polyphased synchronous machines [ C ]. the 7 th European Conference on Power Electronic and App lication, Trondheim , Norway, 1997, 3: 9032908. [ 4 ] E. Hoang, M. Gabsi, M. Lecrivain, et al. Influence of magnetic losses on maximum power lim its of synchronous per2 manent magnet drives in flux2weaking mode [ C ]. IEEE Ind. App l. Society Annual M eeting, Rome, Italy, 2000, 2992 303. [ 5 ] Z. Q. Zhu, Y. Pang, D. Howe, et al. Analysis of elec2 tromagnetic performance of flux2sw itching permanent magnet machines by non2linear adap tive lumped parameter magnetic circuit model[ J ]. IEEE Trans. on M agnetics, 2005. [ 6 ] Z. Q. Zhu, D. Howe. Analytical p rediction of the cog2 ging torque in radial2field permanent magnet brushless motors [ J ]. IEEE Transactions on M agnetics, 1992, 28 (2) : 13712 1375. [ 7 ] A. S. Thomas, Z. Q. Zhu, R. L. Owen, et al. M ulti2 Phase Flux2Sw itching Permanent M agnet B rushless M achine for Aerospace App lication [ C ]. Industry App lications Society Annual M eeting, 2008. IAS ’08. IEEE 529 Oct, 2008. [ 8 ] M. Chen. Design, Analysis and Control of Doubly Sali2 ent Permanent M agnet Motor D rives[D ]. ph. D thesis. Hong Kong: Hong Kong University, 2001.
作用 。 本文的开关磁阻电机为 4 相 ,每相 2 线圈组
成 。定子外径 120mm ,定子内径 75mm ,定子铁心 长度 65mm ,定子极数 8,定子轭高度 9mm ,定子极 弧系数 0. 5,转子外径 70mm ,转子内径 30mm ,转 子铁心 长度 65mm , 转子 极数 6, 转 子极 弧系 数 0. 5,转子轭高度 9mm。
1 电磁设计
开关磁阻电机的定子和转子都是凸极结构 , 通常定子的极对数大于转子的极对数 。定子磁极 上有多相集中绕组 ,转子上无绕组 ,当定子上某些 绕组通电时 ,由于磁阻的差异 ,转子将受到力矩的
14
图 1 对应不同转子位置 ,磁链与电流的关系曲线簇
图 2 转速与电流关系曲线 图 3 转速与输出功率关系曲线
的电机参数变化情况 。
4 结语
本文利用 Ansoft/Rmxp rt5对给定的开关磁阻 电机进行了电磁设计 ,得到了几条重要的性能曲 线 。根据电磁场理论 ,利用有限元的方法 ,从三维 分析的角度对 SRM 电机的静态和瞬态电磁场进 行了初步的探讨 。为开关磁阻这种机电一体化电 机的设计开发提供了一种行之有效的方法 。为开 关磁阻电机非线性建模 、仿真 、控制 、控制提供依 据。
0 引言
电磁场的有限元方法就是将整个区域分割成 许多很小的子区域 ,这些子区域通常称为有限元 , 将求解边界问题的原理应用于这些子区域中 ,求 解每个小区域 ,通过选取恰当的尝试函数 ,使得每 一个单元的计算变得非常简单 ,经过对每个单元 进行重复而简单的计算 ,再将其结果总和起来 。 开关磁阻电机作为双凸极结构和机电一体化的电 机 ,其运行与磁场密切相关 ,因此分析其电磁场非 常必要 。本文首先利用 Ansoft/Rmpxrt5进行了电 磁设计 ,再利用有限元 Ansoft/M axwell软件 ,对开 关磁阻电机进行三维静态磁场和三维瞬态磁场的 分析 [ 1 ] 。
关键词 开关磁阻电机 ;有限元 ;静态磁场 ;瞬态磁场 ; 中图分类号 TM301. 2 TM921. 02 文献标识码 A 文章编号 100827281 (2009) 0620014204
D esign and F in ite2Elem en t Ana lysis of Sw itched Reluctance M otor Ba sed on An soft
图 15 相电流波形
图 11 瞬态分析电流波形图
由图 11可知 ,绕组电流稳定值约为 48. 01A。 ( 2 )转子旋转时 实体建模的方法同上 ,转子绕 Z轴旋转 ,转速 为 950 rpm ,初始角度为 22deg,将绕组与定子铁心 的交界定义为绝缘边界条件 [ 4 ] ,将定子铁心与区 域的交界定义为零切向 H 磁场边界 。每相绕组
(1)建立 3D 实体模型 ; ( 2)边界和激励 ; ( 3)
静态磁场分析 ; ( 4)场量计算 ; ( 5 )磁感应强度矢
量图 。
三维静磁分析的边界条件有 :自然边界条件 、
诺伊曼边界条件 、磁场边界条件 、对称边界条件和
匹配边界 。此处采用软件系统默认的边界条件自
然边界条件 ,不需要用户指定 ,是不同媒质交界面
作者简介 :许志伟 男 1978 年生 ;湖南工程学院电气与信息 工程学院讲师 ,研究方向为电机及其控制. 本刊特约通讯员. 收稿日期 : 2009205212
(上接 13页 ) 将定子槽口宽设定为 7. 5°。定子槽口宽为 7. 5° 时感应电势的谐波分析如图 7所示 。 2. 5 定子厚度优化
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布图形 ,从而分析电机设计的工作点是否合理 。 图 9为能量变化图 ,显示能量密度呈收敛下降的 趋势 ,符合实际情况 。利用场量计算工具进行电 流计算 ,根据电流密度矢量与电流的关系 ,计算出 电流等于 3 750A ,与给定值相符合 ,证明分析结 果的正确 。
上加激 励 为 电 流 142A。结 果 仿 真 图 见 图 12、 图 13、图 14、图 15、图 16。
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图 16 转子速度波形
从图 13可以看出转子位置的移动轨迹 。在 图 14中可以看到对应的转矩波形 ,在零值附近波 动较大 ,如何抑制转矩的脉动正是开关磁阻电机 重要问题 。图 15是每相电流的波形 ,可以看出每 相电流不对称 ,为设计逆变器提供参考依据。 图 16显示转子的转速 。由上述可知电机运动时
基于 Ansoft的开关磁阻电机设计和有限元分析
许志伟 ,谢卫才 ,林友杰 ,陈 强
湖南工程学院电气信息学院 ,湖南湘潭 (411101)
摘 要 开关磁阻电机作为一种机电一体化电机 ,其电磁关系较为复杂 。首先对开关磁阻电 机进行电磁设计 ,得到了性能曲线 ;然后利用有限元的方法进行了三维静态磁场和瞬态磁场的分 析 ,得到了开关磁阻电机的静态磁场分布和瞬态响应曲线 。为开关磁阻电机的设计 、仿真 、控制提 供了依据 。
3 瞬态磁场分析原理
A n soft瞬态场的计算是模拟电机的瞬态运动 过程 ,可准确计算电机动态运行过程 ,计算电压波 形 、电流波形 、损耗及纹波 。瞬态场建模过程与静 态场建模与计算过程几乎一模一样 [ 3 ] 。所不同的 是 ,瞬态场采用时步有限元计算方法 ,采用滑动边 界法处理运动气隙 ,较静态场计算占用系统资源 大 ,计算较为耗时 。下面分转子静止和转子旋转 两种情况仿真 。
参考文献 [ 1 ] Jacek F. Gieras, Rong2J ie W ang, M aarten J. Kamper. Axial flux permanent magnet brushless machines[M ]. Kluw2 er Academ ic Publishers, 2004.
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
参考文献 [ 1 ] 刘国强. Ansoft工程电磁场有限元分析 [M ]. 北京 : 电子工业出版社 , 2005. [ 2 ] 杨高. 基于 Ansoft的电动车驱动用永磁无刷同步电 动机的设计 [D ]. 重庆 :重庆大学出版社 , 2007. [ 3 ] 杨泽斌 ,孙玉坤 ,张新华. 基于 Ansoft的磁悬浮开关 磁阻电动机电磁力仿真计算初探 [ J ]. 微特电机. 2008. [ 4 ] Ansoft M axwell 3D Field Simulator v11 U ser′s Guide [OL ]. Okorea: http: / / ansoft. co. kr.
图 6 电流矢量示意图
图 7 SRM 实体剖面模型图
图 8 磁感应强度幅度图
图 9 总能量图
由图 7可以看到 SRM 的定 、转子剖面图 ,从 图 8 可知 ,所加激励为 3 750 安匝的时候 ,电机 定 、转子的最大的磁密为 1. 22T,整个磁路处在线 性状态 ,磁密最大的位置处在极靴两端 。改变激 励电流的大小 ,就可以得到各种激励下的磁路分