基于Ansoft的开关磁阻电机有限元分析与研究

河北工业大学硕士学位论文基于Ansoft的开关磁阻电机有限元分析与研究姓名：高洁申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：孙鹤旭20081101河北工业大学硕士学位论文基于Ansoft的开关磁阻电机有限元分析与研究摘要开关磁阻电机是近年来随着电力电子技术和控制技术的发展而诞生的一种特种电机，并以其结构简单、坚固、成本低廉、起动转矩大、效率高等优点，在许多领域得到了广泛的应用。利用电机电磁场理论和有限元法进行开关磁阻电机磁场分析与计算，在其研究中占据至关重要的地位，它是整个电机设计和运行性能分析的基础。由于开关磁阻电机结构与传统的交直流电机具有很大的差别，加之其显著边缘效应及高度的过饱和特性，以路的观点进行电机性能的理论分析便显出很大的局限性；相反地，以场的观点，全面、系统地分析电机性能，以便进行电机设计、性能分析及仿真计算，便显示出极大的优越性。本论文以开关磁阻电机电磁场的有限元分析为主题开展研究工作，在系统总结电机电磁场以及工程电磁场数值计算理论的基础上，基于工程电磁场有限元分析软件Ansoft，采用全场域的分析方法，对开关磁阻电机的磁场分布、静态特性等进行了大量的仿真分析与研究。一方面得出了开关磁阻电机在几个典型转子位置下的磁场分布图，并据此总结了电机内磁场的分布规律；另一方面绘制出了开关磁阻电机的非线性磁化曲线族，即ψ-θ-i关系曲线、电感曲线和静态转矩曲线等静态特性曲线。此外，本论文还分析了开关磁阻电机的稳态温升，建立了其等效磁网络模型，并对开关磁阻电机的稳态特性进行了仿真研究，计算出了电机在稳态运行情况下的相电流、磁链以及动态转矩等曲线。同时，针对开关磁阻电机运行过程中存在转矩脉动的缺点，本论文还讨论了其减振降躁的一些具体措施。由仿真结果可知，本论文所建立的开关磁阻电机二维有限元分析模型计算出的性能参数是比较准确可靠的，同时也说明本论文所提出的等效磁网络模型对SRM稳态特性的研究具有较高的精度，从而为对开关磁阻电机的工作原理和内部电磁关系作系统而详细的分析，研究其工作特点和内在规律，对开关磁阻电机性能校核与稳态特性研究以及进行有效的电机电磁设计工作提供了可靠的依据。关键词：开关磁阻电机，有限元分析，磁化曲线族，温升，稳态特性I基于Ansoft的开关磁阻电机有限元分析与研究FiniteElementAnalysisandResearchoftheSwitchedReluctanceMotorbasedonAnsoftABSTRACTWiththeadvanceofpowerandelectronictechnologyandprogressofcontroltechniquerecently,SwitchedReluctanceMotor(SRM)waspresentedinplentyofareas.Itiswidelyusedasitsadvantageofsimplestructure,greatstartingtorque,aswellashighefficiencyandsoon.TheanalysisandcalculationsofSRMmagneticfiledusingelectromagneticfieldtheoriesandfiniteelementanalysismakesagreatroleandsetsasolidbaseforthedesignandperformanceanalysisofSRM.DuetothestructuredifferencesbetweenSRMandtraditionalmotorsaswellasthecharacteristicsofedgeeffectsandoversaturationofSRM,Systematicallyandcompletelyanalysisofmotorperformanceusingtheviewoffieldhasagreatadvantagetotheviewofpath.ThispaperisdevotedtofiniteelementanalysisofmagneticfieldoftheSRM.DuetothemagneticfieldofSRMhasdistinctfluxfringeandintenselocalsaturationeffectonthestatorandrotorpoles，thispapersystematicallysummarizedthefundamentalprinciplesandthedevelopmentofelectromagneticfieldinthemotorandengineeringelectromagneticfieldanddoplentyofcalculationsofmagneticfielddistributionandstaticcharacteristicsofthemodelSRMadoptingwholefieldfiniteelementmethod(FEM)basedonAnsoftsoftware.TheresultsofsimulationhaveindicateddistributionmapofmagnetizationcurveonseveraltypicalrotorlocationandsummarizedtheprinciplefirstlyandsecondlyobtainedthenonlinearmagnetizationcurvesofSRMincludingψ-θ-icurveandsoon.TheresultsprovidereliabletheoryfoundationforthereasonableestablishmentofnonlinearmodelSRMandthefurtherexploitationandapplication.Inthispaper,theequivalentmagneticnetworkmoduleofSRMwasestablishedanditssteadystateperformancewassimulatedbythemagnetizationcurvesobtainedbyfiniteelementanalysis,obtainingtheactualcurrent,fluxanddynamictorquewaveformsonthesteady-stateoperation.Simultaneously,thispaperdiscussedsomeresolutionthevibrationandnoisereductionduetothetorquefluctuation.Fromthesimulatecurves,wecanconcludethatthecalculationresultsapproachedtotheactualmeasurevaluessothatthemodelswitchedreluctancemotorinthispaperwasprovidedwithhighlyprecisionandthereliablecapabilityparametersforthesteadystateperformanceofSRM.Furthermore,theabovediscussionsprovidepreciseandreliableanalysisforthedesignofSRM,verificationofperformance,steadystateperformanceanalysis,andremotecontroloftheswitchedreluctancemotor.Keywords:switchedreluctancemotor,finiteelementanalysis,magnetizationcurves,temperaturerise,steadystateperformanceII基于Ansoft的开关磁阻电机有限元分析与研究第二章电机电磁场分析理论基础电磁场的边值问题实际上是求解给定边界条件下的麦克斯韦方程组及由方程组演化出的其他偏微分方程问题。从求解的技术手段上来说，它可以分为解析求解和数值求解两大类。对于简单模型，有时可以得到方程的解析解。若模型复杂度增加，则往往很难获得模型的解析解。随着计算工具，特别是高速大容量电子计算机的发展，电磁场数值分析已深入到工业生产各个领域，解决问题的面越来越广，分析的问题也日趋复杂。电磁场数值分析是一门综合性的学科，涉及电磁场理论、数值分析、计算方法、计算机基础知识及高级语言等多个方面，但计算上存在着共性。如前所述，有限元法是一种常用的数值方法，并有相应的电磁软件问世，其中Ansoft公司的Maxwell2D/3D就是非常优秀的电磁分析软件之一。§2-1麦克斯韦方程组在19世纪中叶，麦克斯韦在总结前人工作的基础上，提出了适用于宏观电磁现象的数学模型，称之为麦克斯韦方程组，它是电磁场理论的基础。分析和研究电磁场的出发点是对麦克斯韦方程组的研究，包括这个方程组的求解与实验验证。麦克斯韦方程组实际上是由四个定律组成，分别为安培环路定律、法拉第电磁感应定律、高斯电通定律和高斯磁通定律[7]。1.安培环路定律无论介质和磁场强度H的分布如何，磁场中磁场强度沿任意一个闭合路径的线积分等于穿过该积分路径所确定的曲面的电流的总和，或者说该线积分等于积分路径所包围的总电流。这里的电流包括传导电流（自由电荷产生）和位移电流（电场变化产生）。该定律表达式如下：ΩΓΩDHdl(J)dSt∂=+∂∫∫∫ii（2.1）式中：Γ为曲面的边界；J为传导电流密度矢量（单位：A/mΩ2）；Dt∂∂为位移电流密度；D为电通密度（单位：C/m2）。2.法拉第电磁感应定律闭合回路中的感应电动势与穿过此回路的磁通量随时间的变化率成正比。用积分表示为：ΓΩBEdldSt∂=−∂∫∫∫ii（2.2）式中：E为电场强度（单位：V/m）；B为磁感应强度（单位：T或Wb/m）。3.高斯电通定律在电场中，不管电介质与电通密度矢量的分布如何，穿过任何一个闭合曲面的电通量等于这一闭合曲面所包围的电荷量。这里指的电通量也就是电通密度矢量对此闭合曲面的积分。该定律的积分形式可表示如下：DdSSVdvρ=∫∫∫∫∫i（2.3）式中：ρ为电荷体密度（单位：C/m3）；V为闭合曲面S所围成的体积区域。4.高斯磁通定律在磁场中，不管磁介质与磁通密度矢量的分布如何，穿过任何一个闭合曲面的磁通量恒等于零，这里指的磁通量即为磁通密度矢量对此闭合曲面的有向积分。高斯磁通定律的积分形式为：BdS0S=∫∫i（2.4）方程（2.1）至（2.4）构成了描述电磁场的麦克斯韦方程组。对上述四个积分方程，我们有必要指6河北工业大学硕士学位论文出它们对于描述电磁场问题时的侧重：（2.1）表明不仅传导电流能产生磁场，而且变化的电场也能产生磁场；（2.2）为推广的电磁感应定律，表明变化的磁场也会产生电场；（2.3）表明电荷以发散的方式产生电场；（2.4）说明磁力线是无头无尾的闭合曲线。由此可见，麦克斯韦方程组完整地描述了变化的电场和变化的磁场间相互激发、相互联系形成统一的电磁场。方程（2.1）至（2.4）还可以利用高斯定理和斯托克斯定理，导出微分形式的麦克斯韦方程组，分别对应下面的式（2.5）至（2.8），表达式为：DHJt∂∇×=+∂（2.5）BEt∂∇×=−∂（2.6）Dρ∇=i（2.7）B0∇=i（2.8）§2-2电磁场微分方程的一般形式电磁场的计算中，经常对上述这些偏微分进行简化，以便能够用分离变量法、格林函数法等解得电磁场的解析解，其解的形式为三角函数的指数形式以及一些用特殊函数（如贝塞尔函数、勒让得多项式等）表示的形式[8]。但工程实践上，要精确得到问题的解析解，除了极个别情况，通常是很困难的。于是只能根据具体情况给定的边界条件和初始条件，