基于有限元法的開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)優(yōu)化*

王勉華，　張　樸

(西安科技大學 電氣與控制工程學院，陜西 西安　710054)

基于有限元法的開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)優(yōu)化*

王勉華，張樸

(西安科技大學 電氣與控制工程學院，陜西 西安710054)

以四相8/6開關(guān)磁阻電機(SRM)為例，使用Ansoft有限元分析軟件構(gòu)建電機模型，并從減小電機轉(zhuǎn)矩脈動角度去修改電機結(jié)構(gòu)參數(shù)，構(gòu)建了新模型。經(jīng)過對新舊兩種電機模型的仿真分析，從轉(zhuǎn)矩脈動與電機性能兩方面比較分析新結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻電機的優(yōu)缺點，為后續(xù)的優(yōu)化研究奠定基礎(chǔ)。

開關(guān)磁阻電機； 有限元分析； 轉(zhuǎn)矩脈動

0　引　言

開關(guān)磁阻電機(Switched Reluctance Motor, SRM)以其結(jié)構(gòu)堅固、制造成本低、可靠性高、控制性能和起動性能優(yōu)良等優(yōu)點，已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。但由于SRM結(jié)構(gòu)的特殊性及開關(guān)形式供電電源，導(dǎo)致其固有的轉(zhuǎn)矩脈動特點。因此，最大限度地減小轉(zhuǎn)矩脈動是SRM研究的一個重要內(nèi)容?？刂撇呗詫D(zhuǎn)矩脈動有重要影響，電機的結(jié)構(gòu)參數(shù)同樣也對轉(zhuǎn)矩脈動具有一定的影響[1]。本文將討論驗證改變電機結(jié)構(gòu)參數(shù)對電機轉(zhuǎn)矩脈動和電機性能的影響。

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)值計算方法，可以對電機的性能進行精確地仿真分析。本文采用Ansoft Maxwell 2D軟件對SRM進行電磁場仿真，分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對電機性能的影響。

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)化極弧這幾方面來優(yōu)化電機。本文以電機的定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為優(yōu)化對象，探討新結(jié)構(gòu)對電機轉(zhuǎn)矩脈動和電機性能的影響。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)方面，新結(jié)構(gòu)將通過在轉(zhuǎn)子磁極極身上填充不同材質(zhì)的材料來改變電機的磁場分布，從而改變轉(zhuǎn)矩脈動。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)的磁場分布得以改變[2]；定子結(jié)構(gòu)方面，通過在定子磁極上添加鍥形角，使電機的定、轉(zhuǎn)子在重合前有一塊緩沖區(qū)域且接觸時更為圓滑，減小了接觸時的轉(zhuǎn)矩突變，從而減小轉(zhuǎn)矩脈動[3]。

選取一四相8/6極SRM作為研究對象，電機參數(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)建電機模型。其中圖1為標準的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

樣機的幾何尺寸如表2所示。定子磁極鍥形角不宜過大，過大會降低輸出轉(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，小孔直徑也不宜過大，過大同樣會使轉(zhuǎn)矩畸變。經(jīng)過仿真對比分析，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中心19.5mm，小孔直徑2.2mm。對上述兩種結(jié)構(gòu)進行有限元分析得到相應(yīng)的特性曲線如圖3所示。其中實線部分為電機原始結(jié)構(gòu)模型，虛線部分為電機改良模型。通過對仿真結(jié)構(gòu)的對比分析探討新結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點。

表2　樣機幾何參數(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)矩波動系數(shù)定義為

(1)

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

Tmin——系統(tǒng)穩(wěn)定運行時的最小轉(zhuǎn)矩。

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

2.2靜磁場分析

對電機進行靜磁場分析時，選擇電流源分析，采用單相繞組勵磁，繞組電流以7A為例，可得到電機的磁力線分布。圖4為電機改良結(jié)構(gòu)前后的定子磁極與轉(zhuǎn)子磁極間對齊位置(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的初始位置0°，到最大電感位置30°止。仿真可得到電機的轉(zhuǎn)矩特性曲線和電機的電感曲線，如圖5、圖6所示，實線部分為改良前的電機特性，虛線部分為改良后的電機特性。

圖5　轉(zhuǎn)矩特性

圖6　電感特性

從圖5可以看出： 通過對定、轉(zhuǎn)子磁極的改進措施，電機磁極處于未對齊位置時獲得了較高的轉(zhuǎn)矩值，有效地減小了定、轉(zhuǎn)子磁極進入重合位置時的轉(zhuǎn)矩突變值。但電機的平均轉(zhuǎn)矩有所降低。

參數(shù)化勵磁繞組通入的勵磁電流，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磁，故：

(3)

又因為磁共能變化量等于機械能變化量，所以磁鏈-電流曲線覆蓋的面積為電能轉(zhuǎn)換的機械能量。由圖7所示的磁鏈-電流曲線可以看出，電流較低時電機改良結(jié)構(gòu)的能量轉(zhuǎn)換率略高于原始結(jié)構(gòu)；但當繞組電流持續(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結(jié)構(gòu)的能量轉(zhuǎn)換率。

3　結(jié)　語

本文在Ansoft Maxwell 2D環(huán)境下建立了SRM的仿真模型,同時以降低轉(zhuǎn)矩脈動為目的修改電機定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了新的電機模型。對兩種電機同時進行有限元仿真分析，得到電機的靜態(tài)特性曲線和瞬態(tài)運行下的轉(zhuǎn)矩波形，研究了新結(jié)構(gòu)在減小轉(zhuǎn)矩脈動的同時對電機性能有何影響。

仿真結(jié)果表明新結(jié)構(gòu)可以明顯降低轉(zhuǎn)矩脈動，但電機的平均轉(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。如何在保證電機性能和降低電機轉(zhuǎn)矩脈動兩者之間進行優(yōu)化，將成為后續(xù)的研究重點。本次的仿真試驗也對SRM的進一步優(yōu)化和電機性能的研究提供了理論依據(jù)。

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

[2]吳建華.開關(guān)磁阻電機設(shè)計與應(yīng)用[M].北京： 機械工業(yè)出版社,2000.

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

陜西省教育廳專項科研項目(2013JK1002)

TM 302

A

1673-6540(2015)04-0027-03