基于Magnet的无刷交流励磁机瞬态特性仿真研究

    马晓荷，沈颂华

(北京航空航天大学，北京100083)

    摘要：对于航空交流电源中交流励磁机的旋转电枢式结构，有限元电磁分析的研究较少。文章以此为研究对象，阐述应用Magnet软件建立二维瞬态运动场仿真模型的原理和步骤，并仿真了交流励磁机在空载工况下的磁场空间分布、电磁参数、电路参数，通过实测对比，证明模型的实用性，该模型可指导该类型电机的结构优化设计和其它工况瞬态特性研究。

    关键词：无刷交流励磁机；二维瞬态运动场；有限元；Magnet

    中图分类号：TM34  文献标识码：A  文章编号：1004—7018(20(18)08—0023一03

0引  言

    交流电机瞬态运行时，由于定、转子绕组之间的相对运动和凸极转子所造成的磁不对称性，交流电机的电压方程通常是含有时变系数的微分方程。若进一步考虑磁饱和的影响，由于电感的非线性，电压方程也可能成为非线性微分方程^[1-2]。在转速恒定且不计磁饱和的前提下，通过d-q-0、α-β-0等坐标变换技术可将电压方程变换为常系数线性微分方程。但其应用受到前提条件的限制，具体表现为：

    (1)假设的电机模型不包括实际高次谐波；

    (2)d—q轴模型生成的微分方程是常数系数，这些方程在电机转速恒速时是线性的，但转速变化时却是非线性的，限制了其应用范围；

    (3)如果电机与整流器连接，则由于谐波电流的影响，端电压是非正弦的，这时d—q模型的前提条件不满足；

    (4)传统模型很难仿真某一故障或开关的不平衡状态。比如：当整流桥某一故障产生时，系统处于深度非对称性，这时d—q模型就不能应用。

    1970年，Peter Silvester和M．v．K．cha ri把有限元法引入电磁场计算中，它使复杂结构、复杂边界和非线性介质情况的边值问题得到解答。大多数文献采用有限元法对永磁电机、无刷直流电动机、开关磁阻电机进行了相关研究^[3-7]，而目前航空交流电源领域应用非常广泛的旋转电枢式无刷交流励磁机的研究却很少，因此本文以交流励磁机为研究对象，利用有限元法对其瞬态特性进行仿真研究。

1 Magnet软件介绍

    目前国内电磁仿真领域应用较为广泛的是美国Ans0R公司的RMxprt、MaxweⅡ 2D／3D和加拿大In—folytica公司的Magnet。前者在高频电磁场仿真中占有主导地位，而在低频的电机电磁场仿真中，针对交流励磁机的特殊结构，其RMxprt专业电机设计软件中没有对应的设计模块，致使其MMaxwell 2D的瞬态运动场建模受到限制。后者可以很好地弥补了这些弊端，因此本文选择Magnet作为有限元建模的仿真工具。

2有限元法解算原理与建模

    有限元法是将整个区域分割成许多很小的单元，将求解边界问题的原理应用于每个单元中，通过选取适当的形函数使得每个单元的计算变得非常简单，经过对每个单元的重复性简单计算，将其结果综合起来，便可得到用整体矩阵表达的整个区域的解。

    由于电机转子的转动使得电感非线性，若考虑磁路的饱和现象时电压方程也呈非线性，每时刻的网格剖分电有所不同，而交流励磁机呈轴对称性，其矢量磁势和绕组电流密度只有z轴分量，在电机的长细比大于0．3时，可以忽略端部漏磁通的影响，所以选择二维瞬态运动求解器来解算这类型的电机电磁瞬态问题即可满足工程要求。

    航空交流恒速恒频(cscF)电源的旋转电枢式交流励磁机的主要参数如表1所示，我们通过有限元建模，分析其结构参数对电磁瞬态性能的影响，并对比瞬态仿真曲线与实测曲线，验证模型的实用性。

2．1交流励磁机的几何结构模型设计

    可以直接在编辑界面绘出交流励磁机的叠片几何结构图，如图1所示，也可以从AutocAD、Pr0/E、cAnA等常用绘图软件中导入几何模型。

2．2交流励磁机的材料属性

    由于交流励磁机的定子和转子均采用了软磁材料，定子上嵌有励磁绕组，转子上嵌有电枢绕组，另外在定子外壳采用不同于定子磁极材料的磁轭，使得每个磁通回路在对应于不同电势时的磁阻不同，同时