基於ANSYS的開關磁阻電機靜態電磁分析

開關磁阻電機SRM（Switched Reluctance Machine）具有結構簡單堅固、可靠性強、起動轉矩大、容錯性好等優點，在礦山機械、電動汽車及航空航天等領域得到廣泛應用[1-4]。但SRM工作過程是高度非線性的，無法嚴格列寫相電感和相電流的具體解析表達式，這給前期設計帶來很大困難。因此需要藉助有限元軟體對SRM的電磁特性進行分析。
本文採用ANSYS軟體的APDL語言建立三相12/8結構SRM的二維有限元模型並對其靜態磁場特性進行分析[5-7]。詳細敘述了幾何建模、網格剖分、載荷施加、邊界條件、求解及後處理等步驟，分析隨電機轉子位置變化的靜態磁場，獲得了電感、磁鏈及轉矩等數據。
1 有限元模型的建立及求解
整個電機建模過程分為前處理、求解及後處理3部分，如圖1所示。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201612/328337.htm

1.1 模型建立
前處理過程是有限元分析電機磁場的一個重要過程。由於本文採用ANSYS軟體的APDL語言建立SRM的二維有限元模型，其相對菜單圖形用戶界面GUI（Graphical User Interface）操作的優點在於項目的可移植性強。在建立模型時，把項目中使用的電機結構尺寸、電機的材料屬性等參數變量化，並根據不通過開發項目設定賦具體的值。另外把項目文件名以及建模用的單元等信息放在程序前面部分。這樣，如果再開發另外一個類似項目時，只需要修改項目文件名、建模單元信息、電機尺寸、材料屬性等參數變量值即可，項目程序的可移植性非常強。
建立待建模電機的幾何模型是前處理過程的一種重要環節。建模的原則是由點生線，由線生面。由於SRM電機截面的對稱性，在建立模型時，定子部分可以先建立一個定子齒和繞在該齒上的線圈，然後利用Agen命令語句進行12份30°軸中心陣列，即可得到完整的12/8結構SRM定子部分模型。同理，轉子部分亦可先建立一個轉子齒及其齒中心對稱線45°範圍內模型，然後利用Agen命令語句進行8份45°軸中心陣列，即可得到完整的12/8結構SRM轉子部分模型。電機定子部分包括定子、繞組和靠近定子的一半定轉子間氣隙面積。轉子部分包括轉子、轉軸、轉子齒間槽面積和靠近轉子的一半定轉子間氣隙面積。圖2所示為標有AREA單元標號的12/8結構SRM的幾何模型。

模型建立後，即可按照實際電機特性對各AREA單元進行賦材料屬性。完成此步驟後，即可進行剖分操作。剖分操作時應避免模型中出現尖角(如倒角部分)；避免模型中出現面積比過大的區域，如氣隙與周圍區域；避免模型中出現極不規則的形狀，如包括氣隙在內的所有空氣區域。對電機而言，應由氣隙開始剖分，即先進行電機定轉子間的氣隙的剖分。圖3為電機剖分圖，其中圖4為定轉子氣隙部分剖分圖。

1.2 求解
若求解m種不同位置時n種電流下的電機磁場數據，需要分別建立m×n次模型一步一步地求解，非常繁瑣。為了提高計算效率，建立模型時，將電機轉子部分作為一個旋轉組件，並設定一個旋轉角度變量，這樣每次程序執行時只需要為該旋轉角度變量賦值，將此旋轉組件旋轉至相應位置，而不需要重新編寫程序建立電機模型，最後將屬於轉子部分旋轉組件的氣隙圓環與屬於定子部件的氣隙圓環臨近單元合併，同時利用一個循環在繞組中加載不同電流即可求解出相應位置時不同電流下的電感、磁鏈等電磁數據。這樣SRM在m種不同位置時n種電流下的磁場數據只需要經過m次的程序計算即可。按照以上思想確定好位置循環和電流循環之間的關係後，一般把電流環嵌套於位置環中為宜。
另外在定子軛部最外層的所有單元施加矢量磁位Az=0條件，確保電機模型外沒有磁場分布。模型的求解器採用直接波前法求解器，其命令語句為：「Eqslv, Front」。為了提高求解精度，每一個加載計算步的收斂迭代次數設為40。
2 仿真結果及分析
求解結束後，可以用菜單操作或者命令行顯示SRM在相應位置及相應相電流勵磁時的靜態磁場分布，如圖5所示為12/8結構SRM在定轉子對齊位置和不對齊位置時的磁力線分布圖。
圖6所示為對應圖5（a）定子齒和轉子齒對齊位置和圖5（b）定子齒和轉子槽對齊位置時的磁通密度矢量圖。

模型程序中，把在不同位置時不同電流的SRM相電感數據、相磁鏈及轉矩數據分別寫入L.dat、ψ.dat和T.dat文件中，打開後提取數據到專業繪圖軟體(如Origin)即可得到圖7～圖9所示的電機電感L(θ，i)、磁鏈ψ(θ，i)和轉矩T(θ，i)特性曲線簇。電感L(θ，i)、磁鏈ψ(θ，i)和轉矩T(θ，i)的數據可為MATLAB/Simulink等方法搭建SRM的動態性能分析模型提供參考數據。

本文詳細敘述了利用ANSYS軟體的APDL語言建立三相12/8結構SRM的二維有限元模型進行靜態電磁分析的幾何建模、網格剖分、載荷施加、邊界條件、求解及後處理等步驟，實現了轉子組件的自動旋轉並與定子組件單元耦合的功能。利用ANSYS軟體的APDL語言建立電機模型的程序可移植性強、求解效率高，計算結果對電機的靜態性能分析具有參考價值。
參考文獻
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