基于Ansoft-Maxwell2D的开关磁阻电机起动性能仿真分析与实验研究-图文

中图分类号:TM352文献标志码:A文章编号:100126848(20090820019203基于Ansoft/Maxwell2D的开关磁阻电机起动性能仿真分析与实验研究杨泽斌,黄振跃,张新华(江苏大学电气信息工程学院,镇江212013摘要:为了获得良好电机的起动性能,基于Ansoft/Maxwell2D的仿真环境,建立了六相12/10极开关磁阻电机(SRM有限元仿真模型;仿真分析了关断角、开通角对电机起动性能的影响,并进了实验验证。研究结果为SRM及其控制系统的设计和优化提供了重要依据,有一定参考意义。关键词:开关磁阻电机;仿真;关断角;开通角;起动性能;实验;优化设计SimulationandAnalysisofStartingPerformanceofSwitchedReluctanceMotorBasedonAnsoft/Maxwell2DYANGZe2bin,HUANGZhen2yue,ZHANGXin2hua(SchoolofElectricalandInformationEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,ChinaAbstract:BasedonthesimulationenvironmentofAnsoft/Maxwell2D,Createdthefiniteelementmeth2od(FEMmodelsofswitchedreluctancemotor(SRMof12/10pole.Analysedandtheinfluenceofturn2offangleandturn2onangleonstartingperformanceofSRM.Theresultofsimulationcanbeavaila2bletodesignandoptimizethisnewtypemotorandcontrolsystem.KeyWords:Sreluctancemotor;Simulation;Turn2offangle;Turn2onangle;Startingper2formance;Experiment;Optimizedesign收稿日期:2008209201修回日期:2009201212基金项目:江苏省科技厅高新技术推广项目1SRM起动分析常见的四相(8/6SRM有一相绕组通电起动方式和两相绕组同时通电起动方式[123]。若不计相绕组间的磁耦合,两相同时通电的合成转矩可近似由同时通电相的各矩角特性相加求得,带负载能力增强,起动比较平稳;两相起动所需起动电流幅值明显低于单相起动,因此,通常采用两相全开通起动方式。起动方式的选择本质上由开通角和关断角的组合决定。六相12/10极结构的SRM可以采用两相与三相混合起动方式。其特点是起动转矩大、转矩脉动小[4]。2系统仿真模型建立利用Ansoft/Maxwell2D有限元软件进行具体分析时,一般分为前处理和后处理两个阶段。前处理阶段包括创建电机模型、定义材料属性、划分网格、定义边界条件并加载等[5];后处理阶段计算电机转轴所受电磁力、转矩以及将电机速度响应和内部磁场分布用图形直观表达。图1是在An2soft/Maxwell2D中创建的六相12/10极SRM有限元模型。该模型定义了电机的定、转子绕组和转轴、气隙等。定子绕组设定为铜材料;定、转子所用材料为DW470硅钢片。图2所示为该模型在Ansoft/Maxwell2D中的有限元网格剖分图(将所求解磁场域分为19058个单元。图112/10极SR电机有限元模型图2电机有限元模型网格剖分图3仿真分析311关断角对起动性能的影响基于Ansoft/Maxwell2D建立六相12/10极结构电机有限元模型并进行仿真分析。仿真斩波参考电流Iref=15A,滞环宽度为110A,开通角θon=0°,初始位置θ=111°[6]。图3给出了关断角θoff=10°空载起动时的仿真结果。从图3(b中可以看出,电流在进入电感上升区域已经达到最大斩波参考电流,并且一直到关断角。从图3(d看出,六相合成转矩波动性较大,相与相之间的转矩间隔较大,没有重叠,平均转矩偏小。这是由于12/10SRM的步进角为6°,转子角周期为36°,当开通角θon=0°、关断角时θoff=10°时,电机运行在单相或两相励磁模式,但是由于存在最小电感区域,所以两相产生转矩的区域没有重合。从图3(a的速度响应曲线看出,速度曲线波纹较大,波动比较大,不利于电机的平稳起动。为了获得较大平均转矩,提高起动性能,应该加大关断角,使得有更多的时间产生转矩,并且运行在多相同时励磁模式。图3θoff=10°时的仿真曲线为了便于比较关断角对瞬态起动性能的影响,图4(a给出了起动开始很短时间内对应于不同关断角的速度响应曲线。可以看出,刚起动时,关断角较大,相应起动速度越快,但是当转子角速度ω>10rad/s时,关断角θoff=18°的速度响应却比θoff=16°时慢,与θoff=14°的起动性能相近。这是由于随着速度增加,反电动势越来越大,当主开关器件关断时,电流下降速度变慢,进入电感减小区域,产生负转矩,使平均转矩减小,并且转矩波动增大,起动特性变差。从图4(b可知,关断角θoff=18°的空载转速比θoff=12°时低,θoff=16°时的空载转速最高,θoff=10°时的空载转速最低。这可以从图4(c、(d稳定运行时的合成转矩得出。θoff=16°时的合成转矩脉动小且平均转矩大,θoff=18°平均转矩小,空载转速高。从上面的分析可知,刚起动时应该在关断角最大起动,随着速度增加,应该适当减小关断角,使得平均转矩始终维持最大且脉动最小,使得电机快速平滑起动。图4不同关断角的速度、转矩响应曲线312开通角对起动性能的影响开通角也是开关磁阻电机的一个重要控制参数,对电机的起动和运行性能有重要影响。从上面分析可知,初始起动时关断角应该选择最大,这里选择关断角θoff=18°,斩波参考电流Iref=12A,滞环宽度为110A,初始位置角θ=111°。图5给出了开通角θon=2°时的仿真曲线,从图5(b看出相电流在进入电感上升区间,电流已经达到了参考电流,并且在最小电感区域斩波多次。从图5(c可知,随着速度上升,相转矩出现了负值。这与关断角有关,前面已经论述过。从图5(d可知,转矩迅速上升到一个大的范围,并且转矩脉动很小。这也反映在转速的响应曲线,转速上升很快,并且速度曲线比较平滑。图5θoff=2°的仿真曲线为了便于比较不同开通角对起动性能的影响,对θon=4°、θon=6°、θon=8°时的起动性能进行了仿真。各开通角下速度、转矩响应曲线如图6所示。图6(a为从加速开始的一个小的时间范围,可以看出开通角越小,速度上升越快,开通角越大,速度上升越慢。从图6(b可知,开通角越小,对应的空转速度越高。从图6(c、(d可知,稳态时开通角越小,合成转矩的平均值越大,并且脉动小;所以随着速度的上升,由于反电动势越大,电流变化率减小,电流不能迅速地达到参考电流,这时应该逐渐地减小开通角,使得电流有更多的时间来达到最大值。图6不同开通角对应的速度、转矩响应曲线从上面的仿真结果可看出,开关磁阻电机采用电流滞环控制起动时,应该选择一个合适的开通角和关断角组合,相比而言,低速时开通角影响较小,但也应该合适选择,这样可以减小开关损耗,提高效率;关断角对起动性能的影响较大,需要精心选择。4试验结果与分析在12/10极SR电机起动实验过程中,采用了电流斩波(CCC+固定开通、关断角的角度位置控制方式。图7给出了电机在几种固定开通、关断角下、不同转速斩波起动相电流和母线电流的实验波形。从图7可以看出,不同的固定开通、关断角对其母线电流的影响较大。在速度基本相同情况下,0°~12°开通时母线电流要小于0°~18°。这是因为0°~12°开通时绕组续流时间要比0°~18°时间长,对于母线电流来说所产生的负电流要大一些,与仿真结论一致。另外,在低速运行时电机的运动电势对相电流影响较小,在关断时相电流下降很快,不会造成换向困难而降低系统效率。全角度起动控制策略实现方便,通过优化设计可使得电机起动转矩大,起动电流小。5总结本文利用Ansoft公司的maxwell2D建立了六相12/10极结构的开关磁阻电机有限元仿真模型,并对系统进行了仿真研究与实验验证。结果准确地反映了开关磁阻电机开通角和关断角对系统起动性能的影响,为SRM的优化设计、减少脉动转矩和提高起动转矩提供了一定参考依据。(下转第56页5结论由于爪极发电机控制系统是多参数耦合的系统,采用简单的PI调节很难满足要求。建立了基于模糊自适应PI的汽车用混合励磁爪极发电机控制系统,根据发电机的输出电压来调节励磁绕组中励磁电流的大小,从而实时调节发电机的输出电压,使输出电压始终稳定在一定范围内。参考文献[1]L.Vido,Y.Amara,M.Gabsi,etal.ComparedPerformancesofHomopolarandBipolarHybridExcitationSynchronousMachines[C].TheFourtiethIASAnnualMeetingIndustryApplicationsConference,2005,(3:155521560.[2]YangChengfeng,LinHeyun,LiuXiping,etal.AnalysisandExperimentalInvestigationforField2controlCapabilityofaNovelHybridExcitationClaw2poleSynchronousMachine[C].The7thInternationalConferenceonPowerElectronicsandDriveSystems,2007:1962201.[3]FuXinghe,ZouJibin.DesignandAnalysisofaNovelHybridExcitationSynchronousGenerator[C].The3rdIEEEConferenceonIndustrialElectronicsandApplications,2008,207422077.[4]ThomasFinken,KayHameyer.StudyofHybridExcitedSynchro2nousAlternatorsforAutomotiveApplicationsusingCoupledFEandCircuitSimulationsConditions[J].IEEETrans.onMagnet2ics,2008,44(6:159821601.[5]NicolasPatin,LionelVido,EricMonmasson,etal.ControlofaHybridExcitationSynchronousGeneratorforAircraftApplica2tions[J].IEEETrans.onIndustryApplications,2008,55(10:377223783.[6]田铭兴,励庆孚,李文富.带整流负载同步发电机的Matlab建模和仿真[J].西安交通大学学报,2003,37(2:1322135.[7]罗国云,严东超,张海荣.同步发电机励磁调节系统建模与仿真[J].微特电机,2003,31(3:19220.[8]林伟杰,郑灼,李兴根,等.模糊自适应PI控制永磁同步电机交流伺服系统[J].中小型电机,2005,32(3:10213.作者简介:倪有源,男,从事电机设计技术研究。(上接第21页参考文献[1]吴建华.开关磁阻电机设计与应用[M].北京:机械工业出版社,2000.[2]C.C.Chan.StudyofStartingPerformanceofswitchedReluc2tanceMotors[J].IEEE,1995:1742179.[3]J.W.Ahn,S.G.Oh,J.W.Moon,Y.M.Hwang.AThr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