基于Maxwell的四相開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的設(shè)計(jì)

瞿廣宇，劉 偉，楊 湄

(1.成都理工大學(xué)，成都 610059；2.西華大學(xué)，成都 610039)

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基于Maxwell的四相開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的設(shè)計(jì)

瞿廣宇1，劉 偉1，楊 湄2

(1.成都理工大學(xué)，成都 610059；2.西華大學(xué)，成都 610039)

由于當(dāng)今開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)所具備的眾多優(yōu)勢(shì)，對(duì)于開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的研究以及模擬方真勢(shì)在必行。但介于開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的高成本性，利用Ansoft 14軟件對(duì)其進(jìn)行模擬仿真及相關(guān)優(yōu)化分析非常有必要。針對(duì)中高速的8/6級(jí)四相開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)行仿真，分析其工作特性、相關(guān)參數(shù)規(guī)律以及相比于三相開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的優(yōu)勢(shì)。在得到相關(guān)數(shù)據(jù)后給出具體的優(yōu)化建議以及電機(jī)今后需要改進(jìn)的方向，為今后對(duì)四相開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)提供有效且準(zhǔn)確的參考。

四相；開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)；模擬優(yōu)化；Ansoft 14

0 引 言

現(xiàn)階段，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)(Switched Reluctance Motor，SRM)是自無(wú)刷電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)后新興的電機(jī)無(wú)級(jí)變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。系統(tǒng)由開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)本身、控制器、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器、功率變換器4大部分構(gòu)成。自上世紀(jì)90年代以來(lái)，最常見(jiàn)的是12/8級(jí)(三相)和8/6級(jí)(四相)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)。由于其具備堅(jiān)固可靠[1-3]，調(diào)速范圍寬，構(gòu)造簡(jiǎn)易等優(yōu)勢(shì)，在航空航天、電動(dòng)車、家用家電等方面都有實(shí)際應(yīng)用，包含了幾瓦至兆瓦級(jí)的功率需求，加之政府對(duì)于能源政策的改革，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)具備良好的市場(chǎng)發(fā)展前景[4-8]。

1 四相電機(jī)的建模過(guò)程

由于開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)固有的耦合性，如需要完整地模擬出整個(gè)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程，需要結(jié)合電機(jī)本身與外部控制電路[9]。Ansoft Maxwell 14既能夠繪制電機(jī)模型，同時(shí)也能編寫外部控制電路，為分析整個(gè)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)瞬態(tài)性能提供了真實(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)參考[10-12]。

1.1 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)有限元建模

由于針對(duì)12/8級(jí)(三相)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的探究較多，因此本文選取8/6級(jí)(四相)電機(jī)為模型，分析討論其性能。

整個(gè)電機(jī)建模步驟可分為：

(1)在RMxprt模塊下進(jìn)行電機(jī)建模；

(2)確定電機(jī)尺寸等相關(guān)具體數(shù)據(jù)；

(3)定義電機(jī)材料屬性；

(4)考慮相關(guān)損耗及邊界條件；

(5)利用RMxprt模塊的特性，得到在Maxwell 2D模塊的二維電機(jī)模型。

2D建模如圖1所示，具體參數(shù)如表1所示。

圖1 RMxprt 四相開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)構(gòu)造及說(shuō)明

參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值額定電壓u/V220軛高h(yuǎn)/mm9額定功率p/kW0.53電機(jī)長(zhǎng)度l/mm64曡壓系數(shù)0.93額定轉(zhuǎn)速n/(r·min-1)2500電機(jī)材料低碳冷軋硅鋼線圈匝數(shù)142

根據(jù)電機(jī)手冊(cè)可知，控制電路關(guān)斷角的初始值：

(1)

式中：θ初始為0；Nr為極對(duì)數(shù)。

轉(zhuǎn)子外徑：

(2)

式中：Ki與Km均為常數(shù);n為電機(jī)轉(zhuǎn)速。

每相的初始線圈匝數(shù)為

(3)

式中：n為電機(jī)轉(zhuǎn)速：θc為導(dǎo)通角。

由于RMxprt模塊的可延展性，可以利用RMxprt模塊進(jìn)行開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)2D建模，如圖2所示，由于四相開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的對(duì)稱性，可只分析其一半的電機(jī)性能狀態(tài)，以節(jié)約時(shí)間和仿真資源，提高仿真效率。

圖2 四相電機(jī)在2D模式下的仿真模型

在瞬態(tài)下，四相開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的網(wǎng)格圖可由下圖所示。圖3為電機(jī)運(yùn)行至0.002 s時(shí)電機(jī)的網(wǎng)格剖分圖。

圖3 電機(jī)在暫態(tài)t=0.002 s時(shí)的網(wǎng)格剖分圖

1.2 功率變換器建模

與12/8級(jí)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)不同，四相開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的控制電路更加復(fù)雜，一般采取四相電流的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)斬波控制。如圖4所示，POW1與POW2是直流供電源，設(shè)計(jì)兩個(gè)是為了確保供流穩(wěn)定，無(wú)波動(dòng)。兩個(gè)電壓源均同向110 V。二極管VD1，VD4，VD5，VD8，VD9，VD12，VD13，VD16確保能向繞組供電，剩余二極管則確保繞組感應(yīng)電流能夠回流到直流供電源POW1與POW2。SW1～SW8是8個(gè)導(dǎo)通開(kāi)關(guān)，以保證供流和回流兩個(gè)階段。電路右端，A1～A4是4個(gè)安培表，監(jiān)控電流是否流向正確。L.P.A～L.P.D是四相線圈繞組，R1～R4則表示線圈繞組的電阻。由于電源為直流電源，因此整個(gè)控制方式為DC模式。

圖4 功率變換器CAD模型

1.3 驅(qū)動(dòng)電路建模

下圖則為驅(qū)動(dòng)電路圖，如圖5所示，V1～V4受脈沖的控制，在不同的時(shí)間段進(jìn)行工作。從而控制開(kāi)關(guān)SW1～SW8的導(dǎo)通順序，使整個(gè)功率轉(zhuǎn)換器按照上述順序有效進(jìn)行。

圖5 驅(qū)動(dòng)電路CAD模型

2 電機(jī)運(yùn)行原理

四相電機(jī)運(yùn)行流程如圖6所示，整個(gè)開(kāi)關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電壓由驅(qū)動(dòng)電路控制，由于直流電源受到斬波控制(CCC)，會(huì)分成四相電流，順序?yàn)锳→B→C→D→A的循環(huán)模式，由于Ansoft Maxwell可以編寫外部程序，因此可對(duì)斬波控制過(guò)程實(shí)現(xiàn)操控，因此各相電流通過(guò)功率轉(zhuǎn)換器流入到開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)中。同時(shí)，由轉(zhuǎn)子位置探測(cè)器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并反饋到控制電路，以調(diào)整驅(qū)動(dòng)電路的控制電流。

在此二維模型中，驅(qū)動(dòng)電路能夠控制各相控制電流的脈沖寬度。本文設(shè)定的脈沖寬度為20°電角度，且電角度與機(jī)械角度的關(guān)系：

θ電=θ機(jī)械×極對(duì)數(shù)

(4)

因此，導(dǎo)通角也為80°(開(kāi)通角：0°，關(guān)斷角：80°)。整個(gè)周期為320°電角度。由于是電流斬波控制，所以可通過(guò)改變相電流來(lái)改變電機(jī)性能。

圖6 四相電機(jī)運(yùn)行流程圖

3 模擬參數(shù)結(jié)果及相關(guān)討論

3.1 轉(zhuǎn)速與電機(jī)性能的關(guān)系

圖7分析轉(zhuǎn)速分別與輸入直流電流，輸出轉(zhuǎn)矩，效率以及輸出功率的關(guān)系。從圖7(a)可以看出，電機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中，所需直流電流很大，原因在于電機(jī)剛啟動(dòng)，定子磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的速度較大，因而旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)較大，所需電流較大，因此可見(jiàn)大功率開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)不適合頻繁啟動(dòng)，同時(shí)還需要配備相適合的啟動(dòng)設(shè)備，或者采取降壓?jiǎn)?dòng)的方式。從圖7(b)可以看出，在額定電壓確定在530 W的情況下，電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩非常大，因而電機(jī)扭矩較大，可以增強(qiáng)電機(jī)在一定范圍內(nèi)的負(fù)載(過(guò)載)能力。圖7(c)表明，效率會(huì)隨電流的增大而先增大后減小，電機(jī)效率能夠在電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到2 000～ 3 000 r/min范圍內(nèi)表現(xiàn)出最優(yōu)值，效率穩(wěn)定在75%左右，針對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，效率在60%～70%即屬高效，因此，如能將電機(jī)額定轉(zhuǎn)速優(yōu)化于2 500 r/min即能保證理想效率。圖7(d)表現(xiàn)電機(jī)的輸出功率與轉(zhuǎn)速之前關(guān)系，由圖知，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 350 r/min時(shí)，電機(jī)輸出功率逼近1 500 W，但由于額定電壓，額定轉(zhuǎn)速及額定功率等限制因素，輸出功率不能達(dá)到該值。但能看出，電機(jī)輸出功率會(huì)隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的增大而迅速增大，后以類拋物線的形式逐漸降低至0。

(a)輸入直流電流與轉(zhuǎn)速的關(guān)系(b)輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

(c)效率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系(d)輸出功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

圖7 轉(zhuǎn)速與電機(jī)性能的關(guān)系

3.2 電角度與電機(jī)性能的關(guān)系

由圖8(a)可看出，電角度越大，電機(jī)在初期的磁鏈特性就越強(qiáng)，而圖8(b)和圖8(c)則模擬出針對(duì)A相驅(qū)動(dòng)的電流和電壓。由于其他三相特性與A相類似，且僅相差80°，160°和240°，故不作過(guò)多說(shuō)明。

(a)電機(jī)的磁鏈特性(b)A相電壓與電角度的關(guān)系

(c) A相電感電流與電角度的關(guān)系

3.3 電機(jī)繞組與電機(jī)性能的關(guān)系

圖9展現(xiàn)了開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)導(dǎo)通角在80°與76°時(shí)，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，由圖可看出，當(dāng)導(dǎo)通角在80°時(shí)，電機(jī)波動(dòng)較小，有助于增長(zhǎng)電機(jī)使用壽命和減少損耗。因此能得知當(dāng)電角度在此角度左右時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大。

由于圖9電機(jī)轉(zhuǎn)矩的波形圖是基于一相繞組的通電啟動(dòng)方式，因此可通過(guò)改變通電啟動(dòng)方式來(lái)優(yōu)化轉(zhuǎn)矩波形。由圖10(a)和圖10(b)可知，基于兩相繞組的通電啟動(dòng)方式所產(chǎn)生的電機(jī)轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)明顯小于一相繞組的啟動(dòng)方式，因此，二相啟動(dòng)優(yōu)于一相啟動(dòng)。

(a)電角度為76°(b)電角度為80°

圖9 電機(jī)繞組與電機(jī)性能的關(guān)系一

圖10 電機(jī)繞組與電機(jī)性能的關(guān)系二

3.4 電機(jī)的磁場(chǎng)分布關(guān)系

圖11表現(xiàn)了開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)在暫態(tài)狀態(tài)下的磁場(chǎng)分布，由圖可看出，電機(jī)磁場(chǎng)分布密度較高的地方集中在定子槽的附近。

圖11 電機(jī)的磁場(chǎng)分布關(guān)系

4 實(shí)物驗(yàn)證

為驗(yàn)證AnsoftMaxwell對(duì)該四相開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)模擬仿真的正確性，現(xiàn)利用NMCL-II型控制平臺(tái)對(duì)四相開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)行實(shí)物檢驗(yàn)，如圖所示，將開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)與控功機(jī)相連，利用控功機(jī)保證電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與模擬轉(zhuǎn)速一致，并連接至控制臺(tái)。測(cè)量出相關(guān)運(yùn)行參數(shù)，具體結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖12 實(shí)物驗(yàn)證

測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 仿真、輸出參數(shù)對(duì)照

從以上實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)可以歸納：

(1)通過(guò)控制臺(tái)能夠穩(wěn)定輸出控制電流，控制四相電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，各項(xiàng)指數(shù)誤差均在允許范圍5%以內(nèi)，故驗(yàn)證此次模擬仿真實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

(2)偏差因素主要來(lái)源于實(shí)際摩擦損耗，由于在模擬仿真中忽略了風(fēng)阻，熱損等次要因素，導(dǎo)致最后實(shí)際效率低于理論值。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文主要利用Maxwell的RMxprt和Maxwell 2D模塊來(lái)模擬四相開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，并基于其工作特性給予了優(yōu)化方案和建議。主要體現(xiàn)在：

(1)四相開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，能承受大負(fù)載，適用于大功率電動(dòng)機(jī)車。能減少電機(jī)磨損，延長(zhǎng)電機(jī)壽命。

(2)四相開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的輸出功率，輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系呈非線性關(guān)系，在優(yōu)化電機(jī)性能時(shí)，最佳轉(zhuǎn)速應(yīng)略低于額定轉(zhuǎn)速。

(3)相電壓與相電流隨電角度的變化而變化，且不同的電角度能夠影響電機(jī)的輸轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)范圍。

(4)不同的電機(jī)啟動(dòng)通電方式能夠影響電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩波形，應(yīng)當(dāng)采取二相繞組的通電啟動(dòng)方式以減小電機(jī)轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)性。

(5)四相開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的磁場(chǎng)主要集中在定子槽附近，應(yīng)當(dāng)選取定子槽附近的磁場(chǎng)密度作為參照標(biāo)準(zhǔn)。

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Design of Four-Phase Switched Reluctance Motor Based on Maxwell

QUGuang-yu1,LIUWei1,YANGMei2

(1.Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China; 2.Xihua University,Chengdu 610039,China)

Since the advantages of switched reluctance motor at present, the research and simulation of switched reluctance motor is imperative in such a situation.However, the cost of such kind of research is quite high, thus it's really important to make use of the Ansoft 14 to analyze and optimize the switched reluctance motor.In this paper, the mid & high speed 8/6 four-phase switched reluctance motor was simulated, and its working characteristics, the variation of correlated parameters and the advantages compared with the three-phase switched reluctance motor were analyzed.After getting the relevant data, the specific optimization suggestions and the improving direction of the motor in the future were given, to provide effective and accurate reference for four-phase switched reluctance motor.

four phase; switched reluctance motor; analysis and simulation; Ansoft 14

2016-03-12

TM352

A

1004-7018(2016)09-0058-03