三相開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)電磁場有限元分析
史秀梅，鄭壽森，祁新梅，熊俊峰
(中山大學(xué)，廣東珠海519082)
摘要：基于有限元分析軟件ANSYS，對(duì)三相(6／4)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的二維電磁場進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，計(jì)算出電機(jī)在不同轉(zhuǎn)子位置角和電流下的磁場分布、磁能和靜特性，為開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的設(shè)汁、建立非線性模型以及控制策略的研究提供了可靠依據(jù)。
關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)；電磁場；有限元分析；非線性；ANSYS
中圖分類號(hào)：TM352 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—7018(2009)12—0035—03
0引言
開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(以下簡稱SRM)是近年來隨著電機(jī)學(xué)、微電子學(xué)、電力電子和控制理論的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種執(zhí)行用微特電機(jī)。SRM以其結(jié)構(gòu)簡單堅(jiān)固、調(diào)速范圍寬、可靠性高、成本低廉、效率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、家用電器、通用工業(yè)(風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)等)、伺服與調(diào)速系統(tǒng)、牽引電機(jī)、高速電機(jī)(紡織機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、離心機(jī)等)。
由于SRM長期運(yùn)行在飽和或非線性狀態(tài)，且控制參數(shù)多，相電流隨轉(zhuǎn)子位置而變化，無法得到簡單統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型和解析式，對(duì)于SRM的理論研究、設(shè)計(jì)和控制尚處于發(fā)展階段。近年來，針對(duì)SRM的性能研究主要集中在線性、準(zhǔn)線性模型分析或以這些模型為基礎(chǔ)的控制仿真，如文獻(xiàn)[4—5]，與電機(jī)實(shí)際特性及運(yùn)行情況存在較大誤差。
SRM的非線性分析成為研究的熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[6]建立四個(gè)典型位置的磁化吐線，計(jì)算定子一極的徑向力；文獻(xiàn)[7]分析電流和轉(zhuǎn)子位置對(duì)磁鏈的影響，建立了磁鏈關(guān)于電流和轉(zhuǎn)子位置的連續(xù)函數(shù)；文獻(xiàn)[8]計(jì)算了電機(jī)的靜特性。
本文利用ANSYS軟件，建立三相(6／4)SRM模型，并對(duì)其進(jìn)行有限元分析，計(jì)算電機(jī)的磁場分布、磁能和靜特性，為SRM的設(shè)計(jì)、非線性仿真和控制提供了理論基礎(chǔ)和可靠依據(jù)。
1 SRM建模與分析
1．1模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)
電機(jī)模型采用三相6／4結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。
1．2基本假設(shè)及邊值問題
由于求解區(qū)域有電流源存在，計(jì)算時(shí)須采用矢量磁位，并作如下假設(shè)：
(1)忽略電機(jī)端部磁場效應(yīng)，磁場沿軸向均勻分布，矢量磁位A和電流密度，J有軸向分量Az和fz，故磁感應(yīng)強(qiáng)度只有Bx和By(以下將A簡寫為Az，J簡寫為上)；
(2)磁場僅被限制于電機(jī)的內(nèi)部，定子的外部及轉(zhuǎn)子的內(nèi)部邊界認(rèn)為是零矢量磁位線；
(3)不計(jì)交變磁場在導(dǎo)電材料中如定子繞組及機(jī)座中的渦流反應(yīng)，因此，SRM的磁場可作為非線性似穩(wěn)場來處理。
基于以上假設(shè)，進(jìn)行sRM全場域分析的二維靜磁場計(jì)算，用矢量磁位表述為如下邊值問題：
式中：μ為材料的磁導(dǎo)率；T1為定子外圓周；T2為轉(zhuǎn)子內(nèi)圓周。
1．3三相(6／4)sRM建模與求解
ANsYs中可以分別采用GuI模式或命令流模式完成完整的分析。為直觀和高效起見，本文在前處理階段采用GuI模式，處理及后處理階段采用命令流模式。
l 3．1建立物理模型
對(duì)于三相(6／4)sRM定子每一極來說，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90。機(jī)械角為一個(gè)周期，根據(jù)對(duì)稱性只計(jì)算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)45。范圍即可完成分析。將定子齒中心與轉(zhuǎn)子槽中心對(duì)齊位置定義為θ=0。位置。本文利用ANsYs根據(jù)表1建立模型，如圖1所示。
1．3.2定義材料屬性及賦予面特性
添加設(shè)置空氣區(qū)、導(dǎo)磁區(qū)、電流流人區(qū)、電流流出區(qū)四部分材料。其中導(dǎo)磁區(qū)為非線性材料，用一條B／H曲線(如圖2所示)描述其材料屬性；其余部分磁導(dǎo)率均為1。賦予面材料屬性，按材料屬性顯示面如圖3所示。
1．3．3劃分網(wǎng)格
定義單元類型，選擇PLANE53單元，采用三角形六節(jié)點(diǎn)、smansize形式。劃 分網(wǎng)格后如圖4所示。
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