邱 銀， 郝潤科， 趙 龍， 王 磊

(上海理工大學(xué)光電信息與計算機工程學(xué)院，上海 200093)

0 引言

開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)是一種新型的機電一體化驅(qū)動裝置，由開關(guān)磁阻電機(Switched Reluctance Motor，SRM)、功率變換器、位置傳感器、控制器四個部分組成，具有結(jié)構(gòu)簡單，性能優(yōu)越，調(diào)速性能可靠等優(yōu)點，在電動車驅(qū)動、家用電器、航空工業(yè)等領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用前景。

由于SRM運行過程中的非線性特征，因此在它運行的過程中會有一些參數(shù)發(fā)生非線性變化(如繞組電感、電流等)，使得對這些參數(shù)的求解變得十分困難，但這些參數(shù)對電機調(diào)速又十分重要，對于這類問題，采用有限元的方法可有效解決這一問題。本文采用了Ansoft公司的RMxprt和Maxwell2D模塊，利用有限元分析對SRM的瞬態(tài)性能進行了分析，為SRM的設(shè)計優(yōu)化提供了依據(jù)。

1 電機模型的建立

以一臺12/8級的SRM為對象，利用RMxprt模塊構(gòu)建電機模型，然后利用Ansoft本身的功能將RMxprt中的模型導(dǎo)入Maxwell2D中，繼而生成SRM的二維模型。

電機的主要參數(shù)如表1所示，定、轉(zhuǎn)子材料選用的是DW360_50，具體的模型建立過程如下:

(1)將SRM的幾何尺寸和基本的電參數(shù)，加載到RMxprt的對話框中，由軟件自動生成二維模型，如圖1所示。

表1 12/8級的SRM主要參數(shù)

圖1 SRM的二維幾何模型

(2)將生成的SRM幾何模型導(dǎo)入Maxwell 2D中，并且分配電機材料屬性，為了分配繞組的方便及觀測磁連的直觀性，這里仍然取了電機的整體模型。如圖2所示。

圖2 SRM 2D模型

(3)定義計算的邊界條件和繞組的激勵源，其中定義激勵時采用外加電路激勵的方法。邊界采用狄里克萊邊界條件。

(4)確定電機鐵心的損耗參數(shù)。

(5)確定運動邊界限、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、有限元分析的時間步長，以及有限元的網(wǎng)格剖分。

完成了上述步驟之后就建立起了SRM的有限元分析模型，再利用Maxwell2D的瞬態(tài)模塊進行動態(tài)仿真。此循環(huán)導(dǎo)通，轉(zhuǎn)子就跟著定子繞組的通電順序，通過磁阻力的作用繞軸旋轉(zhuǎn)。

在功率變換器中(見圖3)由SRM等效線圈LPhaseA～LPhaseC，線圈電阻RA～RC，以及端部的漏感L1～L3構(gòu)成SRM一相的繞組，S1～S6為主開關(guān)管，它們的開通與關(guān)斷都受到驅(qū)動電路的控制，VD1～VD6是單向二極管，在觸發(fā)導(dǎo)通期間通過單向二極管向繞組供電。VD7～VD12是續(xù)流二極管，在觸發(fā)關(guān)斷期間通過續(xù)流二極管相電源回饋電能。V4為直流電源，C1為寄生電容。

圖3 功率變換器模型

2 功率電路和驅(qū)動電路模型的建立

Ansoft軟件可以定義外加電路，通過編輯外加電路，與Maxwell中的模型構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)，進而進行完整的仿真分析。外電路主要由功率變化器模型和驅(qū)動電路組成。由SRM的工作原理可知，通過改變導(dǎo)通角θon和關(guān)斷角θoff使A、B、C三相輪流導(dǎo)通，即在A相觸發(fā)脈沖到來時，S1、S2同時閉合，使得直流電源和A相繞組接通，在A相繞組中產(chǎn)生電流，繼而產(chǎn)生拖動力矩，同樣在A相觸發(fā)脈沖關(guān)斷時，S1、S2同時關(guān)斷，A相繞組電流通過續(xù)流二極管向電源回饋能量;并且在關(guān)斷A相脈沖之后觸發(fā)導(dǎo)通B相繞組，這樣如

由SRM的工作原理可知，主開關(guān)管的通斷主要由位置傳感器傳送回的轉(zhuǎn)子位置信號決定。角度位置控制的驅(qū)動電路如圖4所示。

圖4 驅(qū)動電路模型

V1～V3為受控電壓源，通過轉(zhuǎn)子的位置信號觸發(fā)脈沖信號，從而控制S1～S6依次導(dǎo)通。

3 仿真結(jié)果及分析

對于三相12/8級SRM有限元仿真，直流282 V供電，通過轉(zhuǎn)速與通電頻率之間的關(guān)系:n=60fφ/Nr，假定轉(zhuǎn)速為 3 450 r/min，計算得繞組的通電周期為0.002 s，以此為依據(jù)，改變導(dǎo)通角θon和關(guān)斷角θoff，從而優(yōu)化轉(zhuǎn)矩等參數(shù)。

利用RMxprt模塊并進行優(yōu)化分析，得出輸出功率和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系如圖5所示;電機效率、輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系如圖6所示;相電感和轉(zhuǎn)子位置的對應(yīng)關(guān)系如圖7所示。

由圖5可看出，轉(zhuǎn)速在約1 200 r/min時，輸出的功率是最高的，為3 600 W。事實上考慮到輸出平均轉(zhuǎn)矩T和轉(zhuǎn)速n的雙重因素，可以看出當(dāng)電機工作在額定轉(zhuǎn)速下，電機的輸出功率并不是最大。

由圖6可很明顯看出當(dāng)電機工作在額定轉(zhuǎn)速的情況下，電機的效率是最高的，可以達到85%以上，而在轉(zhuǎn)速過高或低速運行的情況下，電機的效率得不到充分發(fā)揮，進而浪費資源。

圖7 SRM的電感曲線

在SRM中，定子、轉(zhuǎn)子鐵心都是凸極結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子磁極與定子通電相的磁極相對位置不同時，磁場分布也不同，因而繞組電感也隨轉(zhuǎn)子磁極與定子磁極之間的相對位置變化而變化，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)子的位置角θ不斷變化，電機繞組的電感就在最大電感值Lmax和最小電感值Lmin之間周期變化，在圖7中，橫軸表示的是電角度，可以發(fā)現(xiàn)，電感曲線的底部寬度大于頂部寬度，即電感最小值的寬度大于最大值的寬度。這其實是由于轉(zhuǎn)子槽的弧度大于轉(zhuǎn)子極弧造成的。

由圖8和圖9可看出，SRM的起動電流非常大，過大的起動電流會燒壞電機的絕緣層，因此在實際應(yīng)用過程中要限制起動電流，通常采用電流斬波控制(CCC控制)，可避免過大的初始電流;在起動時，電機的輸出轉(zhuǎn)矩很大，因此SRM特別適用于電力機車等負(fù)載較重的場合。

在Maxwell2D仿真中，可以通過改變驅(qū)動電路中V1、V2、V3中的參數(shù)，來改變觸發(fā)角和關(guān)斷角，從而改善電機轉(zhuǎn)矩脈動。

利用不對稱半橋電路，設(shè)定轉(zhuǎn)子初始位置為15°，SRM工作于電動狀態(tài)。A相首先開通，通電順序為A→B→C，當(dāng)設(shè)定開通角θon=0°，關(guān)斷角θoff=15°，導(dǎo)通角θc=15°時，得到的轉(zhuǎn)矩波形如圖10所示。改變導(dǎo)通角θc時轉(zhuǎn)矩脈動會有一定的改善，當(dāng)θc=18°，轉(zhuǎn)矩波形如圖11所示，可以發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動明顯變小。

依據(jù)上述控制策略，得到電機的相電流，磁鏈等曲線分別如圖12、圖13所示。

觀察圖10發(fā)現(xiàn)，電機的輸出轉(zhuǎn)矩存在著很大的脈動，這是由于定、轉(zhuǎn)子雙凸極結(jié)構(gòu)，并且實際上電機電感曲線的非線性特征，磁路存在著高度飽和，這些因素都會導(dǎo)致SRM轉(zhuǎn)矩波動。一般而言，通過優(yōu)化開通角和關(guān)斷角(見圖11)，轉(zhuǎn)矩的脈動會得到一定的改善。

觀察圖12，繞組電流在通電的過程中確實處于上升段，但比較實際電流波形與理想電流波形，有一定的差距，這是因為在實際情況下，電感曲線并非線性變化，磁路存在著飽和，并且，繞組電流在收到自感影響的同時還受到相鄰繞組互感M的干擾，使得實際電流波形與理想情況相差甚遠。

仿真同時得出了在t=0.004s時的電機磁場和磁鏈的分布情況如圖14、圖15所示。

4 結(jié)語

本文利用RMxprt模塊建立了SRM模型，并在Maxwell2D環(huán)境下對SRM系統(tǒng)進行了仿真研究，得到電機工作在額定轉(zhuǎn)速時效率是最高的，但輸出功率卻不是最大的，同時通過改變觸發(fā)角和關(guān)斷角可以得到不同的轉(zhuǎn)矩脈動情況，也為在電機的控制上提供了依據(jù)。

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