六相1210开关磁阻起动发电机磁场的有限元分析及发电性能研究

江苏大学硕士学位论文六相12/10开关磁阻起动/发电机磁场的有限元分析及发电性能研究姓名韦银申请学位级别硕士专业农业电气化与自动化指导教师全力20060610江苏大学硕士学位论文摘要开关磁阻电机SRM是上世纪80年代才发展起来的一种新型机电一体化设备。它作为起动发电机系统，以其结构简单坚固、成本低、高容错运行能力、低速高转矩能力、较高的能量密度和高温运行能力等优良特性，已日益引起国内外许多专家、学者的注意和研究。随着环境保护呼声的越来越高，能源问题的突现，混合动力汽车HEV成了近几年各大汽车公司的研究热点。开关磁阻起动发电机在汽车ISAD系统中的应用是近几年才开始出现的一个新的发展方向，目前相关报道较少。本文以新型六相1210结构的SR起动发电机作为研究对象，以有限元方法作为研究方法来开展一系列工作。本文首先系统地研究了开关磁阻电机的基本理论，给出了六相1210结构SR电机各种结构参数；建立了SR电机瞬态有限元分析模型，结合其静态模型通过ANSOFT软件中的MAXWELL2D模块对电流斩波CCC和位置控制模式下1210SR电机的发电特性进行了仿真，对仿真结果进行了深入分析；同时对样机做了起动转矩的测量，还对1210SR电机的起动实验进行了分析，对发电实验进行设计，探讨了电池能量管理。关键词六相12110结构，有限元模型，MAXWELL2D，发电特性，ANSOFT江苏大学硕士学位论文ABSTRACTSWITCHEDRELUCTANCEMACHINESRMISANEWTYPEOFINTEGRATIVEDEVICE，WHICHHASBEENDEVELOPEDFROMTHE80S，LASTCENTURYCOMPAREDTOOTHERMOTORS，SWITCHEDRELUCTANCEMOTORPROVIDEDWITHSIMPLERANDFIRMERSTRUCTURE，LOWERCOST，HIGHFAULTFUNCTION，HI曲ENERGYDENSITY,PRODUCINGHIGHTORQUEWHENSPEEDISLOW,ANDSOONSOINRECENTYEARSTHEREISAGROWINGINTERESTINITWITHTHEININCREASINGDEMANDOFENVIRONMENTALPROTECTIONANDENERGYSOURCES，HYBRIDELECTRICVEHICLE，HEYHASBECOMETHEHOTSPOTOFAUTOMOBILECOMPANIESITISANEWWAYINRECENTYEARSTHATSWITCHEDRELUCTANCESTARTERGENERATORSRSGAPPLIESINTHEINTEGRATIVESTARTERALTERNATORDAMPERSYSTEMOFTHEVEHICLE，SOTHEREARELITTLEREPORTSABOUTITINTHISPAPERWEWILLRESEARCHONANEWTYPESRM，WHICHHAS12POLESINITSSTATORAND10POLESINTHEROTORTHEMETHODUSEDINANALYSISISFINITEELEMENTMETHODORFEMFIRSTOFALL，THEBASICTHEORYOFSWITCHEDRELUCTANCEMOTORWASDISCUSSEDINDETAIL，ANDMORE，THEDESIGNOF1210SRMSTRUCTUREPARAMETERSNEXTTHETRANSIENTFEMMODELSOFSRMWERECREATEDBASEDONTHEMODELS，SEVERALASPECTSWERESTUDIEDANDDISCUSSEDINDETAILBYFEMSOFTWAREMAXWELL2D，SUCHASINVARIANTSPEEDGENERATESTATEINCCCANDPOSITIONCONTROLMETHODS，ALSOANALYZEDTHERESULTSCAREFULNESSFINALLY,011THEBASEOFTHEACADEMICRESEARCH，COMPLETEDTHEDESIGNANDFACTUREOFTHESTANDOFTESTONTORQUEANGLEPERFORMANCEOFSRM，ANDTESTEDTHEEXPERIMENTMACHINESSTARTTORQUEATLAST,ANALYZEDTHERESULTSOFSOMESTARTEXPERIMENTSANDDESIGNEDTHEGENERATEEXPERIMENTSOFSRGKEYWORDS1210SRMWITHSIXPHASES，FEMMODEL，MAXWELL2D，GENERATEPERFORMANCE，ANSOFLN学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密囹，在R年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密口。学位论文作者签名专良签字日期州年易月7日学位论文作者毕业后去向工作单位通讯地址导师签名签字日期夕Z年多月夕日电话邮编独创性声明本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名日期年月日江苏大学硕士学位论文第一章绪论11引言随着世界各国环境保护的意识的越来越高、措施越来越严格，原有的传统代步工具汽车越来越成为威胁环境的最大因素。替代燃油发动机汽车的方案也越来越多，例如氢能源汽车、燃料电池汽车、混合动力汽车脏VEV等。但目前最有实用性价值并巳有商业化运转的模式，只有混合动力汽车。混合动力汽车的关键是混合动力系统，它的性能直接关系到混合动力汽车整车性能。经过十多年的发展，混合动力系统已从原来发动机与电机离散结构向发动机电机和变速箱一体化结构发展，即集成化混合动力总成系统。而起动助力发电一体化系统INTEGRATEDSTARTEDALTERNATORDAMPER，简称ISAD系统是其中的重要部分。1。2ISAD的系统M嗍嘲帕M1121ISAD的系统的概述起动助力发电一体化系统INTEGRATEDSTARTEDALTERNATORDAMPER，简称ISAD系统，又名ISAINTEGRATEDSTARTERALTERNATOR和ISGINTEGRATEDSTARTERGENERAT00，是近些年来应用于汽车架构中的一种新技术。传统的燃油汽车电气系统中，起动、发电功能分别由直流起动机和交流发电机两个独立的子系统完成，两套机组需要独立地研制、优化、装配和维护，是汽车中体积和重量最大的两大电气部件。实际上，起动电动机只在起动汽车发动机时工作，起动机运转至怠速后就和发动机脱离并停止工作，而交流发电机在发动机运转之后才开始工作，这两套机组工作时间并不重叠。近些年来，随着汽车工业上对大电能供应、燃料消耗量和排气量的要求越来越高，传统的汽车原理与结构不能满足要求，急需一种新的技术和架构。ISAD就是一种比较好的折中方案。ISAD系统电机能融合起动机和发电机功能于一身，直接替代了传统汽车内起动机和发电机两套机组，省去了原系统中飞轮、皮带、滑轮和动力传动系统中的振荡阻尼器、皮带等部件，能够明显减轻汽车重量、节省空间、降低制造成本，系统除了使再生制动成为可能，还能提供附加的起动制动功能、并在需要的时候对于发动机扭矩进行助力。使得系统效率更高，输出电能更大，明显地减少了汽车能量的消耗、尾气排放和噪音的生成。实际上，也是混合动力汽车HVHEVZ；女学擘诗Z的种形式，它迎合了未来对环保汽车标准的需要，证以其优越的性能受到人们重视。122IS加系统的组成ISAD系统主要由电机、电子器件、功率器件、大容量电容器和高功率密度电池组成。1、电机在ISAD系统中，电机既可以运行在电动状态起动发动机，或者在机午上坡时候给发动机提供助力；还可咀处于发电状惫，给汽车电器供电和给蓄电池充电。其转子直接安装在发动机曲轴机构的飞轮上，定子安装在发动机和传动装置之|日J。在本课题中采用的是新型结构的六相1210开关磁阻电机。2、电子器件主要用于功率控制，根据不同情况，控制电机的工作状态。3、蓄电池能量储存设备。如图1L是ISAD系统与发动机的装配图，罔12给出了某ISAD的实物装配图。图11ISAD系统与发动机的装配示意图图12某ISAD的实物装配图江苏大学硕士学位论文123ISAD系统的基本功能汽车在实际行驶时分几种工况，即起步加速工况、超车加速工况、匀速爬坡工况、减速制动工况和匀速行驶工况。ISAD系统即是按照汽车行驶时的需求功率，进行的模式变迁与能量分配。其基本功能有1起动起步加速工况时，电机消耗电能，以最大扭矩输出，发动机由电磁转矩直接拖动作用下，起动时间可缩短到约01O2秒，可实现无噪音起动或者低噪音起动。2助力超车加速工况和匀速爬坡工况时，由发动机驱动车辆，电机消耗电能，作为辅助动力装置提供助力扭矩，弥补发动机的功率不足。3制动发电减速制动工况和匀速行驶工况时，电机在发动机的传动机构直接拖动下发电运行，吸收机械转矩，存储电能。由于智能电子器件的使用和电机的优化设计使发电效率在全速范围内可达到80。4阻尼、减振装配在发动机曲柄上的电机可大大补偿了气压和惯性所引起的转矩扭曲周期性不均匀。当曲柄转得过快时，可由发电机实现其停刹，形成曲柄和电容器间能量交换的过程。结果不仅是周期性不均匀大大减少，也对整个驱动过程起稳定作用消除齿轮振动等等。经过不断地研究和改进，汽车ISAD系统还可具有其它的一些功能，如动力增压器POWERBOOSTER、电动掌舵、电磁刹车等诸多功能。124ISAD的发展概况在国外，20世纪30年代，德国人开始尝试结合起动电机和发电机。90年代末，宝马公司BMW与德国科隆ISADSYSTEM公司共同研制下ISAD系统的进展有所突破，主要是运用了现代电子技术成功协调了两种电机结合在一起所带来的低速启动发动机与高速发电的矛盾，并直接装配在轿车发动机上。汽车ISAD技术的诞生赢得1997年度德国工业创新奖。2000年，法国CONTE公司和雷诺车辆工业部RVI共同开发研制出一种新型ISAD汽车用起动机发电机系统，除具有起动与发电功能外，对发动机工作时产生的振动和噪声还具有消减减缓作用。该系统首先在雷诺PREMIUM牌载货汽车上进行应用试验，为使用ISAD，PREMIUM牌载货汽车的车载电源电压升至42V。在美国，ISAD系统目前在通用汽车公司的混合江苏大学硕士学位论文动力全尺寸匹卡上已经实现了批量生产。根据通用汽车的试验数据，ISAD系统已经使匹卡的燃油经济性至少改善了15，效果明显。在日本，丰田汽车致力与混合动力汽车研发，丰田PRIUS并在美国市场投产。CONTINENTAL、BOSCH、VALEO、RICARD、FORD和DELPHI等公司都在致力于ISAD技术的研究。汽车ISAD系统必将取代目前传统的起动、发电系统，成为未来汽车上最重要的装置之一。由于全球燃油价格的持续攀升，2005年初，随着丰田PRIUS新型混合动力轿车即将投放中国市场的号角吹响之后，骤然间国内各个汽车制造商掀起了研制开发混合动力轿车的热潮。目前国内厂商如长安、上汽与通用共同研发、华普与上海交通大学共同研发已经开发出了样车，预计在2008年批量生产。在国内，南京航空航天大学开关磁阻电机课题组自开始1995年正式对SR电机起动发电系统进行研究，目前已有一套成熟的起动发电系统仿真软件，可进行电动、发电稳态分析以及动态分析，可进行系统的优化设计；先后研制了以MCS8098、MCS80C196KC为控制核心的起动发电实验系统，对发电的机理、起动特性、发电运行时的电压品质及系统的可靠性等做了大量的实验与深入的研究。此外西北工业大学在近几年也开展了270V高压直流SR起动发电机开发研究，国内对SR电机起动发电系统的研究获得可喜的进展。125混合动力汽车系统的研究动向由于现代汽车对电气设备的追求趋于多样化和复杂化，对混合动力汽车的电气系统将呈现以下趋势1由于驱动电机和负载功率的增加，电力需求越来越高，相关的大功率ISAD研究成为热点；2在检测信号上的通讯技术成为研究的热点；3汽车系统的可靠性和安全性研究，如电磁制动，电动助力转向等研究；4更加高效的能量利用和能量管理；51更加少的排放、更低的能耗。13开关磁阻电机的发展概况N儿司刀阳啪们N幻伽磁阻电机是结构最简单的电机之一，过去由于其同步控制困难，一直限制了它的应用和发展。随着现代电力电子技术、控制技术以及数字计算机技术的迅速发4江苏大学硕士学位论文展，形成了磁阻电机应用的新台阶一一开关磁阻电机SWITCHEDRELUCTANCEMOTOR简称SRM。目前，开关磁阻电动机以其调速性能好、结构简单、效率高、成本低等特点，已在迅猛发展的调速电动机领域内争得一席之地，并在牵引运输、通用工业、航空工业、家用电器等领域得到了较广泛的应用。131国外发展概况19世纪40年代有人开始研究和关注开关磁阻电动机的应用。20世纪60年代，随着大功率晶闸管的研制投产，英国的LEEDS大学开始对SRM进行深入研究。自从英国LEEDS大学的PJLAWRENSON等人发表文献之后，SR电机很快成为80年代热门的调速电机。1983年，英国TASCDRIVES公司推出世界上第一台商品名为OULTON的SRM通用调速系列产品。20世纪80年代末，随着飞机对发电系统的更高要求，开关磁阻起动发电机SWITCHEDRELUCTANCESTARTERGENERATOR，简称SRSG技术得以诞生并迅速发展。美国GE公司是最早研究SRSG系统的。进入90年代后，对其接受和感兴趣的程度呈逐年直线上升趋势，形成理论研究与实际应用并重的发展趋势。132国内发展概况在国内现已有大批高等院校、科研院所、生产企业从事开关磁阻电机调速系统的开发研究工作。20世纪80年代中期，我国对SR电机调速系统开始开发研究，并被列为中小型电机“七五科研规划项目“。20世纪90年代初，国内在研究SRM调速系统控制规律时，也进行了SRG运行的分析和设计，1996年西北工业大学根据未来飞机电源系统的发展趋势，进行了“开关磁阻高压直流与恒频交流混合起动发电系统“论证，并列入国家“九五研究计划，从此国内开始对SRG、SRSG进行系统、深入的研究。1995年，南京航空航天大学开关磁阻电机课题组正式开始对开关磁阻起动发电系统进行研究，目前已有一套成熟的起动发电系统仿真软件，可进行电动、发电稳态分析以及动态分析，可进行系统的优化设计。133开关磁阻电机研究的新动向【1由于微电子技术、电力电子技术、控制理论等多门学科发展，SR电机研究近年来出现一些新的动向1开关磁阻电机的震动、噪音研究；5江苏大学硕士学位论文2开关磁阻电机的无位置传感技术研究；3现代控制理论在开关磁阻电机里的应用研究；4开关磁阻电机的特殊应用。14电磁场有限元分析的发展概况哺1有限元法的思想最早由COURANT于1943年提出的。20世纪50年代初期，在复杂的航空结构分析中最先得到应用。而有限元法FINITEELEMENTMETHOD，简称FEM这个名称则由CLOUGH于1960年在其著作中首先提出。有限元法以变微分理论为基础，用剖分插值的办法建立各个自由度之间的关系，把二次泛函的极值问题转化为一组多元代数方程组来求解，它能使得复杂结构、复杂边界情况的定解问题得到解答。近60年来，有限元法因其理论依据的普遍性，已经被成功地用来解决各种工程问题。20世纪60年代，WINSLOW首先将有限元法应用于电气工程问题，用以分析加速器磁铁的饱和效应。1969年，首先在流体力学领域中，通过运用加权余量法导出的GALERKIN法或最小二乘法同样得到了有限元方程。20世纪80年代末提出的基于B样条函数构造基函数的B样条有限元法。近20年来，由于数值处理技术的提高，例如采用不完全CHOLESKY分解法、IGGG法、自适应网格剖分等方法，使得有限元在电磁场数值计算中越来越占据主导地位。目前，有限元法已涉及到瞬态涡流场以及非线性瞬态涡流场的计算。值得注意的是，由ABOSSAVIT和JCNEDELEC开创的棱边有限元法，在交接面处理、解的稳定性、计算代价等的方面显示了巨大的优势，成为有限元发展的引人注目的成就之一。15课题研究背景及意义本课题进行车用开关磁阻起动发电一体化机理的研究与可行性设计，重点研究电机的发电和制动性能。SR电机由于能够适应极端恶劣的环境，制造成本低，工作可靠，在扭矩和速度的大范围内都具有高效率。同时SR电机带载起动转矩大、电流小、时间短、无级调速、四象限运行等优点，是汽车用起动发电机的最佳选择之一。将开关磁阻起动助力发电机系统运用在ISAD中的应用是近年来的一个新研究方向，涉及到电机、电磁场、电力电子、微机应用、自动控制、电气测试、机械结构设计制造和热力学热场分析等诸多种学科。其中SR电机的分析、设计、检测与控制等都是当前国际电气界的热门课题。6江苏大学硕士学位论文SR电机本身是非线性系统，必须结合控制器、控制规律、功率变换器、电动、发电以及稳态和动态性能等方面进行综合设计，因而系统各个环节的设计、仿真计算和实验验证上均有较大难度。151研究背景本课题组与南京航空航天大学SR电机课题组有着长期的合作，已在SR电机系统理论和实践研究方面打下了良好的基础，并对国际上SRSG系统方面的先进前沿技术有着紧密的跟踪。在对汽车机械结构与原理有着深入的研究的基础上，进行了基于SR电机的ISAD系统设计，共同研究和开发新型SRSG产品通过SR电机理论与实际研究以进一步推动SR电机的广泛应用。152课题意义本课题研究SR起动发电系统，不仅可以解决ISAD系统的设计，实现电动与发电的合一，从根本上克服目前汽车上独立的起动、发电两个系统的种种弊端，进一步完善了汽车ISAD技术，为进一步的产品化开发打下基础，而且对于完善SR电机理论和学术研究具有重大的价值；在实际应用的前景上，一个灵活、高效的车用ISAD系统，可为缓解我国燃油汽车的高排放、低燃油经济性问题，为建立我国拥有自主知识产权的汽车工业助上一臂之力。16本文主要研究内容本文以六相1210结构的SR电机用作ISAD系统起动助力发电机的原理和设计为主要研究内容，从理论和实践上为汽车用开关磁阻起动助力发电机系统进行了可行性探索，在课题组所积累的研究基础上，建立了SR电机的静态和瞬态有限元模型，初步研究了1210SR电机的起动发电性能，分析了1210开关磁阻电机的磁路特性，重点仿真研究了六相1210SRG的发电性能。本文内容分章如下第一章绪论部分，详细介绍了ISAD系统以及开关磁阻电机在国内外的发展情况及其优势。第二章介绍了SR起动发电机的基本理论知识，并给出了新型1210结构SR电机基本电磁参数的设计。第三章详细介绍了开关磁阻电机有限元基础理论和有限元模型的建立；第四章利用场路耦合时步法建立了六相1210SR电机的瞬态有限元二维模7江苏大学硕士学位论文型，基于这些模型对开关磁阻电机的发电特性进行了大量的仿真，包括各种控制参数对SRG发电电流的影响。采用了强励磁方案，并针对1210的特殊机构给出了与之相适应的强励磁方案，做了大量仿真。第五章实验数据分析，给出了实验平台的搭建，并对实验项目进行设计和试验，对数据进行处理分析。第六章总结展望，对论文工作做总结，并对未来研究工作做预期展望，给以后研究给出方向和建议。17本章小结本章首先介绍了开关磁阻电机以及ISAD系统在国内外研究发展状况，阐述了本课题的背景和意义，以及电磁场有限元的发展状况，最后叙述了论文的主要研究内容，给出了研究生2年半的所完成的工作以及论文的主要内容。8江苏大学硕士学位论文第二章。开关磁阻起动发电机的系统结构和运行机理21引言嘲开关磁阻电机SWITCHEDRELUCTANCEMOTOR，简称SRM，因为其拥有四象限运行的特性，有些文中也称开关磁阻电机调速系统。描述开关磁阻电动机的精确术语为静态换相双凸极微调磁阻电动机，英文名称为STATICALLYCOMMUTATEDDOUBLYSALIENTVENIRERELUCTANCEMOTOR，简称SRM。它是磁阻电机与现代电力电子技术、微机技术相结合的产物，它既继承了磁阻电机结构简单坚固的优点，又在高度发展的电力电子和微机控制技术的支持下有了良好的可控性，并在电动调频领域和可靠发电领域内获得了一席之地，表现了良好的发展势头。本章针对开关磁阻电机在起动发电方面的应用对其结构及其基本原理加以阐述。22开关磁阻起动发电机系统基本原理N1乜1嗍嘲61嘲伽川121131N町221ISAD中开关磁阻起动发电机系统结构开关磁阻起动发电机系统主要是由开关磁阻电机SRMG、功率变换器、控制器和位置检测器四个部分组成，其结构图如图21所示。能量转换图21开关磁阻起动发电机系统结构图1功率变换器功率变换器的作用是将电源提供的能量经适当转换后提供给SRMG，蓄电池或交流电整流后得到的直流电供电。由于SRMG绕组电流是单向的，使得其功率变换器主电路不仅结构较简单，而且相绕组与主开关器件是串联的，因而可以避9江苏大学硕士学位论文免直接短路故障。SRMG的功率变换器主电路的结构形式主要由电机的供电电压、电机相数及主开关器件的种类等决定。功率变换器常见的拓扑形式有三相不对称半桥结构和四相电容分压式两种，见图22AB，图22C所示的是其六相功率变换主电路拓扑示意图。功率变换器根据转子相对定子的位置而合理、有序的控制各相绕组的开通和关断，使得SR电机正常运转，功率变换器由主功率电路、检测和驱动控制电路三部分构成。A不对称半桥电路一相B电容分压式主电路两相C六相1210功率主电路拓扑图图22六相1210SR电机调速系统功率变换器主电路如扑2控制器它是整个调速系统的核心，是系统的决策和指挥机构，它综合处理速度指令、速度反馈信号、电流电压传感器信号、位置反馈信号等输入指令，然后经过分析处理，决定控制策略并发出一系列控制指令，控制功率变换器中各相主开关器件的开关状态，从而实现电机的运行和控制。3位置检测器10苏擘士学位论文位置检测器主要是获得位置信号，位置信号的精确度对SR电机调速系统性能有很大影响。般采用光电传感器，安装在SR电机的定子上，遮挡片安装在转子上，跟随转子同步旋转。4开关磁阻电机SR电机是SRD中实现机电能量转换的部件，是双凸极可变磁阻电机，其定转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成。转子无绕组也无永磁体，定子极上绕有集中绕组，径向相对的两个绕组可串联或并联构成一对磁极，称为“一相”。SR电机可以设计成多相结构，而且定、转子的极数有多种不同的搭配。文献17】所述研究表明，低于三相的SR电机没有自起动能力。对于有自起动、四象限运行要求的场合，一般优先选用表21所示的定、转子组合方案。相数多，步距角小，有利于减小转矩脉动，但结构复杂，且主开关器件多控制成本高。因此电机定、转子的极数应当按使用的场合合理确定。本课题采用的新型结构的六相1210开关磁阻电机。如图23所示六相1210结构的开关磁阻电机结构。A六相121OSR电机结构截面囤B六相1210SR电机结构截面实物囤图23六相121OSR电机结构截面厦实物图SRM的转向与电流方向无关，为单向直流电流若改变相电流的太小在电动状态运行下，可改变电动机转矩的大小，进而可以改变电动机转速；在发电状态下，在励磁阶段可以增加磁场储能；若在转子极离开定子极时通电，所产生的电磁转矩与转子旋转方向相反，为制动转矩。由此可知，通过简单的控制方式便可改变电动机的转向、转速和工作状态。；女学女学T表21SR电机的定，转子各种组合方案相数M9定R敲极数NS18转F磁极数NR16步距角度25222开关磁阻发电机基本理论SR电机的定子和转子部是凸极式齿槽结构。定、转子铁芯均由硅钢片冲压成一定形状的齿槽，然后霍压而成，以减少涡流损耗。为了避免单边磁拉力，径向必须对称，所以双凸极的定了和转于齿槽数五和五应为偶数，二者常用的关系为五五2。定子径向F对两齿极上的集中绕组线圈串联成一叶日绕组。因此，SR电机的相数M为转子齿槽数五的一半或者四分之一，即MZS2或ZS4。三相614结构电机和四相86结构电机是目前最常用SR电机结构。典型的三相64结构开关磁阻电机定、转子截面形状与绕组安装图见图24，若以0，表示此结构电机的转子齿距角，NO，900。L一图24三相64结构SR电机截面与绕组安装图图25所示为三相64极SR电机结构截面原理图。将位于径向相对的两个线圈串联构成一相绕组顺串，即组成A、B、C三帽绕组。为简单说明，图中只画出A相绕组及其供电电路。S1、S2为T开关管，VDL、VD2为续流二极管，N足直流电源。江苏大学硕士学位论文图25三相64极SR电机典型结构原理图定子和转子组成了SR电机的主磁路，SR电机磁路的磁阻随着转子齿与定子齿的中心线相对运动而变化R当转子齿与定子齿的中心线重合时，磁阻最小也即相绕组电感最大，当转子槽中心线对准定子齿中心线时，磁阻最大，相绕组电感最小。因此，转子连续转动时，相绕组电感三将随转子齿距角0，周期性变化。若忽略磁路饱和的影响，把定子齿中心线与转子槽轴线重合位置定义为000，该位置相电感为最小值工历加；再定义定子齿中心线和转子齿中心线重合位置为0M450，其时电感具有最大值。则周期性变化的三E曲线如图26。厶臌厶LLLIL0M0图26SR电机相绕组电感三曲线SR电机运行原理与任何电磁式机电装置运行理论在本质上没有区别，均可视为一对电端口和一对机械端口的二端口装置。为了简化分析，忽略了铁芯损耗部分，并设SR电机相数为M，各相结构和参数对称。定义KL，2，M相的电压、磁链、电阻、电流及转矩分别为UK、1L，K、凡、IK及TK，转子位置角为0。当不计磁滞、涡流及绕组间互感时，系统示意图如图2。7所示。江苏大学硕士学位论文卜4、DGFSDT无损耗磁场系统I珀LA,护F_LB,0D弘SBDTTEN一，L。ION卜二1D_UADTIM，8图27M相SR电机系统示意图图中，为SR电机转子及负载转动惯量，刀代表粘性摩擦系数，死表示负载转矩。描述图27所示这种机电系统动态过程的微分方程主要有电路方程、机械方程、机电联系方程组成。23开关磁阻电机的基本方程式M嘲嘲嘲嘲删231电路与磁路方程1电动势平衡方程如图25所示，根据能量守恒定律和电磁感应定律，施加在各定子绕组端的电压等于电阻压降和因磁链变化而产生的感应电势作用之和，即第K相绕组电动势平衡方程R警Q12磁链方程各相绕组磁链为该相电流与自感、其余各相电流与互感以及转子位置角的函数FL，F2，0922由于SR电机各相之间的互感相对自感来说甚小，为了便于计算，在开关磁阻电机的计算中一般忽略相间互感，不考虑两相以上电流导通时定、转子轭部饱和在各相之间产生的相互影响，这时磁链方程可近似成，眈丘皖，T23232机械运动方程按照力学定律可列出电机电磁转矩疋和负载转矩死作用下的转子机械运动方14江苏大学硕士学位论文程T,JD讲28一。百D8瓦24其中，和D分别为转动惯量和粘滞系数。233转矩平衡方程根据机电能量转换原理，SR电机的电磁转矩表示为磁共能对转子位置增加的速率瓦鼍竽吲妒25其中，仅K相供电时的绕组的磁共能W7表示为形2J少F，秒砂26电机的合成转矩由各相转矩叠加而成正瓦T，口27于是，由21、22、24、25式，即组成了SR电机的基本平衡方程组。24SR电机线性模型解析嗍州川111由于SR电机电路、磁路的非线性和开关性，SR电机的基本平衡方程组很难计算，通常需要根据运行状态和研究目的进行必要简化。对于SR电机数学建模方法，通常有线性模型、准线性模型分段线性模型和非线性模型三种方法。在线性模型中作如下假设1忽略磁通边缘效应和磁路非线性，且磁导率ILOO，因此绕组电感工是转子位置的分段函数；2忽略所有功率损耗；3功率管开关动作瞬间完成；4电机恒速运转。本文采用SR电机线性模型，推导出SR电机相电流解析式和电磁转矩的解析解，并在此基础上分析电磁转矩的基本控制方法和运行特性。江苏大学硕士学位论文241绕组电感基于理想线性假设，绕组电感L与转子位置角0在一个转子极距一C，内的关系曲线如图28所示。M1圹1土L籽1JV籽上0LMAX图28定转子相对位置展开图及绕组电感上与转子位置角臼关系曲线图28中横坐标为转子位置角，它的基准点即坐标原点000的位置，对应于定子齿中心线与转子槽中心线重合的位置，这时相电感为最小值三坍加。在0L和0202为转子磁极的前沿与定子磁极的后沿相遇的位置区域内，定转子磁极不相重叠，电感保持最小值上臃加不变，这是因为SR电机的转子槽宽通常大于定子极弧，所以当定子齿对着转子槽时，便有一段定子极与转子槽之间的磁阻恒为最大并不随转子位置变化的最小电感常数区；转子转过02后，相电感便开始线性上升直N03为止，03系转子磁极的前沿与定子磁极的前沿重叠处，这时定转子磁极全部重叠，相电感变为最大值三一；同样，在03和0404为转子磁极的后沿与定子磁极的后沿相遇的位置区域内，定转子磁极保持全部重叠，相应的定转子齿间磁阻恒为最小值，相电感保持在最大值三一；从04相电感开始线性地下降，直N05处降为三M加，05、0L均为转子磁极后沿与定子磁极前沿重合处。如此周而复始，往复循环。于是，SR电机基于线性模型的绕组电感的分段线性解析式为FK即黔鳓叱【LU,一K8一幺16酌2眈奶舛钙O通入绕组电流就会产生正向电磁转矩，而在电感曲线的下降段ALAO0区间时则产生正转矩，对应图28在0203区域，SR电机工作在电动状态S蹦；若相电流处于OLOO0，发电阶段相电流将上D升。因此为了进行有效的发电运行，最好在发电区的开始00FF处满足下列条件勘一厶嚣M0234上式234说明，励磁电流厶越大，转速越高，SRG的出力越大，发电运行的效率也就越高。263SRG发电运行特点通过对SRG的发电运行过程进行分析，得出SRG发电运行具有以下的特点1SRG的励磁绕组和电枢绕组只有一套绕组，其励磁和发电过程必须采用周期性分时控制。其发电过程本身无法直接控制，只有调节励磁过程来控制发电输出。2SRG的每相绕组相对独立，耦合很小，可工作在缺相的故障状态，因此，SRG发电运行的容错性好，可靠性高。3SRG输出的是脉冲电能，欲使得其输出稳定的电压，其输出端必须并联储能装置如电容、蓄电池等。4从一个完整的SRG发电周期来看，通过调节开通角0、关断角00TR、励磁电压协及相电流上限K等参数来控制励磁电流厶，才能达到控制发电功率的目的。27SRG控制方式嘲嘲1明伽N们嘲团1圈嘲剀嘲通过对SRG的发电运行过程进行分析得出，SRG只有通过调节励磁过程才能控制发电输出。而励磁过程的控制变量有开通角0、关断J訇00N、励磁电压及相江苏大学硕士学位论文电流上限。因此，与SRM相对应，SRG控制方式也可分为角度位置控制APC、电流斩波控制CCC、脉宽调制控制PWM等三种方式。271角度位置控制方式APC直接调控主开关的开通角0和关断角00FF，可影响电机励磁过程。通常0和0。伍分别在0M之前后，00。提前、00FF推后都增加励磁时间、增大厶，加大励磁强度，其典型相电流波形效果图如图217。A调节0。，固定00RRB固定0。，调节0。仃图217APC方式SRG相电流仿真波形相电流波形对0硪的变化较敏感，一般多针对不同转速优选00FF，调节0伽实现发电控制。总的来说，角度控制是灵敏的，都以数字控制来实施，且容易实现效率优化控制。272电流斩波控制方式CCC以电流斩波上限值K控制励磁电流厶大小，这也是常用的方案，在开通角0至关断角00FF范围内励磁电流不超过控制值，M甜，过00FF之后的续流电流是不可控的。由此形成的不同电流斩波上限K对应的相电流波形。电流斩波控制方案控制性能较好，实现简单。采用限制相电流上限K和并恒定关断时间ZLT或限制相电流上限J知、下限厶耐的方案均可，在电流斩波期间相电流走续流路径VDL和VD2，并有所下降。值得指出，电流斩波时的续流电流也是发电运行状态，是发电效率中应该计入的。江苏大学硕士学位论文273脉宽调制控制方式PWM在主开关驱动信号上施加PWM信号，使得主开关导通区000曲内靠占空比D调节绕组励磁电压的平均值O，从而调控励磁电流厶。占空比大，厶就大，发电电流及功率也就大。分析和实践表明，厶与D有很好的线性关系，且PWM信号周期即为系统调控周期，可控性好，尤其低速时控制特性优于斩波控制方案。PWM需较高开关频率，增加了开关损耗及电机铁耗，所以系统效率略有降低。28本章小结本章介绍了SRMG的工作原理和结构，从理论上介绍了开关磁阻电机的运行原理。给出了SRMG的各种控制方式及其各自的特点，功率变换电路主要形式。，从理论上给以后的模型建立提供基础。江苏大学硕士学位论文第三章12110六相开关磁阻电机的有限元分析基础及有限元模型的建立一31引言。计算机软硬件技术的迅猛发展，给工程分析、科学研究以至人类社会带来急剧的革命性变化，数值模拟即为这一技术革命在工程分析、设计和科学研究中的具体表现。数值模拟技术通过汲取当今计算数学、力学、计算机图形学和计算机硬件发展的最新成果，根据不同行业的需求，不断扩充、更新和完善。基于电磁场数值分析计算的电机性能分析是目前世界上受到广泛重视和深入研究的一种方法。从20世纪70年代中期开始，随着计算机性能的提高和新的计算方法的不断涌现，在电机运行分析中出现了一个崭新的研究领域电机电磁场的数值分析方法。它的出现为各种电机的设计、电磁参数的计算、运行性能的分析开辟了新的途径。电机内电磁场数值分析的方法很多，主要有微分方程法包括有限元法和有限差分和积分方程法体积分方程法和边界积分方程法，还有有限元分析法FEA，FINITEELEMENTANALYSIS和边界积分方程法相结合的混合法。其中有限元分析FEA占有绝对主导的地位。32有限元分析法FEAFINITEELEMENTANALYSIS9M011幻2胡隆阳321有限元分析法FEA有限元分析法FEA，FINITEELEMENTANALYSIS是将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的近似解，然后推导求解这个域总的满足条件，从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段，应用最为广泛。有限元法是基于能量分布而不是基于描述平衡状态来求取微分方程的近似数值解，即用能量泛函极值的方法代替求解微分方程，它经过离散化将能量泛函求极值问题转化为能量函数的极值问题，从而把整个问题简化成求解一个代数方程组。因为电机电磁场的数值计算方法的其他方法已经在文献29中详细介绍了。江苏大学硕士学位论文322有限元分析的优点与其他方法相比有限元法有以下突出的优点1系数矩阵对称、正定且具有稀疏性，因而目前普遍采用不完全乔累斯分解共轭梯度法ICCG法结合非零元素压缩存储解有限元方程，可以节约大量的计算机内存和CPU时间。2处理第二类边界条件和内部媒质交界条件非常方便，对于第二类齐次边界条件和不具有面电流密度的媒质交界条件可以不作任何处理。对于多种材料组成、内部具有较多媒质分界面的电机电磁场来说，有限元方法非常适用。3几何剖分灵活，适于解决电机这类几何形状复杂的问题。4可以很好地处理非线性问题。5方法的各个环节统一，程序易于实现标准化。随着前后处理技术的发展，现在已经形成了一些功能齐全、便于操作的通用和专用软件，例如ANSYS、ANSOFL以及MAGSOFL软件等。本章将要阐述用有限元法计算开关磁阻电机电磁场的基本理论和方法。323有限元分析FEA的求解步骤对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和运算求解不同。有限元求解问题的基本步骤通常为第一步问题及求解域定义根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。第二步求解域离散化将求解域近似为具有不同有限大小和形状，且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小网络越细则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。第三步确定状态变量及控制方法一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。第四步单元推导对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，江苏大学硕士学位论文其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵结构力学中称刚度阵或柔度阵。为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。对工程应用而言，重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。例如，单元形状应以规则为好，畸形时不仅精度低，而且有缺秩的危险，将导致无法求解。第五步总装求解T将单元总装形成离散域的总矩阵方程联合方程组，反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数可能的话连续性建立在结点处。第六步联立方程组求解和结果解释有限元法最终导致联立方程组。联立方程组的求解可用直接法、选代法和随机法。求解结果是单元结点处状态变量的近似值。对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。简言之，有限元分析可分成三个阶段，前处理、处理和后处理。前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。33电机内电磁场的基本知识陉小洲咖嘲1麦克斯韦方程组是电磁场理论的基本方程，是研究电机电磁场的理论基础，它的微分形式如下媒质的特性方程为VH以以詈VE一017西VDPVB0D占E扣GE、，、，、，、，、，、，123456一一一一一一333333，L，KK，L，L，K江苏大学硕士学位论文曰饵或肛L，曰Y为磁阻率，材为磁导率，1，上述各式中的符号意义如下日磁场强度安米；豇传导电流密度安米3；E电场强度伏米3；曰磁通密度特斯拉，口涡流电流密度安米2P自由电荷的体密度库仑米3对于电机内的电磁场我们一般不考虑位移电流的影响，属于似稳场。所以上述各个式子可以表示为VH_，XBQ3738由A假设条件，应用矢量磁位彳为求解量，所以我们令矢量磁位4的旋度等于磁通密度矢量曰，且它的散度为零，即B2V439V彳O3一1034SR电机有限元法基本理论叫81嘲制制捌剜341开关磁阻电机物理模型的基本假设考虑到开关磁阻电机轴向长度远大于气隙长度，定子和转子铁心又都是高导磁硅钢迭片结构，因而可忽略电机轴向的端部效应，也不计涡流，从而可将其视为一个二维静态磁场问题，为了计算的方便，分析时作如下假设1由于求解区域有电流源存在，所以采用矢量磁位彳来研究目前二维电磁场计算大都采用磁矢位，因为使用磁矢位可以很方便的绘出磁力线分布并求出磁通；21因为开关磁阻电机磁场的对称分布所以取半圆域为求解区域；32江苏大学硕士学位论文3铁芯冲片各向同性，忽略铁磁物质的磁滞效应，即磁化曲线是单值的；4忽略电机的端部效应，磁场沿轴向均匀分布假设电流密度和矢量磁位只有轴向分量；5假设定子外圆与转子内圆表面为一零矢量磁位面；6采用直角坐标系。根据以上假设，开关磁阻电机内部磁场问题可以简化为图31，求解区域为FGHE的二维平面磁场Q。G图31六相1210SR电机的求解区域Q342开关磁阻电机物理模型的边界条件在应用有限元法求解SR电机电磁场时，应尽量缩小求解区域范围以减少求解时间，一般可取电机外侧表面作为边界面，这是一个人为强加的边界面。由于铁磁物质的磁导率远远大于空气磁导率，这种近似在工程上是合理的。一般情况下认为磁力线沿电机外侧表面闭合，这条边界属于第一类齐次边界，在很多情况下电机转轴的外表面也被取为第一类齐次边界。AI硒2AIELI20311开关磁阻电机基本的物理模型如图31所示，如果定子铁心十分饱和需考虑外部漏磁，这条人工边界应该适当地向外扩充。外移扩充范围没有十分严格的界限，因为这部分磁场很弱，衰减也很快。由于开关磁阻电机磁路结构和定子结构分布的对称性，再由它的磁场分布的对称性可以得到计算区域Q即区域FGHE的FE和GH两边界线上对应点的矢量磁位A和磁通密度历它们大小相等、方向相反，所以它们是半周期条件，334苏走学硕学口Z扁愈饿P掣昙OA一，。FGHE出砂砂AIM4IM20313一L。爿肼由此上述各式子町以求出唯一的解，根据求出的矢量磁位AX。力，利用BVA就可以算出所计算区域内任意点的磁通密度及其分布情况。343单元剖分、插值以及奎微分问题的离散化有限元法的实质是把连续场的问题变换成离散系统的问题来求解，凼此变微分问题的离散化，以及为实现离散化所采取的对连续场进行单元剖分和构造插值函数的方法是有限元法的核心内容。1网格剖分与运动问题的处理1网格剖分在对如图31所示的电机平面场进行单元剖分的时候，有四边形、三角形、矩彤等多种几何形状可以选择。因为进行三角彤单兀剖分的时候并三角形单兀的形状和大小都可以不同，灵活性很大，报容易使得单元格的疏密配置比较合理，并且很好得能够适应边界形状。所以目前广泛采用的是三角形单元，如图33所不。江苏大学硕士学位论文Y图33三角形单元的示意图网格剖分是有限元法求解的基础，离散网格的质量决定有限元计算的精度，一般来说，高质量的离散网格不仅要求有足够多的节点数，同时还必须保证疏密配置合理。有限元区域剖分应遵循下列原则1任一三角形的顶点必须同时是其相邻三角形的顶点，而不是相邻三角形边上的点，如下图所示34。2如果区域内媒质有间断，则三角形的边应落在媒质间的分界线上。3如果边界上有不同的边界条件，则三角形的顶点应落在不同边界的交接点上。4当边界线或内部的媒质分界线为曲线时，用相近的直线段代替；如曲线的曲率很大，则须多分几个直线段。5对于边界上的三角形，为了便于计算，不要使两条边同时落在第二类边界上。6三角形三边的边长一般不要相差太悬殊，但在磁场变化较小的方向上，三角形可相对长一些一般宜采用等边三角形。为了保证计算精度，并适当节约计算