瞿廣宇，劉 偉，楊 湄

(1.成都理工大學，成都 610059；2.西華大學，成都 610039)

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基于Maxwell的四相開關(guān)磁阻電機的設(shè)計

瞿廣宇1，劉 偉1，楊 湄2

(1.成都理工大學，成都 610059；2.西華大學，成都 610039)

由于當今開關(guān)磁阻電機所具備的眾多優(yōu)勢，對于開關(guān)磁阻電機的研究以及模擬方真勢在必行。但介于開關(guān)磁阻電機的高成本性，利用Ansoft 14軟件對其進行模擬仿真及相關(guān)優(yōu)化分析非常有必要。針對中高速的8/6級四相開關(guān)磁阻電機進行仿真，分析其工作特性、相關(guān)參數(shù)規(guī)律以及相比于三相開關(guān)磁阻電機的優(yōu)勢。在得到相關(guān)數(shù)據(jù)后給出具體的優(yōu)化建議以及電機今后需要改進的方向，為今后對四相開關(guān)磁阻電機提供有效且準確的參考。

四相；開關(guān)磁阻電機；模擬優(yōu)化；Ansoft 14

0 引 言

現(xiàn)階段，開關(guān)磁阻電機(Switched Reluctance Motor，SRM)是自無刷電機調(diào)速系統(tǒng)后新興的電機無級變速驅(qū)動系統(tǒng)。系統(tǒng)由開關(guān)磁阻電機本身、控制器、轉(zhuǎn)子位置檢測器、功率變換器4大部分構(gòu)成。自上世紀90年代以來，最常見的是12/8級(三相)和8/6級(四相)開關(guān)磁阻電機。由于其具備堅固可靠[1-3]，調(diào)速范圍寬，構(gòu)造簡易等優(yōu)勢，在航空航天、電動車、家用家電等方面都有實際應(yīng)用，包含了幾瓦至兆瓦級的功率需求，加之政府對于能源政策的改革，開關(guān)磁阻電機具備良好的市場發(fā)展前景[4-8]。

1 四相電機的建模過程

由于開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)固有的耦合性，如需要完整地模擬出整個電機運行過程，需要結(jié)合電機本身與外部控制電路[9]。Ansoft Maxwell 14既能夠繪制電機模型，同時也能編寫外部控制電路，為分析整個開關(guān)磁阻電機瞬態(tài)性能提供了真實、準確的數(shù)據(jù)參考[10-12]。

1.1 開關(guān)磁阻電機有限元建模

由于針對12/8級(三相)開關(guān)磁阻電機的探究較多，因此本文選取8/6級(四相)電機為模型，分析討論其性能。

整個電機建模步驟可分為：

(1)在RMxprt模塊下進行電機建模；

(2)確定電機尺寸等相關(guān)具體數(shù)據(jù)；

(3)定義電機材料屬性；

(4)考慮相關(guān)損耗及邊界條件；

(5)利用RMxprt模塊的特性，得到在Maxwell 2D模塊的二維電機模型。

2D建模如圖1所示，具體參數(shù)如表1所示。

圖1 RMxprt 四相開關(guān)磁阻電機構(gòu)造及說明

參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值額定電壓u/V220軛高h/mm9額定功率p/kW0.53電機長度l/mm64曡壓系數(shù)0.93額定轉(zhuǎn)速n/(r·min-1)2500電機材料低碳冷軋硅鋼線圈匝數(shù)142

根據(jù)電機手冊可知，控制電路關(guān)斷角的初始值：

(1)

式中：θ初始為0；Nr為極對數(shù)。

轉(zhuǎn)子外徑：

(2)

式中：Ki與Km均為常數(shù);n為電機轉(zhuǎn)速。

每相的初始線圈匝數(shù)為

(3)

式中：n為電機轉(zhuǎn)速：θc為導通角。

由于RMxprt模塊的可延展性，可以利用RMxprt模塊進行開關(guān)磁阻電機2D建模，如圖2所示，由于四相開關(guān)磁阻電機的對稱性，可只分析其一半的電機性能狀態(tài)，以節(jié)約時間和仿真資源，提高仿真效率。

圖2 四相電機在2D模式下的仿真模型

在瞬態(tài)下，四相開關(guān)磁阻電機的網(wǎng)格圖可由下圖所示。圖3為電機運行至0.002 s時電機的網(wǎng)格剖分圖。

圖3 電機在暫態(tài)t=0.002 s時的網(wǎng)格剖分圖

1.2 功率變換器建模

與12/8級開關(guān)磁阻電機不同，四相開關(guān)磁阻電機的控制電路更加復雜，一般采取四相電流的方式來實現(xiàn)斬波控制。如圖4所示，POW1與POW2是直流供電源，設(shè)計兩個是為了確保供流穩(wěn)定，無波動。兩個電壓源均同向110 V。二極管VD1，VD4，VD5，VD8，VD9，VD12，VD13，VD16確保能向繞組供電，剩余二極管則確保繞組感應(yīng)電流能夠回流到直流供電源POW1與POW2。SW1～SW8是8個導通開關(guān)，以保證供流和回流兩個階段。電路右端，A1～A4是4個安培表，監(jiān)控電流是否流向正確。L.P.A～L.P.D是四相線圈繞組，R1～R4則表示線圈繞組的電阻。由于電源為直流電源，因此整個控制方式為DC模式。

圖4 功率變換器CAD模型

1.3 驅(qū)動電路建模

下圖則為驅(qū)動電路圖，如圖5所示，V1～V4受脈沖的控制，在不同的時間段進行工作。從而控制開關(guān)SW1～SW8的導通順序，使整個功率轉(zhuǎn)換器按照上述順序有效進行。

圖5 驅(qū)動電路CAD模型

2 電機運行原理

四相電機運行流程如圖6所示，整個開關(guān)磁阻驅(qū)動系統(tǒng)電壓由驅(qū)動電路控制，由于直流電源受到斬波控制(CCC)，會分成四相電流，順序為A→B→C→D→A的循環(huán)模式，由于Ansoft Maxwell可以編寫外部程序，因此可對斬波控制過程實現(xiàn)操控，因此各相電流通過功率轉(zhuǎn)換器流入到開關(guān)磁阻電機中。同時，由轉(zhuǎn)子位置探測器進行監(jiān)測，并反饋到控制電路，以調(diào)整驅(qū)動電路的控制電流。

在此二維模型中，驅(qū)動電路能夠控制各相控制電流的脈沖寬度。本文設(shè)定的脈沖寬度為20°電角度，且電角度與機械角度的關(guān)系：

θ電=θ機械×極對數(shù)

(4)

因此，導通角也為80°(開通角：0°，關(guān)斷角：80°)。整個周期為320°電角度。由于是電流斬波控制，所以可通過改變相電流來改變電機性能。

圖6 四相電機運行流程圖

3 模擬參數(shù)結(jié)果及相關(guān)討論

3.1 轉(zhuǎn)速與電機性能的關(guān)系

圖7分析轉(zhuǎn)速分別與輸入直流電流，輸出轉(zhuǎn)矩，效率以及輸出功率的關(guān)系。從圖7(a)可以看出，電機在啟動過程中，所需直流電流很大，原因在于電機剛啟動，定子磁場切割轉(zhuǎn)子導體的速度較大，因而旋轉(zhuǎn)磁場較大，所需電流較大，因此可見大功率開關(guān)磁阻電機不適合頻繁啟動，同時還需要配備相適合的啟動設(shè)備，或者采取降壓啟動的方式。從圖7(b)可以看出，在額定電壓確定在530 W的情況下，電機的啟動轉(zhuǎn)矩非常大，因而電機扭矩較大，可以增強電機在一定范圍內(nèi)的負載(過載)能力。圖7(c)表明，效率會隨電流的增大而先增大后減小，電機效率能夠在電機轉(zhuǎn)速達到2 000～ 3 000 r/min范圍內(nèi)表現(xiàn)出最優(yōu)值，效率穩(wěn)定在75%左右，針對開關(guān)磁阻電機，效率在60%～70%即屬高效，因此，如能將電機額定轉(zhuǎn)速優(yōu)化于2 500 r/min即能保證理想效率。圖7(d)表現(xiàn)電機的輸出功率與轉(zhuǎn)速之前關(guān)系，由圖知，當轉(zhuǎn)速達到1 350 r/min時，電機輸出功率逼近1 500 W，但由于額定電壓，額定轉(zhuǎn)速及額定功率等限制因素，輸出功率不能達到該值。但能看出，電機輸出功率會隨電機轉(zhuǎn)速的增大而迅速增大，后以類拋物線的形式逐漸降低至0。

(a)輸入直流電流與轉(zhuǎn)速的關(guān)系(b)輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

(c)效率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系(d)輸出功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

圖7 轉(zhuǎn)速與電機性能的關(guān)系

3.2 電角度與電機性能的關(guān)系

由圖8(a)可看出，電角度越大，電機在初期的磁鏈特性就越強，而圖8(b)和圖8(c)則模擬出針對A相驅(qū)動的電流和電壓。由于其他三相特性與A相類似，且僅相差80°，160°和240°，故不作過多說明。

(a)電機的磁鏈特性(b)A相電壓與電角度的關(guān)系

(c) A相電感電流與電角度的關(guān)系

3.3 電機繞組與電機性能的關(guān)系

圖9展現(xiàn)了開關(guān)磁阻電機導通角在80°與76°時，電機的輸出轉(zhuǎn)矩，由圖可看出，當導通角在80°時，電機波動較小，有助于增長電機使用壽命和減少損耗。因此能得知當電角度在此角度左右時，電機轉(zhuǎn)矩波動小，啟動轉(zhuǎn)矩大。

由于圖9電機轉(zhuǎn)矩的波形圖是基于一相繞組的通電啟動方式，因此可通過改變通電啟動方式來優(yōu)化轉(zhuǎn)矩波形。由圖10(a)和圖10(b)可知，基于兩相繞組的通電啟動方式所產(chǎn)生的電機轉(zhuǎn)矩的波動明顯小于一相繞組的啟動方式，因此，二相啟動優(yōu)于一相啟動。

(a)電角度為76°(b)電角度為80°

圖9 電機繞組與電機性能的關(guān)系一

圖10 電機繞組與電機性能的關(guān)系二

3.4 電機的磁場分布關(guān)系

圖11表現(xiàn)了開關(guān)磁阻電機在暫態(tài)狀態(tài)下的磁場分布，由圖可看出，電機磁場分布密度較高的地方集中在定子槽的附近。

圖11 電機的磁場分布關(guān)系

4 實物驗證

為驗證AnsoftMaxwell對該四相開關(guān)磁阻電機模擬仿真的正確性，現(xiàn)利用NMCL-II型控制平臺對四相開關(guān)磁阻電機進行實物檢驗，如圖所示，將開關(guān)磁阻電機與控功機相連，利用控功機保證電機實際轉(zhuǎn)速與模擬轉(zhuǎn)速一致，并連接至控制臺。測量出相關(guān)運行參數(shù)，具體結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖12 實物驗證

測試結(jié)果如表2所示。

表2 仿真、輸出參數(shù)對照

從以上實際測量數(shù)據(jù)可以歸納：

(1)通過控制臺能夠穩(wěn)定輸出控制電流，控制四相電機穩(wěn)定運行，各項指數(shù)誤差均在允許范圍5%以內(nèi)，故驗證此次模擬仿真實驗的準確性。

(2)偏差因素主要來源于實際摩擦損耗，由于在模擬仿真中忽略了風阻，熱損等次要因素，導致最后實際效率低于理論值。

5 結(jié) 語

本文主要利用Maxwell的RMxprt和Maxwell 2D模塊來模擬四相開關(guān)磁阻電機，并基于其工作特性給予了優(yōu)化方案和建議。主要體現(xiàn)在：

(1)四相開關(guān)磁阻電機的起動轉(zhuǎn)矩較大，能承受大負載，適用于大功率電動機車。能減少電機磨損，延長電機壽命。

(2)四相開關(guān)磁阻電機的輸出功率，輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系呈非線性關(guān)系，在優(yōu)化電機性能時，最佳轉(zhuǎn)速應(yīng)略低于額定轉(zhuǎn)速。

(3)相電壓與相電流隨電角度的變化而變化，且不同的電角度能夠影響電機的輸轉(zhuǎn)矩的波動范圍。

(4)不同的電機啟動通電方式能夠影響電機的輸出轉(zhuǎn)矩波形，應(yīng)當采取二相繞組的通電啟動方式以減小電機轉(zhuǎn)矩的波動性。

(5)四相開關(guān)磁阻電機的磁場主要集中在定子槽附近，應(yīng)當選取定子槽附近的磁場密度作為參照標準。

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Design of Four-Phase Switched Reluctance Motor Based on Maxwell

QUGuang-yu1,LIUWei1,YANGMei2

(1.Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China; 2.Xihua University,Chengdu 610039,China)

Since the advantages of switched reluctance motor at present, the research and simulation of switched reluctance motor is imperative in such a situation.However, the cost of such kind of research is quite high, thus it's really important to make use of the Ansoft 14 to analyze and optimize the switched reluctance motor.In this paper, the mid & high speed 8/6 four-phase switched reluctance motor was simulated, and its working characteristics, the variation of correlated parameters and the advantages compared with the three-phase switched reluctance motor were analyzed.After getting the relevant data, the specific optimization suggestions and the improving direction of the motor in the future were given, to provide effective and accurate reference for four-phase switched reluctance motor.

four phase; switched reluctance motor; analysis and simulation; Ansoft 14

2016-03-12

TM352

A

1004-7018(2016)09-0058-03