基于ANSYS的開關(guān)磁阻電機(jī)靜態(tài)電磁分析

開關(guān)磁阻電機(jī)SRM（Switched Reluctance Machine）具有結(jié)構(gòu)簡單堅固、可靠性強(qiáng)、起動轉(zhuǎn)矩大、容錯性好等優(yōu)點(diǎn)，在礦山機(jī)械、電動汽車及航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-4]。但SRM工作過程是高度非線性的，無法嚴(yán)格列寫相電感和相電流的具體解析表達(dá)式，這給前期設(shè)計帶來很大困難。因此需要借助有限元軟件對SRM的電磁特性進(jìn)行分析。
本文采用ANSYS軟件的APDL語言建立三相12/8結(jié)構(gòu)SRM的二維有限元模型并對其靜態(tài)磁場特性進(jìn)行分析[5-7]。詳細(xì)敘述了幾何建模、網(wǎng)格剖分、載荷施加、邊界條件、求解及后處理等步驟，分析隨電機(jī)轉(zhuǎn)子位置變化的靜態(tài)磁場，獲得了電感、磁鏈及轉(zhuǎn)矩等數(shù)據(jù)。
1 有限元模型的建立及求解
整個電機(jī)建模過程分為前處理、求解及后處理3部分，如圖1所示。

1.1 模型建立
前處理過程是有限元分析電機(jī)磁場的一個重要過程。由于本文采用ANSYS軟件的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(yōu)點(diǎn)在于項目的可移植性強(qiáng)。在建立模型時，把項目中使用的電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸、電機(jī)的材料屬性等參數(shù)變量化，并根據(jù)不通過開發(fā)項目設(shè)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(fā)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(jī)尺寸、材料屬性等參數(shù)變量值即可，項目程序的可移植性非常強(qiáng)。
建立待建模電機(jī)的幾何模型是前處理過程的一種重要環(huán)節(jié)。建模的原則是由點(diǎn)生線，由線生面。由于SRM電機(jī)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，然后利用Agen命令語句進(jìn)行12份30°軸中心陣列，即可得到完整的12/8結(jié)構(gòu)SRM定子部分模型。同理，轉(zhuǎn)子部分亦可先建立一個轉(zhuǎn)子齒及其齒中心對稱線45°范圍內(nèi)模型，然后利用Agen命令語句進(jìn)行8份45°軸中心陣列，即可得到完整的12/8結(jié)構(gòu)SRM轉(zhuǎn)子部分模型。電機(jī)定子部分包括定子、繞組和靠近定子的一半定轉(zhuǎn)子間氣隙面積。轉(zhuǎn)子部分包括轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子齒間槽面積和靠近轉(zhuǎn)子的一半定轉(zhuǎn)子間氣隙面積。圖2所示為標(biāo)有AREA單元標(biāo)號的12/8結(jié)構(gòu)SRM的幾何模型。

模型建立后，即可按照實(shí)際電機(jī)特性對各AREA單元進(jìn)行賦材料屬性。完成此步驟后，即可進(jìn)行剖分操作。剖分操作時應(yīng)避免模型中出現(xiàn)尖角(如倒角部分)；避免模型中出現(xiàn)面積比過大的區(qū)域，如氣隙與周圍區(qū)域；避免模型中出現(xiàn)極不規(guī)則的形狀，如包括氣隙在內(nèi)的所有空氣區(qū)域。對電機(jī)而言，應(yīng)由氣隙開始剖分，即先進(jìn)行電機(jī)定轉(zhuǎn)子間的氣隙的剖分。圖3為電機(jī)剖分圖，其中圖4為定轉(zhuǎn)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(jī)磁場數(shù)據(jù)，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(jī)轉(zhuǎn)子部分作為一個旋轉(zhuǎn)組件，并設(shè)定一個旋轉(zhuǎn)角度變量，這樣每次程序執(zhí)行時只需要為該旋轉(zhuǎn)角度變量賦值，將此旋轉(zhuǎn)組件旋轉(zhuǎn)至相應(yīng)位置，而不需要重新編寫程序建立電機(jī)模型，最后將屬于轉(zhuǎn)子部分旋轉(zhuǎn)組件的氣隙圓環(huán)與屬于定子部件的氣隙圓環(huán)臨近單元合并，同時利用一個循環(huán)在繞組中加載不同電流即可求解出相應(yīng)位置時不同電流下的電感、磁鏈等電磁數(shù)據(jù)。這樣SRM在m種不同位置時n種電流下的磁場數(shù)據(jù)只需要經(jīng)過m次的程序計算即可。按照以上思想確定好位置循環(huán)和電流循環(huán)之間的關(guān)系后，一般把電流環(huán)嵌套于位置環(huán)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(jī)模型外沒有磁場分布。模型的求解器采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(shù)設(shè)為40。
2 仿真結(jié)果及分析
求解結(jié)束后，可以用菜單操作或者命令行顯示SRM在相應(yīng)位置及相應(yīng)相電流勵磁時的靜態(tài)磁場分布，如圖5所示為12/8結(jié)構(gòu)SRM在定轉(zhuǎn)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(yīng)圖5（a）定子齒和轉(zhuǎn)子齒對齊位置和圖5（b）定子齒和轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)、相磁鏈及轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)分別寫入L.dat、ψ.dat和T.dat文件中，打開后提取數(shù)據(jù)到專業(yè)繪圖軟件(如Origin)即可得到圖7～圖9所示的電機(jī)電感L(θ，i)、磁鏈ψ(θ，i)和轉(zhuǎn)矩T(θ，i)特性曲線簇。電感L(θ，i)、磁鏈ψ(θ，i)和轉(zhuǎn)矩T(θ，i)的數(shù)據(jù)可為MATLAB/Simulink等方法搭建SRM的動態(tài)性能分析模型提供參考數(shù)據(jù)。

本文詳細(xì)敘述了利用ANSYS軟件的APDL語言建立三相12/8結(jié)構(gòu)SRM的二維有限元模型進(jìn)行靜態(tài)電磁分析的幾何建模、網(wǎng)格剖分、載荷施加、邊界條件、求解及后處理等步驟，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子組件的自動旋轉(zhuǎn)并與定子組件單元耦合的功能。利用ANSYS軟件的APDL語言建立電機(jī)模型的程序可移植性強(qiáng)、求解效率高，計算結(jié)果對電機(jī)的靜態(tài)性能分析具有參考價值。
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