王勉華，　張　樸

(西安科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，陜西 西安　710054)

基于有限元法的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化*

王勉華，張樸

(西安科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，陜西 西安710054)

以四相8/6開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)(SRM)為例，使用Ansoft有限元分析軟件構(gòu)建電機(jī)模型，并從減小電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)角度去修改電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，構(gòu)建了新模型。經(jīng)過(guò)對(duì)新舊兩種電機(jī)模型的仿真分析，從轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)與電機(jī)性能兩方面比較分析新結(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，為后續(xù)的優(yōu)化研究奠定基礎(chǔ)。

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)； 有限元分析； 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)

0　引　言

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)(Switched Reluctance Motor, SRM)以其結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、制造成本低、可靠性高、控制性能和起動(dòng)性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。但由于SRM結(jié)構(gòu)的特殊性及開(kāi)關(guān)形式供電電源，導(dǎo)致其固有的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)特點(diǎn)。因此，最大限度地減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是SRM研究的一個(gè)重要內(nèi)容。控制策略對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)有重要影響，電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)同樣也對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)具有一定的影響[1]。本文將討論驗(yàn)證改變電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和電機(jī)性能的影響。

由于SRM結(jié)構(gòu)的特殊性，其參數(shù)很難精確確定。有限元法是一種離散化的數(shù)值計(jì)算方法，可以對(duì)電機(jī)的性能進(jìn)行精確地仿真分析。本文采用Ansoft Maxwell 2D軟件對(duì)SRM進(jìn)行電磁場(chǎng)仿真，分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電機(jī)性能的影響。

1　SRM有限元模型

SRM的雙凸極特殊結(jié)構(gòu)決定了其優(yōu)化方法。從優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)方面考慮，可以從優(yōu)化定子結(jié)構(gòu)和尺寸、優(yōu)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和尺寸、優(yōu)化極弧這幾方面來(lái)優(yōu)化電機(jī)。本文以電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為優(yōu)化對(duì)象，探討新結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和電機(jī)性能的影響。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)方面，新結(jié)構(gòu)將通過(guò)在轉(zhuǎn)子磁極極身上填充不同材質(zhì)的材料來(lái)改變電機(jī)的磁場(chǎng)分布，從而改變轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。本文中在轉(zhuǎn)子極身添加了小孔，由于空氣的磁導(dǎo)率與硅鋼片不同，所以新結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)分布得以改變[2]；定子結(jié)構(gòu)方面，通過(guò)在定子磁極上添加鍥形角，使電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子在重合前有一塊緩沖區(qū)域且接觸時(shí)更為圓滑，減小了接觸時(shí)的轉(zhuǎn)矩突變，從而減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[3]。

選取一四相8/6極SRM作為研究對(duì)象，電機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1　四相8/6極SRM參數(shù)

應(yīng)用Maxwell 2D模塊構(gòu)建電機(jī)模型。其中圖1為標(biāo)準(zhǔn)的SRM結(jié)構(gòu)，圖2為SRM改良結(jié)構(gòu)。

圖1　SRM原始結(jié)構(gòu)

圖2　SRM改良結(jié)構(gòu)

2　SRM有限元分析

樣機(jī)的幾何尺寸如表2所示。定子磁極鍥形角不宜過(guò)大，過(guò)大會(huì)降低輸出轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子極身小孔不能脫離轉(zhuǎn)子軛，否則會(huì)使徑向磁力、轉(zhuǎn)矩、電感急劇下降并且出現(xiàn)畸變，小孔直徑也不宜過(guò)大，過(guò)大同樣會(huì)使轉(zhuǎn)矩畸變。經(jīng)過(guò)仿真對(duì)比分析，改良結(jié)構(gòu)的定子磁極鍥形角選取60°，與定子極弧相接部分為同弧度的圓弧形；轉(zhuǎn)子極身的小孔圓心距電機(jī)中心19.5mm，小孔直徑2.2mm。對(duì)上述兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析得到相應(yīng)的特性曲線如圖3所示。其中實(shí)線部分為電機(jī)原始結(jié)構(gòu)模型，虛線部分為電機(jī)改良模型。通過(guò)對(duì)仿真結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析探討新結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。

表2　樣機(jī)幾何參數(shù)

圖3　瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩

2.1瞬態(tài)分析

有限元仿真后的瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩如圖3所示。轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)定義為

(1)

式中：Tmax——系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩；

Tmin——系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的最小轉(zhuǎn)矩。

經(jīng)過(guò)計(jì)算得電機(jī)改良結(jié)構(gòu)前后的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)分別為0.511、0.486。由計(jì)算結(jié)果可看出，電機(jī)改良結(jié)構(gòu)較為明顯地減小了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

2.2靜磁場(chǎng)分析

對(duì)電機(jī)進(jìn)行靜磁場(chǎng)分析時(shí)，選擇電流源分析，采用單相繞組勵(lì)磁，繞組電流以7A為例，可得到電機(jī)的磁力線分布。圖4為電機(jī)改良結(jié)構(gòu)前后的定子磁極與轉(zhuǎn)子磁極間對(duì)齊位置(最小電感處)的磁力線分布圖。

圖4　SRM最小電感位置磁力線分布

由圖4可知，改良后的定子磁極和轉(zhuǎn)子極身的磁力線分布與改良前的磁力線分布有了明顯的變化。

定義最小電感位置為電機(jī)的初始位置0°，到最大電感位置30°止。仿真可得到電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性曲線和電機(jī)的電感曲線，如圖5、圖6所示，實(shí)線部分為改良前的電機(jī)特性，虛線部分為改良后的電機(jī)特性。

圖5　轉(zhuǎn)矩特性

圖6　電感特性

從圖5可以看出： 通過(guò)對(duì)定、轉(zhuǎn)子磁極的改進(jìn)措施，電機(jī)磁極處于未對(duì)齊位置時(shí)獲得了較高的轉(zhuǎn)矩值，有效地減小了定、轉(zhuǎn)子磁極進(jìn)入重合位置時(shí)的轉(zhuǎn)矩突變值。但電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩有所降低。

參數(shù)化勵(lì)磁繞組通入的勵(lì)磁電流，變化范圍為0～10A，可得到如圖7所示磁鏈特性。

圖7　電機(jī)的磁鏈-電流曲線

磁鏈-電流曲線反映出相繞組磁鏈ψ是轉(zhuǎn)子位置θ和相電流i的非線性函數(shù)。工作周期內(nèi)的磁共能變化量為

(2)

而本文中為單相繞組勵(lì)磁，故：

(3)

又因?yàn)榇殴材茏兓康扔跈C(jī)械能變化量，所以磁鏈-電流曲線覆蓋的面積為電能轉(zhuǎn)換的機(jī)械能量。由圖7所示的磁鏈-電流曲線可以看出，電流較低時(shí)電機(jī)改良結(jié)構(gòu)的能量轉(zhuǎn)換率略高于原始結(jié)構(gòu)；但當(dāng)繞組電流持續(xù)升高后，改良結(jié)構(gòu)的能量轉(zhuǎn)換率則明顯低于原始電機(jī)結(jié)構(gòu)的能量轉(zhuǎn)換率。

3　結(jié)　語(yǔ)

本文在Ansoft Maxwell 2D環(huán)境下建立了SRM的仿真模型,同時(shí)以降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為目的修改電機(jī)定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了新的電機(jī)模型。對(duì)兩種電機(jī)同時(shí)進(jìn)行有限元仿真分析，得到電機(jī)的靜態(tài)特性曲線和瞬態(tài)運(yùn)行下的轉(zhuǎn)矩波形，研究了新結(jié)構(gòu)在減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的同時(shí)對(duì)電機(jī)性能有何影響。

仿真結(jié)果表明新結(jié)構(gòu)可以明顯降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩和能量轉(zhuǎn)換率卻有所降低，所以需要綜合考慮這兩方面的影響。如何在保證電機(jī)性能和降低電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)兩者之間進(jìn)行優(yōu)化，將成為后續(xù)的研究重點(diǎn)。本次的仿真試驗(yàn)也對(duì)SRM的進(jìn)一步優(yōu)化和電機(jī)性能的研究提供了理論依據(jù)。

[1]吳紅星．開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)理論與控制技術(shù)[M].北京： 中國(guó)電力出版社,2010.

[2]吳建華.開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[3]趙博.Ansoft 12在工程電磁場(chǎng)中的應(yīng)用[M].北京： 中國(guó)水利水電出版社,2009.

Optimization Design of Switched Reluctance Motor Based on Ansoft

WANGMianhua,ZHANGPu

(School of Control Engineering and Automation, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China)

A four-phase 8/6 switched reluctance motor was analyzed as the prototype machine. Changing the structural parameters of motor to reducing torque ripple, the motor was established by the finite-element analysis software from Ansoft corporation. After the simulation, A comparison of the two motors’ torque ripple and performance could help us to find the advantages and disadvantages of the new structure. This could be the foundation for the following research.

switched reluctance motor; finite-element analysis; torque ripple

2014-10-20

陜西省教育廳專項(xiàng)科研項(xiàng)目(2013JK1002)

TM 302

A

1673-6540(2015)04-0027-03