三相开关磁阻电动机电磁场有限元分析

史秀梅，郑寿森，祁新梅，熊俊峰

    (中山大学，广东珠海519082)

    摘要：基于有限元分析软件ANSYS，对三相(6／4)开关磁阻电动机的二维电磁场进行了系统的分析，计算出电机在不同转子位置角和电流下的磁场分布、磁能和静特性，为开关磁阻电动机的设汁、建立非线性模型以及控制策略的研究提供了可靠依据。

    关键词：开关磁阻电动机；电磁场；有限元分析；非线性；ANSYS

    中图分类号：TM352  文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2009)12—0035—03

0引言

    开关磁阻电动机(以下简称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执行用微特电机。SRM以其结构简单坚固、调速范围宽、可靠性高、成本低廉、效率高等优点，广泛应用于电动车驱动系统、家用电器、通用工业(风机、水泵、压缩机等)、伺服与调速系统、牵引电机、高速电机(纺织机、航空发动机、离心机等)。

    由于SRM长期运行在饱和或非线性状态，且控制参数多，相电流随转子位置而变化，无法得到简单统一的数学模型和解析式，对于SRM的理论研究、设计和控制尚处于发展阶段。近年来，针对SRM的性能研究主要集中在线性、准线性模型分析或以这些模型为基础的控制仿真，如文献[4—5]，与电机实际特性及运行情况存在较大误差。

    SRM的非线性分析成为研究的热点。文献[6]建立四个典型位置的磁化吐线，计算定子一极的径向力；文献[7]分析电流和转子位置对磁链的影响，建立了磁链关于电流和转子位置的连续函数；文献[8]计算了电机的静特性。

  本文利用ANSYS软件，建立三相(6／4)SRM模型，并对其进行有限元分析，计算电机的磁场分布、磁能和静特性，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。

1 SRM建模与分析

1．1模型的结构参数

    电机模型采用三相6／4结构，结构参数如表1所示。

1．2基本假设及边值问题   

由于求解区域有电流源存在，计算时须采用矢量磁位，并作如下假设：    

    (1)忽略电机端部磁场效应，磁场沿轴向均匀分布，矢量磁位A和电流密度，J有轴向分量Az和fz，故磁感应强度只有Bx和By(以下将A简写为Az，J简写为上)；

    (2)磁场仅被限制于电机的内部，定子的外部及转子的内部边界认为是零矢量磁位线；  

    (3)不计交变磁场在导电材料中如定子绕组及机座中的涡流反应，因此，SRM的磁场可作为非线性似稳场来处理。

    基于以上假设，进行sRM全场域分析的二维静磁场计算，用矢量磁位表述为如下边值问题：

式中：μ为材料的磁导率；T1为定子外圆周；T2为转子内圆周。

1．3三相(6／4)sRM建模与求解

     ANsYs中可以分别采用GuI模式或命令流模式完成完整的分析。为直观和高效起见，本文在前处理阶段采用GuI模式，处理及后处理阶段采用命令流模式。

 l 3．1建立物理模型

     对于三相(6／4)sRM定子每一极来说，转子转过90。机械角为一个周期，根据对称性只计算转子转动45^。范围即可完成分析。将定子齿中心与转子槽中心对齐位置定义为θ=0。位置。本文利用ANsYs根据表1建立模型，如图1所示。   

1．3.2定义材料属性及赋予面特性

    添加设置空气区、导磁区、电流流人区、电流流出区四部分材料。其中导磁区为非线性材料，用一条B／H曲线(如图2所示)描述其材料属性；其余部分磁导率均为1。赋予面材料属性，按材料属性显示面如图3所示。

1．3．3划分网格

     定义单元类型，选择PLANE53单元，采用三角形六节点、smansize形式。划 分网格后如图4所示。

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