基于Magnet的無刷交流勵(lì)磁機(jī)瞬態(tài)特性仿真研究

    馬曉荷，沈頌華

(北京航空航天大學(xué)，北京100083)

    摘要：對(duì)于航空交流電源中交流勵(lì)磁機(jī)的旋轉(zhuǎn)電樞式結(jié)構(gòu)，有限元電磁分析的研究較少。文章以此為研究對(duì)象，闡述應(yīng)用Magnet軟件建立二維瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)仿真模型的原理和步驟，并仿真了交流勵(lì)磁機(jī)在空載工況下的磁場(chǎng)空間分布、電磁參數(shù)、電路參數(shù)，通過實(shí)測(cè)對(duì)比，證明模型的實(shí)用性，該模型可指導(dǎo)該類型電機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和其它工況瞬態(tài)特性研究。

    關(guān)鍵詞：無刷交流勵(lì)磁機(jī)；二維瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)；有限元；Magnet

    中圖分類號(hào)：TM34  文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A  文章編號(hào)：1004—7018(20(18)08—0023一03

0引  言

    交流電機(jī)瞬態(tài)運(yùn)行時(shí)，由于定、轉(zhuǎn)子繞組之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和凸極轉(zhuǎn)子所造成的磁不對(duì)稱性，交流電機(jī)的電壓方程通常是含有時(shí)變系數(shù)的微分方程。若進(jìn)一步考慮磁飽和的影響，由于電感的非線性，電壓方程也可能成為非線性微分方程^[1-2]。在轉(zhuǎn)速恒定且不計(jì)磁飽和的前提下，通過d-q-0、α-β-0等坐標(biāo)變換技術(shù)可將電壓方程變換為常系數(shù)線性微分方程。但其應(yīng)用受到前提條件的限制，具體表現(xiàn)為：

    (1)假設(shè)的電機(jī)模型不包括實(shí)際高次諧波；

    (2)d—q軸模型生成的微分方程是常數(shù)系數(shù)，這些方程在電機(jī)轉(zhuǎn)速恒速時(shí)是線性的，但轉(zhuǎn)速變化時(shí)卻是非線性的，限制了其應(yīng)用范圍；

    (3)如果電機(jī)與整流器連接，則由于諧波電流的影響，端電壓是非正弦的，這時(shí)d—q模型的前提條件不滿足；

    (4)傳統(tǒng)模型很難仿真某一故障或開關(guān)的不平衡狀態(tài)。比如：當(dāng)整流橋某一故障產(chǎn)生時(shí)，系統(tǒng)處于深度非對(duì)稱性，這時(shí)d—q模型就不能應(yīng)用。

    1970年，Peter Silvester和M．v．K．cha ri把有限元法引入電磁場(chǎng)計(jì)算中，它使復(fù)雜結(jié)構(gòu)、復(fù)雜邊界和非線性介質(zhì)情況的邊值問題得到解答。大多數(shù)文獻(xiàn)采用有限元法對(duì)永磁電機(jī)、無刷直流電動(dòng)機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)行了相關(guān)研究^[3-7]，而目前航空交流電源領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛的旋轉(zhuǎn)電樞式無刷交流勵(lì)磁機(jī)的研究卻很少，因此本文以交流勵(lì)磁機(jī)為研究對(duì)象，利用有限元法對(duì)其瞬態(tài)特性進(jìn)行仿真研究。

1 Magnet軟件介紹

    目前國(guó)內(nèi)電磁仿真領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的是美國(guó)Ans0R公司的RMxprt、MaxweⅡ 2D／3D和加拿大In—folytica公司的Magnet。前者在高頻電磁場(chǎng)仿真中占有主導(dǎo)地位，而在低頻的電機(jī)電磁場(chǎng)仿真中，針對(duì)交流勵(lì)磁機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)，其RMxprt專業(yè)電機(jī)設(shè)計(jì)軟件中沒有對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)模塊，致使其MMaxwell 2D的瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)建模受到限制。后者可以很好地彌補(bǔ)了這些弊端，因此本文選擇Magnet作為有限元建模的仿真工具。

2有限元法解算原理與建模

    有限元法是將整個(gè)區(qū)域分割成許多很小的單元，將求解邊界問題的原理應(yīng)用于每個(gè)單元中，通過選取適當(dāng)?shù)男魏瘮?shù)使得每個(gè)單元的計(jì)算變得非常簡(jiǎn)單，經(jīng)過對(duì)每個(gè)單元的重復(fù)性簡(jiǎn)單計(jì)算，將其結(jié)果綜合起來，便可得到用整體矩陣表達(dá)的整個(gè)區(qū)域的解。

    由于電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)使得電感非線性，若考慮磁路的飽和現(xiàn)象時(shí)電壓方程也呈非線性，每時(shí)刻的網(wǎng)格剖分電有所不同，而交流勵(lì)磁機(jī)呈軸對(duì)稱性，其矢量磁勢(shì)和繞組電流密度只有z軸分量，在電機(jī)的長(zhǎng)細(xì)比大于0．3時(shí)，可以忽略端部漏磁通的影響，所以選擇二維瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)求解器來解算這類型的電機(jī)電磁瞬態(tài)問題即可滿足工程要求。

    航空交流恒速恒頻(cscF)電源的旋轉(zhuǎn)電樞式交流勵(lì)磁機(jī)的主要參數(shù)如表1所示，我們通過有限元建模，分析其結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電磁瞬態(tài)性能的影響，并對(duì)比瞬態(tài)仿真曲線與實(shí)測(cè)曲線，驗(yàn)證模型的實(shí)用性。

2．1交流勵(lì)磁機(jī)的幾何結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)

    可以直接在編輯界面繪出交流勵(lì)磁機(jī)的疊片幾何結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示，也可以從AutocAD、Pr0/E、cAnA等常用繪圖軟件中導(dǎo)入幾何模型。

2．2交流勵(lì)磁機(jī)的材料屬性

    由于交流勵(lì)磁機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子均采用了軟磁材料，定子上嵌有勵(lì)磁繞組，轉(zhuǎn)子上嵌有電樞繞組，另外在定子外殼采用不同于定子磁極材料的磁軛，使得每個(gè)磁通回路在對(duì)應(yīng)于不同電勢(shì)時(shí)的磁阻不同，同時(shí)