Maxwell3D在開關(guān)磁阻平面電機結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用_圖文

1、微特電機2009年第3期D設(shè)計分析esi gn and ana lysis 在開關(guān)磁阻平面電機結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用31收稿日期:2008-08-06M axwell 3D 在開關(guān)磁阻平面電機結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用李更新,馬春燕,陳燕,王振民(太原理工大學(xué),山西太原030024摘要:利用Max well 3D 電磁場有限元分析軟件對開關(guān)磁阻平面電機結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。對兩種電機結(jié)構(gòu)(動子寬齒結(jié)構(gòu)、動子等齒結(jié)構(gòu)進行3D 靜磁場建模與仿真,獲得磁場分布特性和電磁推力特性。仿真結(jié)果表明,等齒結(jié)構(gòu)與寬齒結(jié)構(gòu)相比,飽和程度低,而且等齒結(jié)構(gòu)電磁推力的最大值較大,可控范圍寬,即等齒結(jié)構(gòu)要優(yōu)于寬齒結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果為電機結(jié)構(gòu)設(shè)

2、計和研制提供了一定的理論依據(jù)。關(guān)鍵詞:開關(guān)磁阻;平面電機;有限元;Max well 3D中圖分類號:T M 352文獻標識碼:A 文章編號:1004-7018(200903-0031-02Appli ca ti on of M axwell 3D i n Con structi on D esi gn of Sw itched Reluct ance Pl anar M otorL I Geng -xin,MA chun -yan,CHEN Yan,WAN G Zhen -m in(Taiyuan University of Technol ogy,Taiyuan 030024,China A

3、bstract:S witched reluctance p lanar mot or (SRP M was op ti m ally designed by Max well 3D electr omagnetic field fi 2nite ele ment analysis s oft w are .T wo kinds of mot or structure (mover wide -t ooth structure,mover even -t ooth structure were modeled and si m ulated in the envir on ment of 3D

4、 maget ostatic field .Further more,distributi ons of maget ostatic field and characteristics of electr omagnetic f orce were accessed .The si m ulati on results showed that maget ostatic field saturati on de 2gree of even -t ooth structure was l ower,the maxi m u m of electr omagnetic force was bigg

5、er,contr olled range was wider than that of even -t ooth structure by contrast of si m ulati on result .That is,the even -t ooth structure was superi or t o wide -t ooth structure .The results p r ovided the theoretical f oundati on f or structural design and devel opment of SRP M.Key words:s witche

6、d reluctance p lanar mot or;finite ele ment analysis;M ax well 3D0引言電機電磁參數(shù)、運行性能分析與計算方法都是采用的平均磁路的概念。但隨著計算機性能的提高和新計算方法的不斷涌現(xiàn),在電機分析中出現(xiàn)了一個嶄新的研究領(lǐng)域-電機電磁場數(shù)值分析方法。它的出現(xiàn)為特殊結(jié)構(gòu)電機的設(shè)計、電磁參數(shù)的計算、運行性能的分析開辟了新的途徑1。美國Ans oft 公司的Max well 3D 軟件就是一種功能強大、計算精確的電磁場有限元數(shù)值分析軟件,本文以此為分析工具,對開關(guān)磁阻平面電機(以下簡稱SRP M 的磁場分布、電磁特性進行仿真,從而為該電機的具體

7、結(jié)構(gòu)尺寸的確定提供依據(jù)。1結(jié)構(gòu)與工作原理SRP M 由定子、動子以及動子線圈組成,可以看成是由旋轉(zhuǎn)開關(guān)磁阻電動機沿徑向剖開,再沿x 和y 方向延展而形成的電機,動子鐵心上繞有集中繞組,在x 、y 方向上各有三相,且兩個方向上的動子互相垂直,電機結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作原理同旋轉(zhuǎn)的開關(guān)磁阻電動機一樣,仍然遵循“磁阻最小原理”,當對某相繞組通電,定子與動子之間通過氣隙將產(chǎn)生電磁力,這個電磁力使磁通通路的磁阻盡量變小,并驅(qū)動動子到達磁路磁阻最小的位置(即動子凸極與定子凸極的中心線完全重合,如果連續(xù)順序給各相動子繞組通電,就可以形成持續(xù)的電磁力,實現(xiàn)平面運動2。圖1SRP M 本體結(jié)構(gòu)由于SRP M 是

8、雙凸極結(jié)構(gòu),其定子和動子的極數(shù)、齒寬對電機的性能有至關(guān)重要的影響。SRP M 的定子是由基本定子塊互相插接而形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),為保證在x 、y 方向磁路的一致性,簡化磁路結(jié)構(gòu),降低加工成本,所有基本定子塊的結(jié)構(gòu)完全一致,而且齒槽是等寬的,即定子齒寬等于定子槽寬。定子與動子之間的氣隙也是一個非常重要的參數(shù),它對電機運行性能的影響較大。若選取較大的 在開關(guān)磁阻平面電機結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用32間隙,則需要增大勵磁電流, 而勵磁功率也隨之增大,但是,受加工工藝的限制,間隙又不可能選擇過小。在SRP M 結(jié)構(gòu)設(shè)計中,動子繞組均為集中獨立繞組,不存在相間耦合,同時動子繞組在x 、y 方向互相垂直,這種結(jié)構(gòu)使兩個

9、方向上的磁場也不存在耦合,可以實現(xiàn)兩個方向的獨立控制;其次是動子槽寬與齒寬的確定,傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)開關(guān)磁阻電動機是寬齒結(jié)構(gòu),即轉(zhuǎn)子極弧要比定子極弧略大,所以最初設(shè)計思路也是采用寬齒結(jié)構(gòu),即動子齒寬大于槽寬。但等齒結(jié)構(gòu)(動子齒寬等于定子齒寬是一個臨界設(shè)計狀態(tài),有必要對該結(jié)構(gòu)特性進行分析;最后,當動子尺寸確定后,要保證動子在任何位置下都具有正、反方向的自起動能力,實現(xiàn)正常運行,則相間距要保證當某一相定、轉(zhuǎn)子處于齒對齊位置時,相鄰一相的動子齒與定子齒必須有一定的重疊,相間距t 根據(jù)下式來確定3:t =3n +13-W t (n =1,2,3(1式中:t 為動子相間距;為動子極距;W t 為動子齒寬。本文通

10、過有限元數(shù)值分析軟件Max well 3D 對寬齒結(jié)構(gòu)和等齒結(jié)構(gòu)分別進行建模仿真,分析這兩種結(jié)構(gòu)對電機特性的影響。2有限元分析采用Max well 3D 可以對任意幾何結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)進行三維電磁特性計算分析,可以大大降低甚至消除直接制作樣機帶來的資金和時間的壓力。內(nèi)嵌的實體建模能力和自動宏記錄功能,使建模過程變得非常簡單。領(lǐng)先的自動自適應(yīng)剖分技術(shù)保證產(chǎn)生優(yōu)化的剖分結(jié)果,而無需人工干預(yù)4。2.1幾何建模首先,建立SRP M 的三維實體模型。模型包括定子、動子鐵心、動子線圈、求解區(qū)域,以及用于設(shè)置激勵的線圈終端。在Max well 3D 下的幾何建模器中分別建立寬齒結(jié)構(gòu)和等齒結(jié)構(gòu)兩種模型。動子結(jié)構(gòu)如圖

11、2所示,其具體參數(shù)如表1所示。定子結(jié)構(gòu)相同,定子齒寬6mm ,極距12mm ,槽深6mm 。圖2動子結(jié)構(gòu)示意圖表1動子尺寸參數(shù)動子寬齒結(jié)構(gòu)動子等齒結(jié)構(gòu)動子齒寬W t p /mm6.26動子槽寬W ts /mm 5.86動子槽深h t p /mm 66動子極距t /mm 1212極軛寬度W c /mm 88極軛高度h c /mm 88動子高度L t /mm 3535動子寬度W t /mm 42.242動子長度L t /mm 4242相間距t /mm9.8102.2定義材料屬性、設(shè)定邊界條件和網(wǎng)格劃分設(shè)置求解區(qū)域為空氣;自定義定子與動子鐵心材料為DW 360硅鋼片;動子線圈為實體導(dǎo)體銅。給動子線圈

12、終端施加電流激勵。設(shè)置定子線圈然后設(shè)置動子的邊界條件為絕緣。采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分,設(shè)定最大誤差不超過0.7%。3仿真結(jié)果分析3.1寬齒與等齒結(jié)構(gòu)磁密比較表2為勵磁電流5A 時動子在不同位置下的磁密值。表2不同動子位置下的磁密值寬齒結(jié)構(gòu)等齒結(jié)構(gòu)0mm極身0.47561T 0.32155T 極軛 1.0695T 0.72344T 極尖 1.9010T 1.2861T 3mm 極身0.78292T 0.4723T 極軛 1.7614T 1.0619T 極尖 3.1312T 1.8873T 6mm 極身0.65828T 0.68118T 極軛 1.4806T 1.5319T 極尖2.6318T2.723

13、0T從表2可見,由于SRP M 的雙凸極結(jié)構(gòu),從動子齒中心線與動子槽中心線重合位置(0mm 到動子齒中心線與定子齒中心線重合位置(6mm ,鐵心極身和軛部的飽和程度逐漸增加,而且極尖磁密很容易產(chǎn)生飽和,寬齒結(jié)構(gòu)要比等齒結(jié)構(gòu)更容易發(fā)生飽和。3.2寬齒與等齒結(jié)構(gòu)電磁推力比較勵磁電流5A 時,寬齒結(jié)構(gòu)與等齒結(jié)構(gòu)電磁推力特性比較如圖3所示。兩條特性曲線趨勢一致,在動子齒中心線與動子槽中心線重合位置(0mm 時,電磁推力均最小;在動子齒與定子齒重合50%(3mm 時,電磁推力均達到最大值;在動子齒中心線與定子齒中心線重合位置(6mm 時,電磁推力均最小。但等齒結(jié)構(gòu)的曲線要比寬齒結(jié)構(gòu)的曲線要高,即對于任何

14、特定位置等齒結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電磁推力要大。因此,要達到某一推力,等齒結(jié)構(gòu)的控制區(qū)域要比寬齒結(jié)構(gòu)的控制區(qū)域要大。(下轉(zhuǎn)第44頁 滑?？刂频臒o速度傳感器最優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制44從仿真實驗結(jié)果看,該控制系統(tǒng)相比于P I 速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的速度響應(yīng)曲線收斂速度較快,超調(diào)量小,速度/位置的估算靜差較小,該算法在相同的定子電流條件下,與I d =0控制相比,電機能輸出更大的電磁轉(zhuǎn)矩,可實現(xiàn)無速度傳感器全速起動、運行。6結(jié)語本文提出了一種P MS M 模型參考自適應(yīng)無速度傳感器速度辨識方案及滑模變結(jié)構(gòu)速度調(diào)節(jié)策略應(yīng)用于最優(yōu)轉(zhuǎn)矩矢量控制系統(tǒng)中,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性及抗干擾能力的自適應(yīng)性。仿真結(jié)果表明該算法快速,易于實現(xiàn)且

15、增加了系統(tǒng)的魯棒性,這種方法能準確地檢測轉(zhuǎn)子實際速度和位置,是一種有效的P MS M 無速度傳感器檢測方法。參考獻文1王慶龍,張崇巍,張興.基于變結(jié)構(gòu)模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)的永磁同步電動機轉(zhuǎn)速辨識J .中國電機工程學(xué)報,2008,28(9:71-75.2趙德宗,張承進,郝蘭英.一種無速度傳感器感應(yīng)電機魯棒滑模控制策略J .中國電機工程學(xué)報,2006,26(22:122-127.3尚喆,趙榮祥,竇汝振.基于自適應(yīng)滑模觀測器的永磁同步電動機無位置傳感器控制研究J .中國電機工程學(xué)報,2007,27(3:23-27.4孫海軍,郭慶鼎,高松巍.系統(tǒng)辨識法永磁同步電動機無傳感器控制J .電機與控制學(xué)報,20

16、08,12(3:244-247.5齊放,鄧智泉,仇志堅.一種永磁同步電動機無速度傳感器的矢量控制J .電工技術(shù)學(xué)報,2007,22(10:30-34.6秦峰,賀益康,賈洪平.基于轉(zhuǎn)子位置自檢測復(fù)合方法的永磁同步電動機無傳感器運行研究J .中國電機工程學(xué)報,2007,27(3:13-17.7林平,胡長生,李明峰.基于模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)算法的速度估算核的研制J .中國電機工程學(xué)報,2004,24(1:118-123.8高菲,潘松峰,王曉磊.永磁同步電動機的完全滑模變結(jié)構(gòu)控制J .微特電機,2008,(3:33-35.9李長紅.P MS M 調(diào)速系統(tǒng)中最大轉(zhuǎn)矩電流比控制方法的研究J .中國電機工程學(xué)

17、報,2005,25(21:169-174.10孫笑輝,張曾科,韓曾晉.基于直接轉(zhuǎn)矩控制的感應(yīng)電動機轉(zhuǎn)矩脈動最小化方法研究J .中國電機工程學(xué)報,2002,22(8:109 -112.11李耀華,劉衛(wèi)國.永磁同步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的最大轉(zhuǎn)矩電流比控制J .微特電機,2007,23(1:23-26.作者簡介:王巍(1975-,女,碩士,研究方向為電力電子與電力傳動。(上接第32頁圖3電磁推力特性比較4結(jié)語在介紹SRP M 結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上,通過對比分析,對兩種動子結(jié)構(gòu)下的磁場分布以及電磁推力進行比較。通過計算分析可以發(fā)現(xiàn),動子齒槽結(jié)構(gòu)對電機磁場分布和電磁推力具有一定影響。就靜特性而言,等齒結(jié)構(gòu)要優(yōu)于寬齒結(jié)構(gòu),具有飽和程度低、電磁推力大、可控范圍寬等優(yōu)