基于有限元法的開關磁阻電機結構優化*

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磁阻電機結構優化*

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開關磁阻電機(SRM)為例，使用Ansoft有限元分析軟件構建電機模型，并從減小電機轉矩脈動角度去修改電機結構參數，構建了新模型。經過對新舊兩種電機模型的仿真分析，從轉矩脈動與電機性能兩方面比較分析新結構開關磁阻電機的優缺點，為后續的優化研究奠定基礎。

開關磁阻電機； 有限元分析； 轉矩脈動

0　引　言

開關磁阻電機(Switched Reluctance Motor, SRM)以其結構堅固、制造成本低、可靠性高、控制性能和起動性能優良等優點，已經在很多領域得到了應用。但由于SRM結構的特殊性及開關形式供電電源，導致其固有的轉矩脈動特點。因此，最大限度地減小轉矩脈動是SRM研究的一個重要內容?？刂撇呗詫D矩脈動有重要影響，電機的結構參數同樣也對轉矩脈動具有一定的影響[1]。本文將討論驗證改變電機結構參數對電機轉矩脈動和電機性能的影響。

由于SRM結構的特殊性，其參數很難精確確定。有限元法是一種離散化的數值計算方法，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，分析不同結構參數對電機性能的影響。

1　SRM有限元模型

SRM的雙凸極特殊結構決定了其優化方法。從優化電機結構參數方面考慮，可以從優化定子結構和尺寸、優化轉子結構和尺寸、優化極弧這幾方面來優化電機。本文以電機的定、轉子結構為優化對象，探討新結構對電機轉矩脈動和電機性能的影響。轉子結構方面，新結構將通過在轉子磁極極身上填充不同材質的材料來改變電機的磁場分布，從而改變轉矩脈動。本文中在轉子極身添加了小孔，由于空氣的磁導率與硅鋼片不同，所以新結構的磁場分布得以改變[2]；定子結構方面，通過在定子磁極上添加鍥形角，使電機的定、轉子在重合前有一塊緩沖區域且接觸時更為圓滑，減小了接觸時的轉矩突變，從而減小轉矩脈動[3]。

選取一四相8/6極SRM作為研究對象，電機參數如表1所示。

表1　四相8/6極SRM參數

應用Maxwell 2D模塊構建電機模型。其中圖1為標準的SRM結構，圖2為SRM改良結構。

圖1　SRM原始結構

圖2　SRM改良結構

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，過大會降低輸出轉矩。轉子極身小孔不能脫離轉子軛，否則會使徑向磁力、轉矩、電感急劇下降并且出現畸變，小孔直徑也不宜過大，過大同樣會使轉矩畸變。經過仿真對比分析，改良結構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。對上述兩種結構進行有限元分析得到相應的特性曲線如圖3所示。其中實線部分為電機原始結構模型，虛線部分為電機改良模型。通過對仿真結構的對比分析探討新結構的優缺點。

表2　樣機幾何參數

圖3　瞬態轉矩

2.1瞬態分析

有限元仿真后的瞬態轉矩如圖3所示。轉矩波動系數定義為

(1)

式中：Tmax——系統穩定運行時的最大轉矩；

Tmin——系統穩定運行時的最小轉矩。

經過計算得電機改良結構前后的轉矩波動系數分別為0.511、0.486。由計算結果可看出，電機改良結構較為明顯地減小了轉矩脈動。

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為電機改良結構前后的定子磁極與轉子磁極間對齊位置(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　轉矩特性

圖6　電感特性

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

參數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是轉子位置θ和相電流i的非線性函數。工作周期內的磁共能變化量為

(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構的能量轉換率略高于原始結構；但當繞組電流持續升高后，改良結構的能量轉換率則明顯低于原始電機結構的能量轉換率。

3　結　語

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

仿真結果表明新結構可以明顯降低轉矩脈動，但電機的平均轉矩和能量轉換率卻有所降低，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矩脈動兩者之間進行優化，將成為后續的研究重點。本次的仿真試驗也對SRM的進一步優化和電機性能的研究提供了理論依據。

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

[2]吳建華.開關磁阻電機設計與應用[M].北京： 機械工業出版社,2000.

[3]趙博.Ansoft 12在工程電磁場中的應用[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