基于Magnet的無刷交流勵磁機瞬態特性仿真研究

    馬曉荷，沈頌華

(北京航空航天大學，北京100083)

    摘要：對于航空交流電源中交流勵磁機的旋轉電樞式結構，有限元電磁分析的研究較少。文章以此為研究對象，闡述應用Magnet軟件建立二維瞬態運動場仿真模型的原理和步驟，并仿真了交流勵磁機在空載工況下的磁場空間分布、電磁參數、電路參數，通過實測對比，證明模型的實用性，該模型可指導該類型電機的結構優化設計和其它工況瞬態特性研究。

    關鍵詞：無刷交流勵磁機；二維瞬態運動場；有限元；Magnet

    中圖分類號：TM34  文獻標識碼：A  文章編號：1004—7018(20(18)08—0023一03

0引  言

    交流電機瞬態運行時，由于定、轉子繞組之間的相對運動和凸極轉子所造成的磁不對稱性，交流電機的電壓方程通常是含有時變系數的微分方程。若進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]。在轉速恒定且不計磁飽和的前提下，通過d-q-0、α-β-0等坐標變換技術可將電壓方程變換為常系數線性微分方程。但其應用受到前提條件的限制，具體表現為：

    (1)假設的電機模型不包括實際高次諧波；

    (2)d—q軸模型生成的微分方程是常數系數，這些方程在電機轉速恒速時是線性的，但轉速變化時卻是非線性的，限制了其應用范圍；

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

    (4)傳統模型很難仿真某一故障或開關的不平衡狀態。比如：當整流橋某一故障產生時，系統處于深度非對稱性，這時d—q模型就不能應用。

    1970年，Peter Silvester和M．v．K．cha ri把有限元法引入電磁場計算中，它使復雜結構、復雜邊界和非線性介質情況的邊值問題得到解答。大多數文獻采用有限元法對永磁電機、無刷直流電動機、開關磁阻電機進行了相關研究^[3-7]，而目前航空交流電源領域應用非常廣泛的旋轉電樞式無刷交流勵磁機的研究卻很少，因此本文以交流勵磁機為研究對象，利用有限元法對其瞬態特性進行仿真研究。

1 Magnet軟件介紹

    目前國內電磁仿真領域應用較為廣泛的是美國Ans0R公司的RMxprt、MaxweⅡ 2D／3D和加拿大In—folytica公司的Magnet。前者在高頻電磁場仿真中占有主導地位，而在低頻的電機電磁場仿真中，針對交流勵磁機的特殊結構，其RMxprt專業電機設計軟件中沒有對應的設計模塊，致使其MMaxwell 2D的瞬態運動場建模受到限制。后者可以很好地彌補了這些弊端，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

    有限元法是將整個區域分割成許多很小的單元，將求解邊界問題的原理應用于每個單元中，通過選取適當的形函數使得每個單元的計算變得非常簡單，經過對每個單元的重復性簡單計算，將其結果綜合起來，便可得到用整體矩陣表達的整個區域的解。

    由于電機轉子的轉動使得電感非線性，若考慮磁路的飽和現象時電壓方程也呈非線性，每時刻的網格剖分電有所不同，而交流勵磁機呈軸對稱性，其矢量磁勢和繞組電流密度只有z軸分量，在電機的長細比大于0．3時，可以忽略端部漏磁通的影響，所以選擇二維瞬態運動求解器來解算這類型的電機電磁瞬態問題即可滿足工程要求。

    航空交流恒速恒頻(cscF)電源的旋轉電樞式交流勵磁機的主要參數如表1所示，我們通過有限元建模，分析其結構參數對電磁瞬態性能的影響，并對比瞬態仿真曲線與實測曲線，驗證模型的實用性。

2．1交流勵磁機的幾何結構模型設計

    可以直接在編輯界面繪出交流勵磁機的疊片幾何結構圖，如圖1所示，也可以從AutocAD、Pr0/E、cAnA等常用繪圖軟件中導入幾何模型。

2．2交流勵磁機的材料屬性

    由于交流勵磁機的定子和轉子均采用了軟磁材料，定子上嵌有勵磁繞組，轉子上嵌有電樞繞組，另外在定子外殼采用不同于定子磁極材料的磁軛，使得每個磁通回路在對應于不同電勢時的磁阻不同，同時