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文档简介

1、微特电机2009年第3期D设计分析esi gn and ana lysis 在开关磁阻平面电机结构设计中的应用31收稿日期:2008-08-06M axwell 3D 在开关磁阻平面电机结构设计中的应用李更新,马春燕,陈燕,王振民(太原理工大学,山西太原030024摘要:利用Max well 3D 电磁场有限元分析软件对开关磁阻平面电机结构进行优化设计。对两种电机结构(动子宽齿结构、动子等齿结构进行3D 静磁场建模与仿真,获得磁场分布特性和电磁推力特性。仿真结果表明,等齿结构与宽齿结构相比,饱和程度低,而且等齿结构电磁推力的最大值较大,可控范围宽,即等齿结构要优于宽齿结构。仿真结果为电机结构设

2、计和研制提供了一定的理论依据。关键词:开关磁阻;平面电机;有限元;Max well 3D中图分类号:T M 352文献标识码:A 文章编号: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引言电机电磁参数、运行性能分析与计算方法都是采用的平均磁路的概念。但随着计算机性能的提高和新计算方法的不断涌现,在电机分析中出现了一个崭新的研究领域-电机电磁场数值分析方法。它的出现为特殊结构电机的设计、电磁参数的计算、运行性能的分析开辟了新的途径1。美国Ans oft 公司的Max well 3D 软件就是一种功能强大、计算精确的电磁场有限元数值分析软件,本文以此为分析工具,对开关磁阻平面电机(以下简称SRP M 的磁场分布、电磁特性进行仿真,从而为该电机的具体

7、结构尺寸的确定提供依据。1结构与工作原理SRP M 由定子、动子以及动子线圈组成,可以看成是由旋转开关磁阻电动机沿径向剖开,再沿x 和y 方向延展而形成的电机,动子铁心上绕有集中绕组,在x 、y 方向上各有三相,且两个方向上的动子互相垂直,电机结构如图1所示。其工作原理同旋转的开关磁阻电动机一样,仍然遵循“磁阻最小原理”,当对某相绕组通电,定子与动子之间通过气隙将产生电磁力,这个电磁力使磁通通路的磁阻尽量变小,并驱动动子到达磁路磁阻最小的位置(即动子凸极与定子凸极的中心线完全重合,如果连续顺序给各相动子绕组通电,就可以形成持续的电磁力,实现平面运动2。图1SRP M 本体结构由于SRP M 是

8、双凸极结构,其定子和动子的极数、齿宽对电机的性能有至关重要的影响。SRP M 的定子是由基本定子块互相插接而形成的网状结构,为保证在x 、y 方向磁路的一致性,简化磁路结构,降低加工成本,所有基本定子块的结构完全一致,而且齿槽是等宽的,即定子齿宽等于定子槽宽。定子与动子之间的气隙也是一个非常重要的参数,它对电机运行性能的影响较大。若选取较大的 在开关磁阻平面电机结构设计中的应用32间隙,则需要增大励磁电流, 而励磁功率也随之增大,但是,受加工工艺的限制,间隙又不可能选择过小。在SRP M 结构设计中,动子绕组均为集中独立绕组,不存在相间耦合,同时动子绕组在x 、y 方向互相垂直,这种结构使两个

9、方向上的磁场也不存在耦合,可以实现两个方向的独立控制;其次是动子槽宽与齿宽的确定,传统的旋转开关磁阻电动机是宽齿结构,即转子极弧要比定子极弧略大,所以最初设计思路也是采用宽齿结构,即动子齿宽大于槽宽。但等齿结构(动子齿宽等于定子齿宽是一个临界设计状态,有必要对该结构特性进行分析;最后,当动子尺寸确定后,要保证动子在任何位置下都具有正、反方向的自起动能力,实现正常运行,则相间距要保证当某一相定、转子处于齿对齐位置时,相邻一相的动子齿与定子齿必须有一定的重叠,相间距t 根据下式来确定3:t =3n +13-W t (n =1,2,3(1式中:t 为动子相间距;为动子极距;W t 为动子齿宽。本文通

10、过有限元数值分析软件Max well 3D 对宽齿结构和等齿结构分别进行建模仿真,分析这两种结构对电机特性的影响。2有限元分析采用Max well 3D 可以对任意几何结构的系统进行三维电磁特性计算分析,可以大大降低甚至消除直接制作样机带来的资金和时间的压力。内嵌的实体建模能力和自动宏记录功能,使建模过程变得非常简单。领先的自动自适应剖分技术保证产生优化的剖分结果,而无需人工干预4。2.1几何建模首先,建立SRP M 的三维实体模型。模型包括定子、动子铁心、动子线圈、求解区域,以及用于设置激励的线圈终端。在Max well 3D 下的几何建模器中分别建立宽齿结构和等齿结构两种模型。动子结构如图

11、2所示,其具体参数如表1所示。定子结构相同,定子齿宽6mm ,极距12mm ,槽深6mm 。图2动子结构示意图表1动子尺寸参数动子宽齿结构动子等齿结构动子齿宽W t p /mm6.26动子槽宽W ts /mm 5.86动子槽深h t p /mm 66动子极距t /mm 1212极轭宽度W c /mm 88极轭高度h c /mm 88动子高度L t /mm 3535动子宽度W t /mm 42.242动子长度L t /mm 4242相间距t /mm9.8102.2定义材料属性、设定边界条件和网格划分设置求解区域为空气;自定义定子与动子铁心材料为DW 360硅钢片;动子线圈为实体导体铜。给动子线圈

12、终端施加电流激励。设置定子线圈然后设置动子的边界条件为绝缘。采用自适应网格划分,设定最大误差不超过0.7%。3仿真结果分析3.1宽齿与等齿结构磁密比较表2为励磁电流5A 时动子在不同位置下的磁密值。表2不同动子位置下的磁密值宽齿结构等齿结构0mm极身0.47561T 0.32155T 极轭 1.0695T 0.72344T 极尖 1.9010T 1.2861T 3mm 极身0.78292T 0.4723T 极轭 1.7614T 1.0619T 极尖 3.1312T 1.8873T 6mm 极身0.65828T 0.68118T 极轭 1.4806T 1.5319T 极尖2.6318T2.723

13、0T从表2可见,由于SRP M 的双凸极结构,从动子齿中心线与动子槽中心线重合位置(0mm 到动子齿中心线与定子齿中心线重合位置(6mm ,铁心极身和轭部的饱和程度逐渐增加,而且极尖磁密很容易产生饱和,宽齿结构要比等齿结构更容易发生饱和。3.2宽齿与等齿结构电磁推力比较励磁电流5A 时,宽齿结构与等齿结构电磁推力特性比较如图3所示。两条特性曲线趋势一致,在动子齿中心线与动子槽中心线重合位置(0mm 时,电磁推力均最小;在动子齿与定子齿重合50%(3mm 时,电磁推力均达到最大值;在动子齿中心线与定子齿中心线重合位置(6mm 时,电磁推力均最小。但等齿结构的曲线要比宽齿结构的曲线要高,即对于任何

14、特定位置等齿结构产生的电磁推力要大。因此,要达到某一推力,等齿结构的控制区域要比宽齿结构的控制区域要大。(下转第44页 滑模控制的无速度传感器最优转矩控制44从仿真实验结果看,该控制系统相比于P I 速度调节系统的速度响应曲线收敛速度较快,超调量小,速度/位置的估算静差较小,该算法在相同的定子电流条件下,与I d =0控制相比,电机能输出更大的电磁转矩,可实现无速度传感器全速起动、运行。6结语本文提出了一种P MS M 模型参考自适应无速度传感器速度辨识方案及滑模变结构速度调节策略应用于最优转矩矢量控制系统中,提高了系统的稳定性、快速性及抗干扰能力的自适应性。仿真结果表明该算法快速,易于实现且

15、增加了系统的鲁棒性,这种方法能准确地检测转子实际速度和位置,是一种有效的P MS M 无速度传感器检测方法。参考献文1王庆龙,张崇巍,张兴.基于变结构模型参考自适应系统的永磁同步电动机转速辨识J .中国电机工程学报,2008,28(9:71-75.2赵德宗,张承进,郝兰英.一种无速度传感器感应电机鲁棒滑模控制策略J .中国电机工程学报,2006,26(22:122-127.3尚喆,赵荣祥,窦汝振.基于自适应滑模观测器的永磁同步电动机无位置传感器控制研究J .中国电机工程学报,2007,27(3:23-27.4孙海军,郭庆鼎,高松巍.系统辨识法永磁同步电动机无传感器控制J .电机与控制学报,20

16、08,12(3:244-247.5齐放,邓智泉,仇志坚.一种永磁同步电动机无速度传感器的矢量控制J .电工技术学报,2007,22(10:30-34.6秦峰,贺益康,贾洪平.基于转子位置自检测复合方法的永磁同步电动机无传感器运行研究J .中国电机工程学报,2007,27(3:13-17.7林平,胡长生,李明峰.基于模型参考自适应系统算法的速度估算核的研制J .中国电机工程学报,2004,24(1:118-123.8高菲,潘松峰,王晓磊.永磁同步电动机的完全滑模变结构控制J .微特电机,2008,(3:33-35.9李长红.P MS M 调速系统中最大转矩电流比控制方法的研究J .中国电机工程学

17、报,2005,25(21:169-174.10孙笑辉,张曾科,韩曾晋.基于直接转矩控制的感应电动机转矩脉动最小化方法研究J .中国电机工程学报,2002,22(8:109 -112.11李耀华,刘卫国.永磁同步电动机直接转矩控制系统的最大转矩电流比控制J .微特电机,2007,23(1:23-26.作者简介:王巍(1975-,女,硕士,研究方向为电力电子与电力传动。(上接第32页图3电磁推力特性比较4结语在介绍SRP M 结构和工作原理的基础上,通过对比分析,对两种动子结构下的磁场分布以及电磁推力进行比较。通过计算分析可以发现,动子齿槽结构对电机磁场分布和电磁推力具有一定影响。就静特性而言,等齿结构要优于宽齿结构,具有饱和程度低、电磁推力大、可控范围宽等优

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