Ansoft在外轉(zhuǎn)子開關磁阻電機仿真設計中的應用

戴 婷，李 軍

（1.浙江理工大學 機械與自動控制學院,浙江 杭州 310018；2.臺州學院 機械工程學院，浙江 臺州 318000）

Ansoft在外轉(zhuǎn)子開關磁阻電機仿真設計中的應用

戴 婷1，李 軍2＊

（1.浙江理工大學 機械與自動控制學院,浙江 杭州 310018；2.臺州學院 機械工程學院，浙江 臺州 318000）

開關磁阻電機具有雙凸極結構，工作于開關狀態(tài)，依靠磁阻轉(zhuǎn)矩工作，其電磁關系具有高度非線性。本文利用電磁場有限元分析軟件Ansoft，對開關磁阻電機進行瞬態(tài)電磁場分析。并通過仿真實例，介紹了外轉(zhuǎn)子開關磁阻電機的建模與仿真過程，分析了仿真過程中出現(xiàn)的常見問題，提出了具體的解決方法與步驟。

Ansoft軟件；外轉(zhuǎn)子開關磁阻電機；仿真分析；

1 引言

開關磁阻電機（SRM）是一種新型電機，已經(jīng)在許多領域得到了應用，但是由于其雙凸極結構，磁路、電路的非線性，使得要準確分析其性能比較復雜。為了能在樣機制造出來之前對所設計的電機進行性能估計，對開關磁阻電機進行較為準確的電磁場仿真是非常必要的。近年來，在此類電機的設計中，基于有限元方法的Ansoft軟件，應用越來越普遍。

現(xiàn)有的基于Ansoft的SRM仿真文獻大多只提供仿真結果，而多數(shù)讀者很希望了解仿真的具體步驟，以及常見問題的詳細解決方法。本文結合筆者在外轉(zhuǎn)子開關磁阻電機仿真時的經(jīng)驗，介紹了Ansoft在開關磁阻電機仿真中的詳細過程，特別列出了仿真過程中容易出現(xiàn)的問題及解決方法。

Ansoft軟件模型庫只提供內(nèi)轉(zhuǎn)子SRM，文獻資料大多也只介紹內(nèi)轉(zhuǎn)子電機的仿真設計?，F(xiàn)在外轉(zhuǎn)子SRM等電機的應用越來越普遍，對外轉(zhuǎn)子電機的仿真設計變得尤為重要。但關于外轉(zhuǎn)子開關磁阻電機方面的資料較少，許多從事該方向研究的技術人員在使用該軟件時常常被一些問題所困擾。因此本文對外轉(zhuǎn)子型的開關磁阻電機及直流無刷電機等的仿真均有一定的參考價值。

2 AutoCAD模型導入Ansoft

Step1在AutoCAD中畫出外轉(zhuǎn)子開關磁阻電機定轉(zhuǎn)子沖片圖。CAD圖紙采用的模板最好不要用國標模板，否則導入Ansoft后，將無法看到電機沖片。因為國標模板的圖層均為中文名稱，而Ansoft軟件不能識別中文。然后將AutoCAD中的圖形打散，模型建好后將其另存為AutoCAD2000/LT2000格式的圖形文件。太高的CAD版本，Ansoft可能也不識別。

Step2啟動Ansoft并建立新的項目文件。先執(zhí)行Project/Insert Maxwell 2D Design命令，再執(zhí)行Maxwell 2D/Solution Type命令，在彈出的求解器對話框中選擇Magnetic欄下的Transient求解器，Geometry Model選擇Cartesian XY，即直角坐標系。

Step3執(zhí)行modelor/import，選擇剛剛保存的CAD文件，打開。

如果，導入之后依舊看不到圖形。對此，首先，檢查CAD圖紙是不是采用的國標圖紙，如是改為非國標圖紙；其次，檢查導入的CAD圖形是不是在單一圖層下。如不在同一圖層下，將AutoCAD中的圖層改為同一個圖層，即可；最后，考慮AutoCAD中所畫的圖形是不是不閉合，將AutoCAD中的圖重新檢查一下。

3 創(chuàng)建電機幾何模型

由于導入的模型，有些線面無法選擇，導致編輯困難，需要重新整理。根據(jù)導入的模型，利用Draw Line和Draw 3 point arc、center point arc等命令描線。

確認圖形描線結束后，將工程樹欄中由CAD導入電機的底層線刪除。最終的開關磁阻電機的結構圖，如圖1所示。

圖1 開關磁阻電機的結構圖Fig.1 Structural drawings of SRM

由于Ansoft最后是對面進行操作，因此需要將建立的定子與繞組創(chuàng)建面域。首先選中定子和繞組分別執(zhí)行Modeler/Boolean/Unite命令，將所有邊連為一個整體。執(zhí)行Modeler/Surface/Cover lines命令，生成定子與繞組面域。

3.1 建立轉(zhuǎn)子面域模型

在進行靜磁場與渦流場分析時，由于不需要考慮電機轉(zhuǎn)子區(qū)域的瞬時旋轉(zhuǎn)運動，故只建立一個包含整個電機求解域的外層面域即可。而進行二維瞬態(tài)磁場分析時，需要區(qū)分出運動部分與靜止部分，因而需要多建立一個轉(zhuǎn)子面域。

將外轉(zhuǎn)子開關磁阻電機簡化為僅有外轉(zhuǎn)子面域、空氣隙面域和定子面域組成的模型。如圖2所示。

圖2 外轉(zhuǎn)子開關磁阻電機面域分布圖Fig.2 Three regions of outer Outer Rotor switched reluctance motor 1代表定子面域；2代表空氣隙面域；3代表轉(zhuǎn)子面域

Step1建立內(nèi)層面域，執(zhí)行Draw/Circle命令，繪制圓，選擇新生成的圓，執(zhí)行Modeler/Surface/ Cover lines命令建立定子內(nèi)層面域。內(nèi)層面域，與定子外圓一樣大。

Step2建立外層面域，建立兩個同樣的外層面域，其中一個作減法，生成Band面域用。

Step3建立空氣隙面域，空氣隙面域的直徑介于定子與轉(zhuǎn)子之間，剛好在空氣隙內(nèi)。

Step4用一個外層面域和空氣隙面域相減。先選中外層面域，再按住Ctrl鍵的同時選中空氣隙面域，執(zhí)行Modeler/Boolean/Subtract命令。被減數(shù)是外層面域，減數(shù)是空氣隙面域，最下方的Clone tool objects before subtracting前不打勾。由此生成Band面域，Band面域用于分離靜止部分與運動部分。

由于并不是求解整個開關磁阻電機模型，需要使用主從邊界條件，Band面域不能與靜止部分和運動部分接觸（邊接觸）。

4 基本定義及設置

4.1 材料定義及分配

由于所需要的一些材料，在默認的材料庫中并不包括，這些材料包含在sys［RMxprt］中，因此需要將此材料導入到材料設置中。執(zhí)行Tools/Configure libraries命令，在彈出的對話框的左側將RMxprt選中，將其添加到右側Configures Libraries框中，單擊OK按鈕確認。

需要指定的材料屬性：內(nèi)外層面域及Band材料屬性——空氣，繞組coil——Copper，定子和轉(zhuǎn)子——DW465_50

4.2 激勵源與邊界條件定義和加載

Step1繞組分相，根據(jù)幾何對稱原則。本例：共3相，每相有4個繞組串聯(lián)。

本例：選擇A正向線圈，執(zhí)行Maxwell 2D/Excitations/Assign/Coil命令，線圈激勵源設置對話框彈出，在Base Name中輸入PA，定義為A相的正向線圈。導體數(shù)為65，Polarity設置中選擇Positive。選擇A負相繞組，執(zhí)行同樣的命令，線圈激勵源設置對話框彈出，在Base Name中輸入NA，代表A相負向線圈。導體數(shù)為80，Polarity設置中選擇Negative。相同步驟設置出B相繞組和C相繞組。

Step3右擊項目管理器的Excitations，彈出菜單，選擇Add Winding，設置繞組對話框中的信息。

本例：將繞組名設置為PhaseA，Type項設置中選擇電流，選擇導線Stranded，并聯(lián)支路數(shù)設置為1。

Step4右擊項目管理器中Excitations下的PhaseA選項，在彈出的下拉菜單中選擇Add Coils選項，在彈出增加端口設置對話框，選擇屬于A相的4個繞組，單擊OK按鈕，將其加入到PhaseA中。相同步驟設置B相和C相繞組。

Step5加載邊界條件。二維電磁場的邊界條件是對邊界線進行操作的，首先右擊彈出菜單，選擇select edges命令。選中外部的圓弧，執(zhí)行Maxwell/Boundaries/Assign/VectorPotentiall，施加磁通平行條件。

4.3 外電路模型的建立

Step1建立好外電路，右擊項目管理中的Exitations項，選擇External Circuit/Edit External Circuit，彈出電路與有限元連接設置對話框。

Step2單擊Edit Circuit按鈕直接進入電路編輯器進行電路編輯。

Step3打開建立的外轉(zhuǎn)子開關磁阻電機驅(qū)動電路模型，執(zhí)行Maxwell Circuit/Export Netlist命令，網(wǎng)絡列表文件以sph的形式導出，保存在相應的位置。

Step4電力網(wǎng)絡列表文件生成后，在Maxwell計算模塊的外電路設置對話框中選擇Import Circuit，將生成的電路網(wǎng)絡列表文件導入到激勵中。本例控制電路總圖如圖3所示。

圖3 外轉(zhuǎn)子開關磁阻電機的控制電路總圖Fig.3 Total control circuit diagram of outer Outer Rotor switched reluctance motor

4.4 運動選項設置

二維瞬態(tài)磁場主要針對電機旋轉(zhuǎn)時的磁場變化而言。在瞬態(tài)磁場分析中，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)設置是通過運動設置選項來完成的。

Step1在已建好的模型中選中Band面域，右擊項目管理器中Model彈出菜單選項，選擇Motion setup/Assign Band。在運動設置對話框中包含運動類型，數(shù)據(jù)信息，機械信息三個選項。類型選項中Motion項選擇Rotation旋轉(zhuǎn)運動，運動圍繞坐標系為整體坐標系即Global：Z，運動方向選擇Positive，即逆時針方向。

本例：在運動數(shù)據(jù)信息中的Initial Position初始位置選項中，設置旋轉(zhuǎn)運動的初始位置角為2 deg。在機械數(shù)據(jù)信息中，將電機的旋轉(zhuǎn)速度設置為500rad/min。

4.5 求解選項參數(shù)設定

Step1力與力矩設置。在瞬態(tài)磁場分析中，通過執(zhí)行Maxwell 2D/Parameter/Assign/Force命令和Maxwell2D/Parameter/Assign/Torque命令，在彈出的力及力矩設置對話框中對力與力矩的參數(shù)進行設置。由于在瞬態(tài)磁場分析處理后可以得到力矩與時間、位置之間的函數(shù)關系，因此，瞬態(tài)求解對于力及力矩參數(shù)可不設置。

Step2網(wǎng)格剖分設置。執(zhí)行Maxwell 2D/Mesh Operation/Assign/On selection命令進行剖分設置。

Step3求解設定。執(zhí)行Maxwell 2D/Analysis Setup/Add Solution setup命令設置求解終止時間和求解時間步長，選擇Save Fields項，在Type選項中選擇線性步長Linear Step，然后單擊Add to list按鈕，將具體設置增加到時間菜單中。

5 求解及后處理

執(zhí)行Maxwell 2D/Validation check命令，彈出自檢對話框，自檢正確完成后，執(zhí)行Maxwell 2D/ Analysis all命令，有時會出現(xiàn)如下錯誤：

Maxwell2d solver, process solver2d error： Internal Solver Error：'Geometry does not comply with pure rotation motion!（ErrAngle=31.0543 degree）'.

錯誤提示我們“幾何不符合純旋轉(zhuǎn)運動”，首先本例是外轉(zhuǎn)子開關磁阻電機，瞬態(tài)電磁場分析主要針對電機旋轉(zhuǎn)時的磁場變化而言。在瞬態(tài)磁場分析中，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)設置是通過運動設置選項來完成的。本例中設置的運動圍繞坐標系為整體坐標。但是當我們打開工程樹欄，發(fā)現(xiàn)坐標系有多個。這是由于在我們建立面域時，沒有將繪圖坐標轉(zhuǎn)換為柱坐標系后再執(zhí)行Draw/Arc命令。

解決方案：打開工程管理欄Model，雙擊MotionSetup1，在Moving選項中選擇一個中心在坐標原點的即可。

6 仿真結果

本文中樣機的額定數(shù)據(jù)及結構參數(shù)如表1所示。開關磁阻電機用用6/8極結構。各相導通順序為A—C—B—A，每相導通15°，周期為45°。

表1 樣機的額定數(shù)據(jù)及結構參數(shù)Table.1 Rated data and structural parameters of the prototype

經(jīng)仿真運行，本例外轉(zhuǎn)子SRM定轉(zhuǎn)子磁場分布如圖4，由圖可知，其磁場分布基本合理，且最大磁場密度不超過1.4T，符合開關磁阻電機設計范圍。在設定轉(zhuǎn)矩為9.5N.m時，電機轉(zhuǎn)速變化如圖5，仿真顯示電機轉(zhuǎn)速最后穩(wěn)定在250rpm，達到預期的設計效果。

圖4 外轉(zhuǎn)子開關磁阻電機磁場分布圖 Fig.4 flux line distribution

圖5 轉(zhuǎn)速—時間圖Fig.4 Speed of the motor

7 結論

在AnsoftMaxwell2D環(huán)境下，通過對外轉(zhuǎn)子開關磁阻電機的本體設計的步驟進行了詳細的介紹，建立了開關磁阻電機的仿真模型及驅(qū)動電路，完成了外轉(zhuǎn)子開關磁阻電機從模型到驅(qū)動系統(tǒng)的瞬態(tài)仿真研究。

［1］吳紅星.開關磁阻電機系統(tǒng)理論與控制技術［M］.北京：中國電力出版社，2010：54.

［2］吳建華.開關磁阻電機設計與應用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2000：1-18，110-134.

［3］趙博 張洪亮.Ansoft 12在工程電磁場中的應用［M］.北京：中國水利水電出版社，2013：130-153.

［4］H.Le-Huy，P.Brunelle，Design and Implementation of a Switched Reluctance Motor Generic Model for Simulink SimPowerSystems，Electrimacs2005 Conference．

［5］楊麗偉 張奕黃.Ansoft的開關磁阻電機建模與仿真［J］.電機技術，2007，3：13-16.

［6］楊高.基于Ansoft的電動車驅(qū)動用永磁無刷同步電動機的設計［D］.重慶：重慶大學出版社，2007.

［7］Labak A,Kar NC.Outer rotor switched reluctance motor design for in-wheel drive of electric bus applications ［C］.Electrical Machines（ICEM）,2012 XXth International Conference on,2012,418-423.

Simulation and Design of Outer Rotor Switched Reluctance Motor Based on Ansoft

DAI Ting1，LI Jun2＊
（1.Faculty of Mechanical Engineering&Automation,Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou 310018,China；2.School of Mechanical Engineering,Taizhou University,Taizhou 31800,China）

Switched reluctance motor is a doubly salient motor,working on the switch state.It relies on the work of the reluctance torque,which is highly non-linear relationship between electromagnetic.By using ansoft,a software for Finite-Element Analysis of the electromagnetic Field,this paper conducts the transient field of switched reluctance motor.In this paper,the simulation process of Outer Rotor switched reluctance motor based on Ansoft is discussed.At the same time,the solutions to the problem in the simulations and some examples are proposed.

Ansoft software;Outer Rotor switched reluctance motor;simulation analysis

10.13853/j.cnki.issn.1672-3708.2014.03.009

2014-04-04；

2014-05-23

簡介：李 軍（1966- ），男，浙江臨海人，副教授，碩士，主要從事電機及控制等技術研究。