戴 婷，李 軍

（1.浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院,浙江 杭州 310018；2.臺(tái)州學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000）

Ansoft在外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機(jī)仿真設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

戴 婷1，李 軍2＊

（1.浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院,浙江 杭州 310018；2.臺(tái)州學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000）

開關(guān)磁阻電機(jī)具有雙凸極結(jié)構(gòu)，工作于開關(guān)狀態(tài)，依靠磁阻轉(zhuǎn)矩工作，其電磁關(guān)系具有高度非線性。本文利用電磁場有限元分析軟件Ansoft，對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)行瞬態(tài)電磁場分析。并通過仿真實(shí)例，介紹了外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機(jī)的建模與仿真過程，分析了仿真過程中出現(xiàn)的常見問題，提出了具體的解決方法與步驟。

Ansoft軟件；外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機(jī)；仿真分析；

1 引言

開關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）是一種新型電機(jī)，已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，但是由于其雙凸極結(jié)構(gòu)，磁路、電路的非線性，使得要準(zhǔn)確分析其性能比較復(fù)雜。為了能在樣機(jī)制造出來之前對(duì)所設(shè)計(jì)的電機(jī)進(jìn)行性能估計(jì)，對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)行較為準(zhǔn)確的電磁場仿真是非常必要的。近年來，在此類電機(jī)的設(shè)計(jì)中，基于有限元方法的Ansoft軟件，應(yīng)用越來越普遍。

現(xiàn)有的基于Ansoft的SRM仿真文獻(xiàn)大多只提供仿真結(jié)果，而多數(shù)讀者很希望了解仿真的具體步驟，以及常見問題的詳細(xì)解決方法。本文結(jié)合筆者在外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機(jī)仿真時(shí)的經(jīng)驗(yàn)，介紹了Ansoft在開關(guān)磁阻電機(jī)仿真中的詳細(xì)過程，特別列出了仿真過程中容易出現(xiàn)的問題及解決方法。

Ansoft軟件模型庫只提供內(nèi)轉(zhuǎn)子SRM，文獻(xiàn)資料大多也只介紹內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)的仿真設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在外轉(zhuǎn)子SRM等電機(jī)的應(yīng)用越來越普遍，對(duì)外轉(zhuǎn)子電機(jī)的仿真設(shè)計(jì)變得尤為重要。但關(guān)于外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機(jī)方面的資料較少，許多從事該方向研究的技術(shù)人員在使用該軟件時(shí)常常被一些問題所困擾。因此本文對(duì)外轉(zhuǎn)子型的開關(guān)磁阻電機(jī)及直流無刷電機(jī)等的仿真均有一定的參考價(jià)值。

2 AutoCAD模型導(dǎo)入Ansoft

Step1在AutoCAD中畫出外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機(jī)定轉(zhuǎn)子沖片圖。CAD圖紙采用的模板最好不要用國標(biāo)模板，否則導(dǎo)入Ansoft后，將無法看到電機(jī)沖片。因?yàn)閲鴺?biāo)模板的圖層均為中文名稱，而Ansoft軟件不能識(shí)別中文。然后將AutoCAD中的圖形打散，模型建好后將其另存為AutoCAD2000/LT2000格式的圖形文件。太高的CAD版本，Ansoft可能也不識(shí)別。

Step2啟動(dòng)Ansoft并建立新的項(xiàng)目文件。先執(zhí)行Project/Insert Maxwell 2D Design命令，再執(zhí)行Maxwell 2D/Solution Type命令，在彈出的求解器對(duì)話框中選擇Magnetic欄下的Transient求解器，Geometry Model選擇Cartesian XY，即直角坐標(biāo)系。

Step3執(zhí)行modelor/import，選擇剛剛保存的CAD文件，打開。

如果，導(dǎo)入之后依舊看不到圖形。對(duì)此，首先，檢查CAD圖紙是不是采用的國標(biāo)圖紙，如是改為非國標(biāo)圖紙；其次，檢查導(dǎo)入的CAD圖形是不是在單一圖層下。如不在同一圖層下，將AutoCAD中的圖層改為同一個(gè)圖層，即可；最后，考慮AutoCAD中所畫的圖形是不是不閉合，將AutoCAD中的圖重新檢查一下。

3 創(chuàng)建電機(jī)幾何模型

由于導(dǎo)入的模型，有些線面無法選擇，導(dǎo)致編輯困難，需要重新整理。根據(jù)導(dǎo)入的模型，利用Draw Line和Draw 3 point arc、center point arc等命令描線。

確認(rèn)圖形描線結(jié)束后，將工程樹欄中由CAD導(dǎo)入電機(jī)的底層線刪除。最終的開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

圖1 開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural drawings of SRM

由于Ansoft最后是對(duì)面進(jìn)行操作，因此需要將建立的定子與繞組創(chuàng)建面域。首先選中定子和繞組分別執(zhí)行Modeler/Boolean/Unite命令，將所有邊連為一個(gè)整體。執(zhí)行Modeler/Surface/Cover lines命令，生成定子與繞組面域。

3.1 建立轉(zhuǎn)子面域模型

在進(jìn)行靜磁場與渦流場分析時(shí)，由于不需要考慮電機(jī)轉(zhuǎn)子區(qū)域的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，故只建立一個(gè)包含整個(gè)電機(jī)求解域的外層面域即可。而進(jìn)行二維瞬態(tài)磁場分析時(shí)，需要區(qū)分出運(yùn)動(dòng)部分與靜止部分，因而需要多建立一個(gè)轉(zhuǎn)子面域。

將外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機(jī)簡化為僅有外轉(zhuǎn)子面域、空氣隙面域和定子面域組成的模型。如圖2所示。

圖2 外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機(jī)面域分布圖Fig.2 Three regions of outer Outer Rotor switched reluctance motor 1代表定子面域；2代表空氣隙面域；3代表轉(zhuǎn)子面域

Step1建立內(nèi)層面域，執(zhí)行Draw/Circle命令，繪制圓，選擇新生成的圓，執(zhí)行Modeler/Surface/ Cover lines命令建立定子內(nèi)層面域。內(nèi)層面域，與定子外圓一樣大。

Step2建立外層面域，建立兩個(gè)同樣的外層面域，其中一個(gè)作減法，生成Band面域用。

Step3建立空氣隙面域，空氣隙面域的直徑介于定子與轉(zhuǎn)子之間，剛好在空氣隙內(nèi)。

Step4用一個(gè)外層面域和空氣隙面域相減。先選中外層面域，再按住Ctrl鍵的同時(shí)選中空氣隙面域，執(zhí)行Modeler/Boolean/Subtract命令。被減數(shù)是外層面域，減數(shù)是空氣隙面域，最下方的Clone tool objects before subtracting前不打勾。由此生成Band面域，Band面域用于分離靜止部分與運(yùn)動(dòng)部分。

由于并不是求解整個(gè)開關(guān)磁阻電機(jī)模型，需要使用主從邊界條件，Band面域不能與靜止部分和運(yùn)動(dòng)部分接觸（邊接觸）。

4 基本定義及設(shè)置

4.1 材料定義及分配

由于所需要的一些材料，在默認(rèn)的材料庫中并不包括，這些材料包含在sys［RMxprt］中，因此需要將此材料導(dǎo)入到材料設(shè)置中。執(zhí)行Tools/Configure libraries命令，在彈出的對(duì)話框的左側(cè)將RMxprt選中，將其添加到右側(cè)Configures Libraries框中，單擊OK按鈕確認(rèn)。

需要指定的材料屬性：內(nèi)外層面域及Band材料屬性——空氣，繞組coil——Copper，定子和轉(zhuǎn)子——DW465_50

4.2 激勵(lì)源與邊界條件定義和加載

Step1繞組分相，根據(jù)幾何對(duì)稱原則。本例：共3相，每相有4個(gè)繞組串聯(lián)。

本例：選擇A正向線圈，執(zhí)行Maxwell 2D/Excitations/Assign/Coil命令，線圈激勵(lì)源設(shè)置對(duì)話框彈出，在Base Name中輸入PA，定義為A相的正向線圈。導(dǎo)體數(shù)為65，Polarity設(shè)置中選擇Positive。選擇A負(fù)相繞組，執(zhí)行同樣的命令，線圈激勵(lì)源設(shè)置對(duì)話框彈出，在Base Name中輸入NA，代表A相負(fù)向線圈。導(dǎo)體數(shù)為80，Polarity設(shè)置中選擇Negative。相同步驟設(shè)置出B相繞組和C相繞組。

Step3右擊項(xiàng)目管理器的Excitations，彈出菜單，選擇Add Winding，設(shè)置繞組對(duì)話框中的信息。

本例：將繞組名設(shè)置為PhaseA，Type項(xiàng)設(shè)置中選擇電流，選擇導(dǎo)線Stranded，并聯(lián)支路數(shù)設(shè)置為1。

Step4右擊項(xiàng)目管理器中Excitations下的PhaseA選項(xiàng)，在彈出的下拉菜單中選擇Add Coils選項(xiàng)，在彈出增加端口設(shè)置對(duì)話框，選擇屬于A相的4個(gè)繞組，單擊OK按鈕，將其加入到PhaseA中。相同步驟設(shè)置B相和C相繞組。

Step5加載邊界條件。二維電磁場的邊界條件是對(duì)邊界線進(jìn)行操作的，首先右擊彈出菜單，選擇select edges命令。選中外部的圓弧，執(zhí)行Maxwell/Boundaries/Assign/VectorPotentiall，施加磁通平行條件。

4.3 外電路模型的建立

Step1建立好外電路，右擊項(xiàng)目管理中的Exitations項(xiàng)，選擇External Circuit/Edit External Circuit，彈出電路與有限元連接設(shè)置對(duì)話框。

Step2單擊Edit Circuit按鈕直接進(jìn)入電路編輯器進(jìn)行電路編輯。

Step3打開建立的外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模型，執(zhí)行Maxwell Circuit/Export Netlist命令，網(wǎng)絡(luò)列表文件以sph的形式導(dǎo)出，保存在相應(yīng)的位置。

Step4電力網(wǎng)絡(luò)列表文件生成后，在Maxwell計(jì)算模塊的外電路設(shè)置對(duì)話框中選擇Import Circuit，將生成的電路網(wǎng)絡(luò)列表文件導(dǎo)入到激勵(lì)中。本例控制電路總圖如圖3所示。

圖3 外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機(jī)的控制電路總圖Fig.3 Total control circuit diagram of outer Outer Rotor switched reluctance motor

4.4 運(yùn)動(dòng)選項(xiàng)設(shè)置

二維瞬態(tài)磁場主要針對(duì)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)的磁場變化而言。在瞬態(tài)磁場分析中，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)設(shè)置是通過運(yùn)動(dòng)設(shè)置選項(xiàng)來完成的。

Step1在已建好的模型中選中Band面域，右擊項(xiàng)目管理器中Model彈出菜單選項(xiàng)，選擇Motion setup/Assign Band。在運(yùn)動(dòng)設(shè)置對(duì)話框中包含運(yùn)動(dòng)類型，數(shù)據(jù)信息，機(jī)械信息三個(gè)選項(xiàng)。類型選項(xiàng)中Motion項(xiàng)選擇Rotation旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)圍繞坐標(biāo)系為整體坐標(biāo)系即Global：Z，運(yùn)動(dòng)方向選擇Positive，即逆時(shí)針方向。

本例：在運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)信息中的Initial Position初始位置選項(xiàng)中，設(shè)置旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的初始位置角為2 deg。在機(jī)械數(shù)據(jù)信息中，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置為500rad/min。

4.5 求解選項(xiàng)參數(shù)設(shè)定

Step1力與力矩設(shè)置。在瞬態(tài)磁場分析中，通過執(zhí)行Maxwell 2D/Parameter/Assign/Force命令和Maxwell2D/Parameter/Assign/Torque命令，在彈出的力及力矩設(shè)置對(duì)話框中對(duì)力與力矩的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。由于在瞬態(tài)磁場分析處理后可以得到力矩與時(shí)間、位置之間的函數(shù)關(guān)系，因此，瞬態(tài)求解對(duì)于力及力矩參數(shù)可不設(shè)置。

Step2網(wǎng)格剖分設(shè)置。執(zhí)行Maxwell 2D/Mesh Operation/Assign/On selection命令進(jìn)行剖分設(shè)置。

Step3求解設(shè)定。執(zhí)行Maxwell 2D/Analysis Setup/Add Solution setup命令設(shè)置求解終止時(shí)間和求解時(shí)間步長，選擇Save Fields項(xiàng)，在Type選項(xiàng)中選擇線性步長Linear Step，然后單擊Add to list按鈕，將具體設(shè)置增加到時(shí)間菜單中。

5 求解及后處理

執(zhí)行Maxwell 2D/Validation check命令，彈出自檢對(duì)話框，自檢正確完成后，執(zhí)行Maxwell 2D/ Analysis all命令，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)如下錯(cuò)誤：

Maxwell2d solver, process solver2d error： Internal Solver Error：'Geometry does not comply with pure rotation motion!（ErrAngle=31.0543 degree）'.

錯(cuò)誤提示我們“幾何不符合純旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)”，首先本例是外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機(jī)，瞬態(tài)電磁場分析主要針對(duì)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)的磁場變化而言。在瞬態(tài)磁場分析中，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)設(shè)置是通過運(yùn)動(dòng)設(shè)置選項(xiàng)來完成的。本例中設(shè)置的運(yùn)動(dòng)圍繞坐標(biāo)系為整體坐標(biāo)。但是當(dāng)我們打開工程樹欄，發(fā)現(xiàn)坐標(biāo)系有多個(gè)。這是由于在我們建立面域時(shí)，沒有將繪圖坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為柱坐標(biāo)系后再執(zhí)行Draw/Arc命令。

解決方案：打開工程管理欄Model，雙擊MotionSetup1，在Moving選項(xiàng)中選擇一個(gè)中心在坐標(biāo)原點(diǎn)的即可。

6 仿真結(jié)果

本文中樣機(jī)的額定數(shù)據(jù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。開關(guān)磁阻電機(jī)用用6/8極結(jié)構(gòu)。各相導(dǎo)通順序?yàn)锳—C—B—A，每相導(dǎo)通15°，周期為45°。

表1 樣機(jī)的額定數(shù)據(jù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)Table.1 Rated data and structural parameters of the prototype

經(jīng)仿真運(yùn)行，本例外轉(zhuǎn)子SRM定轉(zhuǎn)子磁場分布如圖4，由圖可知，其磁場分布基本合理，且最大磁場密度不超過1.4T，符合開關(guān)磁阻電機(jī)設(shè)計(jì)范圍。在設(shè)定轉(zhuǎn)矩為9.5N.m時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速變化如圖5，仿真顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速最后穩(wěn)定在250rpm，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。

圖4 外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機(jī)磁場分布圖 Fig.4 flux line distribution

圖5 轉(zhuǎn)速—時(shí)間圖Fig.4 Speed of the motor

7 結(jié)論

在AnsoftMaxwell2D環(huán)境下，通過對(duì)外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機(jī)的本體設(shè)計(jì)的步驟進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，建立了開關(guān)磁阻電機(jī)的仿真模型及驅(qū)動(dòng)電路，完成了外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機(jī)從模型到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的瞬態(tài)仿真研究。

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Simulation and Design of Outer Rotor Switched Reluctance Motor Based on Ansoft

DAI Ting1，LI Jun2＊
（1.Faculty of Mechanical Engineering&Automation,Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou 310018,China；2.School of Mechanical Engineering,Taizhou University,Taizhou 31800,China）

Switched reluctance motor is a doubly salient motor,working on the switch state.It relies on the work of the reluctance torque,which is highly non-linear relationship between electromagnetic.By using ansoft,a software for Finite-Element Analysis of the electromagnetic Field,this paper conducts the transient field of switched reluctance motor.In this paper,the simulation process of Outer Rotor switched reluctance motor based on Ansoft is discussed.At the same time,the solutions to the problem in the simulations and some examples are proposed.

Ansoft software;Outer Rotor switched reluctance motor;simulation analysis

10.13853/j.cnki.issn.1672-3708.2014.03.009

2014-04-04；

2014-05-23

簡介：李 軍（1966- ），男，浙江臨海人，副教授，碩士，主要從事電機(jī)及控制等技術(shù)研究。