基于AnsoftMaxwell2D的开关磁阻电机仿真研究

基于AnsoftMaxwell2D的开关磁阻电机仿真研究

周会军　丁文　鱼振民

(西安交通大学电气工程学院,西安,710049)

摘　要:基于AnsoftMaxwell2D的仿真环境,建立了开关磁阻电动机(SRM)的系统仿真模型。在建立仿真模型基础上,对电动机的基本特性进行了仿真研究,获得了电机不同位置时的磁场分布、静态电磁参数和动态性能仿真结果。仿真结果可以用于指导该型电机及其控制系统的设计和优化。关键词:开关磁电动机;Ansoft软件;Maxwell;2维磁场

中图分类号:TM352　　　文献标识码:A　　　文章编号:1001-6848(2005)06-0010-03SimulationandAnalysisofSwitchedReluctanceMotorZHOUHui-jun,DINGWen,YUZhen-min

(ShoolofElectricalEngineering,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an,China)

Abstract:ThispaperintroducesthemodelingofswitchedreluctancemotorusingMaxwell2DofAnsoftcorporation.ThebasicperformancesofSRMareanalyzedbasedonthemodel,whichincludethedistributionofmagneticfieldatthevariousrotorposition,staticelectromagneticcharacteristicsanddynamicsimulationresults.Theresultsosimulationcanbeavailabletodesignandoptimizethisnewtypemachineandcontrolsystem.Keywords:SRM;Ansoft;Simulation;Maxwell2D

0　引　言

开关磁阻电机驱动系统由电机本体(Switched

功率变换器、位置传ReluctanceMotor,简称SRM)、

感器和控制器4部分组成[1]。开关磁阻电机驱动系统是20世纪80年代发展起来的一种新型调速驱动系统。它结构简单、坚固耐用、调速范围宽,在整个调速范围内都具有较高的效率,系统可靠性高,已开始应用于电动车驱动、家用电器、通用工业、航空工业和伺服系统各个领域,覆盖功率范围10W～5MW的各种高低速驱动系统,市场潜力很大。

建模过程如下[3]。

(1)选择求解平面;

(2)确定电机结构尺寸、画出模型;(3)确定电机材料属性;

(4)确定有限元计算的边界条件和外加源参数;(5)确定计算过程中是否考虑各种损耗;(6)确定动态参量,包括:运动边界,外加载荷,

时间步长等。1.2　功率变换器模型

功率变换器模型如图1所示。其中S1～S6为电压控制开关,W1～W6为电流控制开关,控制变量分别为相电流IA、IB、IC,目的是为了实现电流斩波控制(ChoppedCurrentControl,简称为CCC),避免过大的电流和磁链峰值,得到恒转矩机械特性。1.3　驱动电路模型

SRM系统的运行必须依赖于转子的位置信号,

1　系统仿真模型的建立

1.1　SRM仿真模型

由于开关磁阻电机、功率变换器、控制器三者之间的强耦合特征,只有使得SRM在外电路的控制下才能真实地仿真其性能,获得更真实的瞬态性能,并为电机驱动系统的设计和优化提供依据。

利用Maxwell2D建立SRM二维有限元模型,

收稿日期:2004-11-22修回日期:2005-10-08

从而为三相电流提供正确的换相信息。由于Anosft带有位置变量P,可以利用变量P得到转子运行的位置,为功率变换器提供正确的换相信息。利用Maxwell2D提供的电路元件建立简单的驱动电路

模型[4],如图2所示。电压控制开关S1～S6的通断

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基于AnsoftMaxwell2D的开关磁阻电机仿真研究　周会军　丁文　鱼振民

受到驱动电压源VA、VB、VC控制,驱动电压源为位置变量P的函数,产生脉冲电压信号,见图3。

表1　样机的额定数据及结构参数

额定功率　　0.55kW额定电压　　270V(DC)额定转速　　1500r󰃗min电机类型　　三相6󰃗4极定子外径　　120mm转子外径　　59.5mm转子内径　　25mm

定子轭高　　11mm转子轭高　　10mm定子极弧　　30°转子极弧　　32.4°铁心长度　　65mm气　隙　　0.25mm

图1　功率变换器模型

a)　对齐位置

图2　驱动电路模型

图3　驱动电压源波形

b)　不对齐位置

2　系统仿真结果

本文中样机的额定数据及结构参数如表1所示。开关磁阻电机采用6󰃗4极结构,功率变换器采用不对称半桥电路,开关磁阻电机工作于电动状态。定

(机子极中心线与转子极中心线重合位置定义为0°械角度,下同),称为对齐位置;定子极中心线与转子槽中心线重合位置定义为45°,称为不对齐位置。各相导通顺序为C→B→A→C,每相导通相差30°,周期为90°。

对样机进行了仿真分析,得到了对齐位置和不对齐位置处的电机磁场分布,静态电磁参数仿真结果和动态性能仿真结果。

(1)磁场分布

图4为绕组电流4A时样机在对齐位置和不对齐位置下的磁场分布图。

图4　绕组电流4A时磁场分布图

　　(2)静态电磁特性

在Maxwell2D模块下,SRM静态电磁特性很容易分析出来,如图5所示。其中a)为磁链特性,b)为静态转矩特性。

(3)动态性能仿真结果

电流斩波控制(CCC):开通角Η,关断角on为0°,转速为1000r󰃗off为30°Ηmin,电流斩波控制,参考电

流Iref=3A,滞环电流幅值为0.2A。图6为电流斩波控制下电机性能波形,其中a)为相电流波形,b)为合成转矩波形,c)磁链波形,d)反电势波形。

角度位置控制(APC):开通角Η,关断角on为0°,转速为1500rpm,角度位置控制。图7为角Ηoff为30°

度位置控制下电机性能波形,其中a)为相电流波形,b)为合成转矩波形,c)磁链波形,d)反电势波形。

3　结　论

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微电机　2005年　第38卷　第6期(总第147期)

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微电机　2005年　第38卷　第6期(总第147期)

参考文献

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[2]　AlfredoR.Munoz.On-LineDead-Time

CompensationTechniqueforOpen-LoopPWM-VSIDrives[J].IEEETrans.onPowerElectronics,1999,14(4)683-689

[3]　薛向党,李国民等.PWM逆变器的控制能数对死区效图7　效率曲线

次谐波。低次谐波电流会在定转子中产生损耗,当定

子电流基波频率较高时,这部分损耗不能忽略。所以在频率较高的系统中,如高速永磁同步电机系统中,有必要采用死区补偿措施。(上接第41页)

应的影响[J].电气传动,1997,(6):7-11

作者简介:徐永向(1977-),男,博士研究生,研究方向为机电一体化电机及控制技术。

有较强的4次谐波转矩。怎样削弱这些谐波转矩呢?可以从以下几方面着手。(1)尽可能选择合适的磁极形状与尺寸,使转子励磁磁场的波形接近正弦波,以减小谐波分量F5和F7。

(2)尽量使定子电流逼近理想的正弦波,如采用电流跟踪控制形成PWM波形。

(3)选择适当的每极每相槽数和短矩比,以减小5次绕组系数KW5,或适当减小KW1。

结构永磁无刷直流电机的纹波转矩公式,指明了纹波转矩的主要谐波是6次和4次,并给出了削弱这些脉动转矩既可从电机设计着手,如优化永磁体尺寸,减弱转子磁势分量F5、F7和减小定子5次绕组系数kw5,也可以控制方法上着手,使定子电流波形接近理想正弦波,从而为设计生产高性能的永磁无刷直流电机提供有力工具。

参考文献

[1]　曹荣昌,方波.正弦波永磁无刷直流电机及永磁同步电

当然纹波转矩中还有齿槽效应转矩和定位力矩的影响,在电机设计时如果采取一些措施,如采用磁性槽楔,斜槽或辅助凹槽都能从一定程度上减弱纹波转矩。

动机结构性能分析[J].电机技术,2003(1)

[2]　艾维超.电机学[M].北京:国防工业出版社,1988

作者简介:曹荣昌(1966-)男,硕士研究生,副教授,研究方向为永磁电机的设计及控制。

5　结　论

本文从磁共能的观点出发,推导了表面转子式(上接第12页)

　　本文在AnsoftMaxwell2D环境下建立了SRM的仿真模型,完成了对SRM系统的仿真研究。仿真结果准确反映了SRM的磁场分布,为电机结构参数优化设计提供依据。电磁参数的分析为建立SRM的非线性模型提供了电磁特性参数,为在其它环境(如Matlab)下SRM建模提供依据;电流和转矩反应了SRM的基本性能,尤其为如何选择最优的开通角和关断角提供了依据。

业出版社,2000

[2]　王宏华.新型交流电动机及其控制技术系列讲座(1)开

关磁阻电动机[J].机械制造与自动化,2004(1)

[3]　鲁军勇,梁得亮等.基于Ansoft的永磁直线无刷直流

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[4]　ScottStanton.AnalysisofaDualChannelSwitched

ReluctanceMotor󰃗Generator.AnsoftCorporation

作者简介:周会军(1979-)男,电机与电器专业硕士研究生,主要从事开关磁阻电机研究。

参考文献

[1]　吴建华.开关磁阻电机设计与应用[M].北京:机械工

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