基于 Motorsolve 的开关磁阻电机优化设计及有限元分析

2013-7-4 14:09| 发布者: chenl| 查看: 1900| 评论: 0

摘要: 本文提出了一种结构简单坚固 ,调速范围宽的开关磁阻电动机（SRM）。首先，论文给出开关磁阻电机的构优势及应用领域，并介绍了开关磁阻电动机的运行机理。

作者：刘潇        单位：中国矿业大学信息与电气工程院

摘要：
    本文提出了一种结构简单坚固 ,调速范围宽的开关磁阻电动机（SRM）。首先，论文给出开关磁阻电机的构优势及应用领域，并介绍了开关磁阻电动机的运行机理。其次，在Motorsolve中利用半解析方法计算不同电机结构尺寸下的电磁转矩，得到不同结构尺寸参数对电机转矩的影像趋势，确定点击的最优化尺寸。接着对优化后的开关磁阻电机进行完全有限元（FEM）静态仿真分析，得到电机的静态转矩、磁链、磁共能及电感变化曲线，最后，在Motorsolve中利用完全有限元方法（FEM）对开关磁阻电动机进行运动瞬态分析，得到电机运动稳定后的瞬态转矩波形、每相电流波形及磁链波形等，仿真实验结果表明，Motorsolve在开关磁阻电机的设计方面具有较高的精度和较好的参数化性能，设计出的开关磁阻电机其内部磁场性能与理论分析吻合，有限元分析结果也为开关磁阻电机的设计、非线性仿真和控制提供了理论参考。
1．引言
    开关磁阻电动机（SRM）是近年来随着电机学、微电子学、电力电子和控制理论的发展而迅速发展起来的一种新型电机。SRM具有双凸极结构,转子上没有绕组,也没有永磁体,仅由硅钢片叠加而成,定子上一般绕有集中绕组，径向相对的两个绕组串连构成一相绕组。SRM的结构简单坚固,调速范围宽,调速性能优异,且在整个调速范围内都具有较高效率,系统可靠性高。目前已广泛应用于电动车驱动系统、家用电器、通用工业(风机、水泵等)、伺服与调速系统、牵引电机及高速电机等领域。开关磁阻电机的运行原理遵循“磁阻最小原理”——磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，而具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必使自己的主轴线与磁场的轴线重合。当定子中的一相通以励磁电流时，根据磁阻最小原理，从而在定、转子气隙间产生磁拉力，距离该相定子极最近的一对转子极就被吸引而向着定子极中心线的方向运动。如果连续顺序地给各相定子绕组通电，就可以产生持续的电磁转矩，使转子旋转。
要对SRM系统建立一个方便而又准确的仿真分析模型，首先需要建立较为合理的电机模型，而当前，SR电机的研究主要集中在参数和静态特性的计算、稳态性能分析、电机设计、功率变换电路设计以及系统控制策略几个方面。在对SRM的研究中,电机的重要几何参数对电机性能有很大的影响，而且电机电磁场的计算也是电机设计和性能分析的基础。目前的电机电磁场数值计算方法中,应用最广泛、最有效的方法就是有限元法(FEM)。

本文利用Motorsolve电机设计软件，建立了4相8/6极开关磁阻电机模型，并通过电机尺寸的优化设计，得到电机几何参数对电机平均转矩的影响趋势，然后利用Motorsolve中完全有限元算法，对开关磁阻电机进行有限元静态及瞬态分析，得到电机本体的仿真曲线，计算出电机的磁场分布、磁能、电感和静特性等，为SRM的设计、非线性仿真和控制提供了理论基础和可靠依据。