三相開關磁阻電動機電磁場有限元分析

史秀梅，鄭壽森，祁新梅，熊俊峰

    (中山大學，廣東珠海519082)

    摘要：基于有限元分析軟件ANSYS，對三相(6／4)開關磁阻電動機的二維電磁場進行了系統的分析，計算出電機在不同轉子位置角和電流下的磁場分布、磁能和靜特性，為開關磁阻電動機的設汁、建立非線性模型以及控制策略的研究提供了可靠依據。

    關鍵詞：開關磁阻電動機；電磁場；有限元分析；非線性；ANSYS

    中圖分類號：TM352  文獻標識碼：A  文章編號：1004—7018(2009)12—0035—03

0引言

    開關磁阻電動機(以下簡稱SRM)是近年來隨著電機學、微電子學、電力電子和控制理論的發展而迅速發展起來的一種執行用微特電機。SRM以其結構簡單堅固、調速范圍寬、可靠性高、成本低廉、效率高等優點，廣泛應用于電動車驅動系統、家用電器、通用工業(風機、水泵、壓縮機等)、伺服與調速系統、牽引電機、高速電機(紡織機、航空發動機、離心機等)。

    由于SRM長期運行在飽和或非線性狀態，且控制參數多，相電流隨轉子位置而變化，無法得到簡單統一的數學模型和解析式，對于SRM的理論研究、設計和控制尚處于發展階段。近年來，針對SRM的性能研究主要集中在線性、準線性模型分析或以這些模型為基礎的控制仿真，如文獻[4—5]，與電機實際特性及運行情況存在較大誤差。

    SRM的非線性分析成為研究的熱點。文獻[6]建立四個典型位置的磁化吐線，計算定子一極的徑向力；文獻[7]分析電流和轉子位置對磁鏈的影響，建立了磁鏈關于電流和轉子位置的連續函數；文獻[8]計算了電機的靜特性。

  本文利用ANSYS軟件，建立三相(6／4)SRM模型，并對其進行有限元分析，計算電機的磁場分布、磁能和靜特性，為SRM的設計、非線性仿真和控制提供了理論基礎和可靠依據。

1 SRM建模與分析

1．1模型的結構參數

    電機模型采用三相6／4結構，結構參數如表1所示。

1．2基本假設及邊值問題   

由于求解區域有電流源存在，計算時須采用矢量磁位，并作如下假設：    

    (1)忽略電機端部磁場效應，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，故磁感應強度只有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的內部，定子的外部及轉子的內部邊界認為是零矢量磁位線；  

    (3)不計交變磁場在導電材料中如定子繞組及機座中的渦流反應，因此，SRM的磁場可作為非線性似穩場來處理。

    基于以上假設，進行sRM全場域分析的二維靜磁場計算，用矢量磁位表述為如下邊值問題：

式中：μ為材料的磁導率；T1為定子外圓周；T2為轉子內圓周。

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

     對于三相(6／4)sRM定子每一極來說，轉子轉過90。機械角為一個周期，根據對稱性只計算轉子轉動45^。范圍即可完成分析。將定子齒中心與轉子槽中心對齊位置定義為θ=0。位置。本文利用ANsYs根據表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

    添加設置空氣區、導磁區、電流流人區、電流流出區四部分材料。其中導磁區為非線性材料，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劃分網格

     定義單元類型，選擇PLANE53單元，采用三角形六節點、smansize形式。劃 分網格后如圖4所示。

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