开关磁阻电动机的径向力计算_孙剑波
基于SIMULINK的开关磁阻电机调速系统的建模与仿真_孙剑波
1 引言
开关磁阻电机 (Sw itched Reluctance Moto r , 简 称 SRM)是 80 年代兴起 , 并得到迅速发展的一种 新型调速电机 。 开关磁阻电机的运行遵循“磁路 磁阻最小”原理 , 是磁阻电机与电力电子开关电路 及电子控制器所组成的机电一体化设备 , 不仅保 持了交流感应电机的结构简单 、坚固可靠的优点和 直流电机良好的可控性 , 还具有交流调速系统和 直流调速系统所达不到的价格低 、效率高和适应能 力强等优点 。 是现代传动系统中强有力的竞争者 , 具有广阔的发展前景 。
在 SIM UL INK 下 实现 速 度 、电 流双 闭 环 的 SRD 调速系统的模型如图 4 所示 。 速度环采用传
统的 PI 调节器 , 电流环采用滞环比 较器 。 图中 :位置检测 模块是一 个 M -FUNCT ION , 它的输入为 A 相 转子位置角 、开通角和关断角 ;它的 输出为三路 转子位置检测信号 。 VSRM 模块表示封装好的开关磁阻 电机模型 , 它可以象 SIM ULINK 模 型库中的其 它电机模型 一样 , 直 接 用 IGBT 与其相 接以 构成 主电路 , 因此除了可以仿真电机的运行性能 以外 , 还可以仿真主 电路的工作 情 况 。图 5 显示了 VSRM 模块的内部 结构 。 它是通过三个电压检测模块 检测出电机 的三相相电 压 , 然后 将 相电压 和负载 转矩一起 送入 SRM
Sy stem , 2001 , 37(3) [ 4] 杨静等 .基于 M A T LAB 的开 关磁阻 电动机 建模与
仿真[ J] .江苏理工大学学报 , 2000, (3)
开关磁阻电机非线性径向力的有限元计算
关键 词 ：开 关 磁 阻 电 机 ；非 线性 径 向力 ；有 限元 ；振 动
中图分类号 ：Ｔ ３ ２ Ｍ３ ３ Ｍ ５ ；Ｔ ６＋
文献标志码 ：Ａ
文章编号 ：１０ ・８ ８ ２ １ ）９０ １ －３ ０ １６ ４ （０ ０ ０ —０ ３０
Ｆｉ ｉｅ Ｅｌｍ ｅ ｔ Ｃｏ ｐ ａ ｉ ｎ ｏ ｎｌ ａ ｄ ａ ｒ ｅ Ｍ ｏ ｌｆ ｒ ｎ ｔ ｅ ｎ ｍ ｕｔ ｔｏ ｆＮｏ ｉ ｒ Ｒａ ｉ ｌＦｏ ｃ ｄｅ ｏ ｎｅ
析和计算开关磁 阻电机的非线性径 向力模型是研究振 动与噪声 的关键 问题 。该文 基于有 限元原 理 ，通过 虚位移法 对 开关磁阻 电机 的径 向力 非线性 模 型进 行分 析和 计算 。最后 ，应用 Ａ Ｓ Ｓ软 件计 算样 机径 向力 的有 限 元模 型 ， ＮＹ 得 到了径 向力与转子 位 置角 和定 子相 电 流 的非 线性 关 系 曲线 ，为 开关 磁 阻 电机 非 线性 振 动及 控 制研 究 奠 定 了
Ｏ 引 言
近年 来 ，开关磁 阻 电机 （ 简称 ：Ｓ 电机 ） Ｒ 由于 自
Ｓ Ｒ电机 的非 线性 径 向力 模 型是 研究 振 动 与噪声 的关 键问题 。 目前 ，对 Ｓ Ｒ电机径 向力 的研 究 主要 是通 过 简化的线性模型 由于线 性模 型忽 略 了径 向力 与 ４。 Ｊ 相 电流之 问的非线性 函数关 系 ，仅考 虑 了径 向力 与转 子位置角 的关 系。 因此 ，在 实 际 Ｓ Ｒ电机 运行 时 ，很 难 对电机 的振动 和噪声进 行分析和控制 。
开关磁阻电机非线性径 向力 的阻 电机 非线 性 径 向力 的有 限元计 算
王利 利 ，张京 军 ， 张海 军
（ 河北工程大学 ，邯郸 摘 ０ ６３ ） ５ ０ ８
开关磁阻电机降噪的新结构探索
开关磁阻电机降噪的新结构探索
孙剑波;詹琼华
【期刊名称】《微电机》
【年(卷),期】2005(38)3
【摘要】噪声是开关磁阻电机的主要缺点,而径向力突变引起的定子振动是噪声的主要来源.本文利用二维有限元方法计算出开关磁阻电机定子所受的径向力,对于在设计阶段探索电机新结构以降低噪声有很好的指导意义.
【总页数】4页(P7-9,12)
【作者】孙剑波;詹琼华
【作者单位】华中科技大学电气与电子工程学院,武汉,430074;华中科技大学电气与电子工程学院,武汉,430074
【正文语种】中文
【中图分类】TM352
【相关文献】
1.开关磁阻电机减振降噪技术研究 [J], 谭平;瞿遂春;马世伟
2.分块开关磁阻电机的研究现状及其新结构构想 [J], 陈小元;邓智泉;王晓琳;范娜;连广坤
3.开关磁阻电机降噪方案研究 [J], 李駪;邱影杰;李红升;孙宁;宋云博;孙文钊;代良华
4.一种减小开关磁阻电机振动的定子新结构 [J], 黄朝志;陈海东;刘细平;杨国斌
5.滚筒洗衣机用开关磁阻电机减振降噪方法的研究 [J], 孙荣美;牛家涛;姜红霞
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径向力激发噪声最小的开关磁阻电动机开关角优化
点 之一 。
次在线 寻优 进行 了仿 真验证 。
１Ｓ Ｍ 噪声声级计算 Ｒ
由有限元 法求 解得 离散工 作状 态下 的某 一 四相 ８ ６极 Ｓ Ｍ 样 机 径 向 力 ， 用 Ｒ Ｆ Ｎ［ 建 立 ／ Ｒ 采 ＢＮ Ｓ Ｍ 径 向力非线 性逼 近模 型 ， 以计算 电 机运 行时 Ｒ 用 定子 的动 静态偏 移 。 本文 考虑 的 Ｓ Ｍ 为 多对极 电机 ， Ｒ 当振 型模 态 阶
数 ｍｉ２时 ，ｉ ＞ 次径 向力 谐 波 对 ｍ 阶振 型 激 振 的定 子铁 心静 态径 向偏移
Ａｒ ｓａｔｃ（ ｄｔ ｉ ｍｙ
，
但定 子振 动 和 噪 声 是 Ｓ Ｄ 突 出 的 问题 和 研 究 Ｒ 难 点 。Ｃ ｍｅ ｎ Ｄ． ． 基 于 频 域 的 研 究 表 明 ｊ ａ ｒ Ｅ等 ｏ ： Ｓ Ｍ 定转 子 间径 向脉 动 磁 吸 力 所 导 致 的定 子 椭 圆 Ｒ 形 变是激 发振 动 、 声 的 主要 来 源 。ＷｕＣ Ｙ 等基 噪 ．． 于 时域 的表 明 ： 相绕 组 外施 相 电压 的跃 变 导 致 相
ｔｔ ，ｔ ｃ ｎ ｉｅ ｏ ｔ ｚ ｔ ｎ ｏ ｅ ｅ ｔ ｏ ａ ｇ ｅ ｓ ｐ ｏ ｏ ｅ ｎ ｅ ｏ ｔｇ Ｗ Ｍ ｏ ｔ ｌｍｏ ｅ Ｔ ｉ ｒ ｃ ｐｅ ａ ｍｅ ｏ ｏ ｓ ｗｉｅ ｏ ｌ ｐ ｉ ａｉ ｆｔ ｓ ｗ ｎ ｌ ｓｗａ ｒ ｐ ｓ ｄ ｕ ｄ ｒｖ ｌ ｅ Ｐ ｎ ｍｉ ｏ ｈ ａ ｃ ｎ ｒ ｄ ． ｈ ｓ ｐｉ ｉ ｌ ｉ ｄ ｔ ｏ ｎ ｍｌ ‘ 。。ｇ ｈ ｇ ｅ ｔｎ ｉｅ ｌｖ ｌ ｆ ｎ ｉｒ ｔ ｇ ｍｏ ｅ ｅ ｃｔｄ ｂ ａ ｉ ｏｃ ，ａ ｄ ｔ ｉ ｅｏ ｔ ｚ ｔ ｎ ｒ ｅ ｏｍｅ ｕ ｏ ‘ ｍｌｌ ｉ ｈ ｓ ｏｓ ｅ ｅ ｄ ｖ ｂ ａｉ ｄ ｘ ｉ ｙｒ ｄ ａ ｆｒ ｅ ｎ ｗ ｃ ｐ ｉ ａｉ ｓｗｅ ｅ ｐ ｒ ｒ ｄ ｄ ｅｔ ｍ ｚｎ ｏ２ ｎ ｅ ｌ ｍｉ ｏ ｆ ｄｆ ｒ ｎ ｔｐ ． ｉ ｌｔ ｎ ｉ ｄｃ ｔｓ ｔ ａ ｔ ｃ ｎｉ ｅ ｏ ｔ ｚ ｔ ｎ ｃ ｕ ｄ ｄ ａ ｔ ａｌ ｅ ｒ ａ ｅ ｈ ｇ ｅ ｔｎ ｉｅ ｌｖ ｌ ｆ ｎ ｉ ｉ ｅ ｅ ｔｓｅ ｓ Ｓ ｍｕ ａｉ ｎ ｉａｅ ｈ ｔ ｗｉｅ ｏ ｌ ｐ ｉ ａ ｉ ｏ ｌ ｒ ｍａ ｉ ｌｙｄ ｃ ｅ ｓ ｉｈ ｓ ｏ ｓ ｅ ｅ ｄ ｖ・ ｏ ｎ ｍｉ ｏ ｃ ｏ２ ｂ ａｉ ｇ ｍｏ ｅ ｅ ｃｔｄ ｂ ａ ｉ ｏ ｃ ｎ ｓ ｉ ｈ ｄ ｒ ｌ ｃａ ｃ ｔ ｒ ｒｔ ｄ ｘ ｉ ｙ ｒ ｄ ａ ｆ ｒｅ ｉ ｗ ｔ ｅ ｅｕ ｔｎ ｅ ｍｏ ｏ ． ｎ ｅ ｌ ｃ
一种新型的磁悬浮开关磁阻电机径向力数学模型
一种新型的磁悬浮开关磁阻电机径向力数学模型随着科技的不断进步，磁阻电机在工业生产中得到了广泛的应用。
在磁阻电机的设计和应用中，径向力是一个重要的参数。
为了更好地控制和优化磁阻电机的性能，需要建立一个准确的径向力数学模型。
本文提出了一种新型的磁悬浮开关磁阻电机径向力数学模型，通过实验验证，模型具有较高的准确性和实用性。
一、磁阻电机的基本原理磁阻电机是一种以磁阻力为驱动力的电机，其结构简单，可靠性高，效率较高。
磁阻电机的基本原理是利用磁阻力的作用，使转子和定子之间产生相对运动。
磁阻电机的转子和定子之间有一定的间隙，间隙内充满了磁阻材料，当定子上的磁场和转子上的磁场不一致时，磁阻材料产生磁阻力，从而推动转子运动。
二、磁悬浮开关磁阻电机的结构和工作原理磁悬浮开关磁阻电机是一种新型的磁阻电机，其结构如图1所示。
磁悬浮开关磁阻电机由定子、转子、磁悬浮系统和开关系统组成。
转子采用磁阻材料，定子上有多个线圈，通过控制线圈的电流变化，可以实现转子的转动。
磁悬浮系统采用永磁体和电磁体相结合的方式，通过控制电磁体的电流，可以实现转子的悬浮和控制。
开关系统采用电子开关，通过控制开关的状态，可以实现电流的开关和控制。
磁悬浮开关磁阻电机的工作原理如下：当电流通过定子线圈时，产生磁场，磁场作用在转子上，产生磁阻力，推动转子转动。
同时，磁悬浮系统产生的磁场可以使转子悬浮在定子上，从而减小了机械磨损和噪音。
通过控制电流的大小和方向，可以实现磁阻电机的转速和转矩的控制。
三、磁悬浮开关磁阻电机径向力的数学模型在磁阻电机的设计和应用中，径向力是一个重要的参数。
径向力的大小和方向决定了磁阻电机的稳定性和工作效率。
为了更好地控制和优化磁阻电机的性能，需要建立一个准确的径向力数学模型。
本文提出了一种新型的磁悬浮开关磁阻电机径向力数学模型。
模型基于磁场分析和电磁力计算，考虑了磁阻材料的特性和转子的结构，可以准确地预测磁阻电机的径向力。
模型的基本假设如下：（1）磁阻材料具有线性磁阻特性，且磁阻材料的磁导率和磁阻力与磁场的大小和方向有关。
开关磁阻起动_发电机系统的建模与仿真_孙剑波
第25卷第1期湖 北 工 业 大 学 学 报2010年2月Vol .25No .1 Journal of Hubei University of Technology Feb .2010[收稿日期]2009-12-15[基金项目]国家自然科学基金(50807019).[作者简介]孙剑波(1976-),男,湖北孝感人,华中科技大学讲师,研究方向:新型电机及控制.[文章编号]1003-4684(2010)01-0059-04开关磁阻起动/发电机系统的建模与仿真孙剑波,韦忠朝,王双红,詹琼华,匡 哲(华中科技大学电气与电子工程学院,湖北武汉430074)[摘 要]开关磁阻电机因具有结构简单、高可靠性等优点,因而适合应用在航空起动/发电机领域。
开关磁阻起动/发电机系统的数学模型包括开关磁阻电机、功率主电路以及滤波电路。
在建模过程中,结合了磁场有限元和机电耦合方程组,因此考虑了磁场饱和和机电耦合问题。
通过仿真,可以预估系统的性能和设计系统的参数,使得系统输出电压达到目标要求。
仿真结果验证了系统设计的正确性。
[关键词]开关磁阻电机;发电机系统建模;滤波电路[中图分类号]T M 352[文献标识码]:A 开关磁阻电机(Sw itched Reluctance M o to rs ,S RM )的转子上既无绕组,又无永磁体,定子各相独立运行,因而具有高可靠性、非常宽的调速范围、高效率、可缺相运行等优点,其应用领域不断拓展。
目前,S RMs 已经被成功应用于飞机电源系统[1-3]、混合动力汽车的起动/发电机[4-8],以及风力发电系统[9-10].与其他电机相比,SRM 兼顾了可靠性、功率密度以及高速运行能力,因此特别适合应用在航空起动/发电机领域.在飞机发动机点火之前,SRM 作为电动机来起动发动机;在点火之后,飞机发动机又反过来带动SRM 发电.于是一台S RM 既具有起动功能,又具有发电功能.本文针对一台应用在航空领域的开关磁阻起动/发电机系统进行数学建模和仿真,实现整个系统的性能预估和参数设计,以验证系统设计的正确性.1 数学模型开关磁阻起动/发电系统包含3个主要部分:一台三相12/8极开关磁阻电机、功率主电路和滤波电路.功率主电路如图1所示.图1 功率主电路 电机的三相绕组与不对称半桥主电路相连.在起动阶段,由电池给系统供电,电机作为电动机带动发动机起动.为了避免电池直接给负载电阻(R L )供电,直流母线分成2条母线:励磁母线和发电母线.2条母线由1个二极管(RD 2)相连.同时,在发电阶段电池不允许充电,所以电池与励磁母线之间也接有1个二极管(RD 1).由于电机发出的电能具有脉动性,为了使输出电压达到航空电源的技术要求,发电母线电压需经过一个滤波电路后输出.滤波电路由2个电容(C 2,C 3)和一个电感(L )构成.SRM 的数学模型可表示为:d ψk d t =U p k -i k R p d ωdt=(T e -T L )/J d θdt=ω.(1)式中:i k ,R p ,ψk 分别是电机相电流、相电阻和相磁链;ω是转子角速度;T e ,T L 分别是电磁转矩和负载转矩;J 是转动惯量;θ是转子位置角;U pk 是电机绕组的相电压.而U p k =U exc(S k =1),0(S k =0),-U gen(S k =-1).其中:k =1,2,3;S k 代表开关函数;U exc 是励磁母线电压;U g en 是发电母线电压.由功率主电路和滤波电路的电路方程式得:dU exc d t =U e -U exc C 1·R D 1+I ba ck -I exc C 1,dU g en dt =I g en -i LC 2,dU out dt =(i L -U o utR L )/C 3,di L d t =U gen -U o ut L;(2)i exc =i exca +i excb +i excc .(3)其中: i exck =i k(S k =1),0(S k =0),0(S k =-1);i g en =i gena +i g en b +i genc -i b ack .(4)而i genk =0(S k =1),(S k =0),i k(S k =-1);i b ack=U gen -U excR D 2.(5)又R D 1=0.01(U exc U e ),inf(U exc >U e );R D 2=0.01(U g en ≥U exc ),inf(U g en <U exc ).U e是电池电压.I exc、I gen、I b ack分别是励磁母线电流、发电母线电流、发电母线回馈到励磁母线的电流.U o ut 是系统输出电压.C 1是励磁母线的滤波电容.C 2和C 3是滤波电路的电容.R D 是二极管的等效导通电阻.i L 是滤波电路的电感电流.2 仿真结果本系统中的SRM 主要结构参数如:定子外径0.14m ;定子内径0.09m ;轴径0.04m ;定子极数12;转子极数8;铁心轴向长度0.3m .每相绕组的磁链是该相电流和转子位置角的非线性函数(图2).磁链数据以表格形式存储起来,在仿真的每一步计算中,利用二维表格插值,实现磁链到电流的变换.图2 SRM 的磁链特性系统的控制框图如图3所示.系统为双闭环控制结构,外环为电压环,内环为功率环.电压环的误差信号经调节后作为功率环的给定信号.功率环的误差由开关角度的调整来减小.在起动阶段,外环开环,内环用来控制相电流.为了加快起动过程,电流给定为电机允许的最大电流值.在发电阶段,外环调节使得输出电压恒定.内环功率调节加快了输出电压的动态响应.图3 开关磁阻起动/发电机系统的控制框图在起动阶段,电机作为电动机运行,带动发动机从静止状态加速.当速度达到12000r /min 时,发动机点火,之后电机和发动机一起加速转子系统,当速度达到25000r /min 时,起动过程结束,电机转为发电机运行,由发动机带动发电.系统的速度响应如图4所示.整个起动过程经历了大约15s .图4 系统在起动阶段的速度响应当SRM 稳定运行在25000r /min 速度下发电60湖 北 工 业 大 学 学 报2010年第1期 时,电机相电流波形如图5所示.相电流最大值为60A ,发生在相绕组关断时刻.励磁母线电压、发电母线电压、输出母线电压、滤波电感电流波形如图6所示.由于滤波器的作用,输出母线电压的脉动比发电母线电压的脉动要小得多.输出电压在稳态情况下保持在(270±0.2)V 范围内.因此,系统的稳态性能达到了目标要求(270±4)V.励磁母线电流、发电母线电流、从发电母线回馈到励磁母线的电流波形如图7所示.一旦有电流从发电母线回馈到励磁母线时,励磁母线的电压就被钳制在270V ,该电压比电池电压(200V )高,所以二极管截止,电池脱离了励磁母线,防止了发电时给电池的充电.图7 各母线电流仿真过程中,还可对电机的转矩脉动进行分析,如图8所示.转矩脉动过大将会给机械系统带来不利的影响,因此必须加以分析.系统的转矩脉动因数为(T max -T min )/Tav =2.3017.航空电源对输出电压的动态响应也有较高的要求.在仿真中对负载突变情况下的输出电压动态响应进行了分析,如图9所示.当速度稳定在25000r /min 时,时间为0～0.04s ,发电机经历了一个起励过程,电气负载为8kW (额定负载);在0.04s 时刻,各母线电压均已达到稳定时,在这一时刻电气负载突变到9.2kW (115%额定负载);在0.08s 时刻,电气负载突变为4kW (50%额定负载).从图9可以看出,尽管负载出现了突变,输出电压始终都被控制在(270±1)V ,系统的动态响应非常好.滤波电路参数设计系统输出电压中的谐波必须得到有效抑制,该功能由滤波电路来完成.输出电压的频谱要求如图10所示.电容C 1、C 2、C 3的作用是平滑相应母线的电压,电感L 用来调整输出电压中的谐波频率.当C 1、C 2、C 3和L 分别取2200uF 、1000uF 、4000uF 和0.003mH 时,输出电压的频谱满足了目标要求(图11).61 第25卷第1期 孙剑波等 开关磁阻起动/发电机系统的建模与仿真3 结论仿真结果表明开关磁阻起动/发电机系统的各项稳态和动态性能均达到目标要求,验证了系统设计的正确性.[ 参 考 文 献 ][1] M acM inn S R ,Sember J W .Contr ol of a sw itched -r e -luctance aircraf t sta rter -g ener ator ove r a very 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machine ,po wer circuit and filter circuit .The simula -tion m odel is constructed based on magnetic finite element analysis and electrom echanical dynamic equa -tions ,w hich considers m ag netic saturatio n and electro mechanical coupling .Throug h simulatio ns ,the per -fo rm ance of the system is evaluated .The control parame ters o f the contro ller and component parameters of filter circuit are de signed to satisfy the specificatio n perfo rmance o f the system .The simulatio n results val -idate the desig n of the sy stem .Keywords :switched reluctance starte r ;generato r ;engin System mo deling ;tilter circuit62湖 北 工 业 大 学 学 报2010年第1期 。
一种新型的磁悬浮开关磁阻电机径向力数学模型
一种新型的磁悬浮开关磁阻电机径向力数学模型姜永将;孙玉坤;朱志莹;周应旺【期刊名称】《微电机》【年(卷),期】2013(046)009【摘要】现有的磁悬浮开关磁阻电机数学模型推导思路为:先用等效磁路法得到以磁导表示的电感矩阵;再通过有限元辅助分割磁场法得到磁导的解析式,将其代入电感矩阵;最后通过虚位移法得到径向力表达式.该方法计算比较繁琐,并且忽略了正交方向两个径向力的耦合而使计算结果不够精确.本文提出了一种新的气隙磁导计算方法,通过气隙磁场储能推导出了磁悬浮开关磁阻电机的径向力数学模型.该数学模型考虑了相互垂直方向偏移量对径向力的影响,并将每个定子极通过的磁通均考虑在内,准确的描述了电机的径向力特性,为电机的悬浮控制系统设计提供了可靠的理论基础.以一台样机为例,建立有限元仿真模型,仿真结果证明了该数学模型的正确性和有效性.【总页数】5页(P17-21)【作者】姜永将;孙玉坤;朱志莹;周应旺【作者单位】江苏大学电气信息工程学院,江苏镇江212013;江苏大学电气信息工程学院,江苏镇江212013;南京工程学院电力工程学院,南京211167;江苏大学电气信息工程学院,江苏镇江212013;江苏大学电气信息工程学院,江苏镇江212013【正文语种】中文【中图分类】TM352【相关文献】1.单绕组磁悬浮开关磁阻电机径向力数学模型 [J], 孙玉坤;陈凯峰;朱志莹2.一种磁悬浮开关磁阻电机径向力数学模型 [J], 项倩雯;周应旺;孙玉坤;嵇小辅3.新型16相磁悬浮开关磁阻电机解耦特性及数学模型 [J], 孙传余; 李井凯; 庄鹏; 曹茂永4.基于微分几何的磁悬浮开关磁阻电机径向力的变结构控制 [J], 张亮;孙玉坤5.一种新型的无轴承开关磁阻电机数学模型 [J], 邓智泉;杨钢;张媛;曹鑫;王晓琳因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
一种计算开关磁阻电机径向力的新方法
（ １ ． Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｉｎ ｒ ｇ，Ｎａ ｎ ｔ ｏ ｎ ｇ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ， Ｎａ ｎ ｔ ｏ ｎ ｇ ２ ２ ６ ０ １ ９，Ｃｈ ｉ ｎ ａ ； ２ ． Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｎ ｄ Ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｉ ｒ ｎ ｇ，Ｈｕ ｎ ａ ｎ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ，Ｚｈ ｕ ｚ ｈ ｏ ｕ ４１ ２ ０ ０ ８，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
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开关磁阻电动机的径向力计算_孙剑波
D设计分析esign and analy sis 微特电机 2005年第1期 开关磁阻电动机的径向力计算16 收稿日期:2004-03-18开关磁阻电动机的径向力计算孙剑波,詹琼华(华中科技大学,湖北武汉430074)The Calculation of t he Radial Force of S w itched R eluct ance M ot orSUN J ian -bo ,ZHA N Q iong -hua(Huazhong University o f Science ＆Tec hno l o gy ,W uhan 430074,C hina ) 摘 要:噪声是开关磁阻电动机的主要缺点,而径向力是噪声的主要根源。
利用二维有限元方法计算出开关磁阻电机的径向力,对于优化设计电动机结构以减小径向力的幅值,和优化换相时刻以减小径向力的变化,从而达到降低振动和噪声目的有很好的指导意义。
关键词:开关磁阻电动机;径向力;AN S Y S 中图分类号:T M 352 文献标识码:A 文章编号:1004-7018(2005)01-0016-03Abstract :N o ise is t he pri ma ry de f ec t o f s w itched re l uctance m o t o r (SRM ),which is caused by t he rad i a l force .Two -di m en -si on fi n ite e l ement m ethod co m putes the radial f o rce i n SR M.It 's instruc tive t o opti m ize t he de sign o fm o t o r t o reduce the amp li -tude of radia l force and opti m ize the commu tati ve ti me to m i nis h the change of rad i a l force and consequen tl y achieve t he reduc tion of v i brati on and no ise .K eyword s :s w itched re l uc tance m o t o r ;rad i a l fo rce ;AN SYS1引 言开关磁阻电动机(简称SRM )具有一系列优点:结构简单坚固、维护量小,系统的容错能力强,在缺相情况下仍能可靠运行;起动及低速时转矩大、电流小,高速恒功率区范围宽、性能好,调速范围宽,在宽广的转速及功率范围内均有高效率而且有很好的鲁棒性。
基于ANSYS的开关磁阻电动机径向力计算及二次开发
Ｏ 引 言
开 关磁 阻 电机 （ 称 Ｓ 电机 ） 有 结 构 简 单 、 简 Ｒ 具 工作 可 靠 、调 速 范 围宽 、起 动 转 矩 大 等 优 点 ，但 转 矩波 动和噪 声偏 大 ，影 响 了其 应 用领 域 的拓 展 。 要有 效抑 制 Ｓ Ｒ电机 转矩 波 动 和噪 声 ，必 须 系统 计 算 和分析 其径 向力 和转 矩 特性 。 由 于 Ｓ 电机 的双 Ｒ
ｏ ｅｓｃｎ ｅｅ ｐ ｅ ｔｎｆ ｉ ｌ ｎ ｅｈ ｄ （ Ｅ ｎｔ ｅｏ ｄｄｖｌ ｍ ｎ ｉ ｎｔ ｅｅ ｔ ｔｏ Ｆ Ｍ）ａ ａ ｓ ｆ Ｒ ｍ ｔ ａｅ ｎＡ ｓｓ ｎ ｈ ｏ ｉ ｅ ｍｅ ｍ ｎｌ ｉ ｏ ｏｏ ｂ ｓｄｏ ｎｙ ，ｉ－ ｙｓ Ｓ ｒ
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转子静态偏心开关磁阻电机径向力计算及补偿
图 2 偏心前后气隙磁密沿圆周分布 F ig . 2 M agnetic flux density in a irgap under no rm a l and fau lt cond ition s
1 转子偏心对气隙磁密分布的影响
图 1 为 12 / 8 极 SR 电机转子偏心时的机械结构 简图 , 定义 O 1 为定子中心 , O2 为转子中心 , 设 O 1 到 O 2 的距离为 d, 不偏心时电机气隙为 g, 偏心角度为 α, 则定义偏心度为 ε = d /g ( 1)
开关磁阻电动机 ( SR 电机 ) 运行遵循“ 磁阻最 小原理 ” ,当某相绕组被激励时 ,产生的以该定子极 为中心的磁场对临近的转子极产生磁拉力 , 使转子 旋转 ,直到该转子极与其定子极轴线重合 . 磁拉力分 为切向和径向两个方向 , 切向磁拉力用来使转子旋
转产生转矩 ,而径向电磁力因为大小相同 ,方向相反 而相互抵消 . 在实际应用中 , 这些成对的电磁力有时会因为 转轴偏心而造成定子及转子凸极间气隙不平均 , 电 磁力不平衡 , 导致 SR 电机运行时有一不平衡的径
第 5期
吉敬华等 : 转子静态偏心开关磁阻电机径向力计算及补偿
433
向力作用于转轴上 . 如果不加以控制 ,不平衡的径向 力将导致 SR 电机振动和噪音 , 从而限制 SR 电 机的使用范围 . 随着磁悬浮技术研究的深入 , 近年来研究和发 展了多种形式的无轴承电机 . 无轴承电机的基本原 理就是通过悬浮力绕组产生不对称磁场 , 从而产生 径向力 . 无轴承开关磁阻电机的理论就是在研究 和充分利用 SR 电机运行时产生的径向力的基础上 建立和发展起来的 , 因此径向力计算是 SR 电机及 无轴承开关磁阻电机研究的重点之一 . 当前国内外 相关领域学者对 SR 电机径向力的研究主要集中于 两个方面 : SR 电机的振动和噪声 ; 无轴承 SR 电机 . 其中 ,文献 [ 1 ]计算 、 分析了 SR 电机不平衡径向力 ; 文献 [ 5 ]利用有限元法分析了正常情况下 SR 电机 一个极距下定子 A 相的径向力 ; 文献 [ 6 ]采用有限 元法计算了无轴承 SR 电机径向力与其他参数间的 关系 ; 文献 [ 7 ]研究了无轴承异步电机转子偏心时 的补偿控制 . 但是 , 国内在 SR 电机转子偏心时的径向力计 算方面却起步较晚 , 鲜有报道 . 笔者以一台 12 /8 极 SR 电机为例 ,对转子静态偏心下作用在 SR 电机的 不平衡径向力进行计算研究 ,并提出补偿策略 . 考虑 到这一研究内容试验起来成本较高且精度有限 , 因 此计算机仿真技术是一个较好的研究手段 . 为了得 到准确的特性参数 , 文中采用先进的有限元软件进 行计算 ,并与数学模型计算曲线进行比较 .
一种计算开关磁阻电机径向力的新方法
一种计算开关磁阻电机径向力的新方法周飞;瞿遂春;朱宏基;李建忠【期刊名称】《南通大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(000)002【摘要】针对目前计算开关磁阻电机径向力的虚位移法比较繁琐且影响计算的快速性等问题，提出一种新的计算方法。
依据麦克斯韦张量法，给出定子极径向力的数学模型，采用Ansoft软件计算径向力，并对一台样机进行了仿真计算。
结果表明，该方法应用简便，计算快速，计算精度满足要求。
结果准确地描述了电机径向力的特性，验证了所给方法的有效性。
%Because the method of virtual-work for the calculation of the radial force for switched reluctance motor is complex and low efficient, a new method of analysis is proposed. Based on Maxwell stress tensor method, the stator radial force mathematical model was given, and then the radial force of prototype was calculated with the help of Ansoft. The result reveals that the method is simple and high efficient. The accuracy of calculation meets the requirements, and precisely describes the characteristic of the radial force and illustrates the effectiveness of the proposed method.【总页数】5页(P16-20)【作者】周飞;瞿遂春;朱宏基;李建忠【作者单位】南通大学电气工程学院，江苏南通 226019;南通大学电气工程学院，江苏南通 226019;湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南株洲 412008;湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南株洲 412008【正文语种】中文【中图分类】TM352【相关文献】1.基于改进磁场分割法的开关磁阻电机径向力波抑制能力解析计算 [J], 张鑫;王秀和;杨玉波2.一种新型的磁悬浮开关磁阻电机径向力数学模型 [J], 姜永将;孙玉坤;朱志莹;周应旺3.开关磁阻电机非线性径向力的有限元计算 [J], 王利利;张京军;张海军4.一种磁悬浮开关磁阻电机径向力数学模型 [J], 项倩雯;周应旺;孙玉坤;嵇小辅5.基于改进磁密计算的开关磁阻电机径向力解析建模 [J], 张敏杰; 高强; 蔡旭因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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D设计分析esign and analy sis 微特电机 2005年第1期 开关磁阻电动机的径向力计算16 收稿日期:2004-03-18开关磁阻电动机的径向力计算孙剑波,詹琼华(华中科技大学,湖北武汉430074)The Calculation of t he Radial Force of S w itched R eluct ance M ot orSUN J ian -bo ,ZHA N Q iong -hua(Huazhong University o f Science ＆Tec hno l o gy ,W uhan 430074,C hina ) 摘 要:噪声是开关磁阻电动机的主要缺点,而径向力是噪声的主要根源。
利用二维有限元方法计算出开关磁阻电机的径向力,对于优化设计电动机结构以减小径向力的幅值,和优化换相时刻以减小径向力的变化,从而达到降低振动和噪声目的有很好的指导意义。
关键词:开关磁阻电动机;径向力;AN S Y S 中图分类号:T M 352 文献标识码:A 文章编号:1004-7018(2005)01-0016-03Abstract :N o ise is t he pri ma ry de f ec t o f s w itched re l uctance m o t o r (SRM ),which is caused by t he rad i a l force .Two -di m en -si on fi n ite e l ement m ethod co m putes the radial f o rce i n SR M.It 's instruc tive t o opti m ize t he de sign o fm o t o r t o reduce the amp li -tude of radia l force and opti m ize the commu tati ve ti me to m i nis h the change of rad i a l force and consequen tl y achieve t he reduc tion of v i brati on and no ise .K eyword s :s w itched re l uc tance m o t o r ;rad i a l fo rce ;AN SYS1引 言开关磁阻电动机(简称SRM )具有一系列优点:结构简单坚固、维护量小,系统的容错能力强,在缺相情况下仍能可靠运行;起动及低速时转矩大、电流小,高速恒功率区范围宽、性能好,调速范围宽,在宽广的转速及功率范围内均有高效率而且有很好的鲁棒性。
因此,20世纪90年代以来,已被越来越多地应用于电动车辆、矿山、油田、纺织机械等工业部门的驱动系统。
特别是它较好的高速(超高速)性能和较强的容错能力,使它在航空航天、高速离心机等环境恶劣且安全性要求很高的领域得到广泛应用。
开关磁阻电动机存在噪声较大的缺点,阻碍了它在一些场合的推广应用。
开关磁阻电动机的通电相定子极受脉动的径向磁拉力作用,使壳体结构的定子产生压缩形变而振动,构成了其噪声的主要根源。
因此减小径向力的幅值,是抑制电动机噪声的有效途径。
在电动机的设计阶段,若能准确地计算出电动机定子所受的径向力,将对后续工作以减小噪声有很好的指导意义。
本文利用有限元计算软件ANSYS 7.0求解出开关磁阻电动机内部的静态磁场,然后结合虚位移方法计算出电动机定子导通相磁极所受的径向力。
2S R M 工作原理简介SR M 系双凸极变磁阻电动机,其定、转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成,且定转子极数不同。
定子上装有简单的集中绕组,直径方向相对的两个绕组线圈相连接成为一相,转子没有绕组和永磁体。
图1为一8/6极SR M 的磁场分布图。
SR M 运行原理遵循磁阻最短路径原理,即磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合,产生磁拉力形成磁阻性质的电磁转矩。
因此,在图1中,磁阻性转矩将使转子逆时针旋转。
图1 SR M 磁场分布图(-15°)3S R M 运行噪声产生机理开关磁阻电动机运行时,根据转子位置检测信号导通相应的相绕组,产生正向磁阻性转矩拖动转子旋转。
由于不断地换相,定子极将受到脉动的径向磁拉力作用,使壳体结构的定子产生压缩形变而振动(如图2所示),构成了其噪声的主要根源。
图2 径向力引起铁心变形示意图 微特电机 2005年第1期 D设计分析esign and analy sis 开关磁阻电动机的径向力计算17 4计算模型的建立4.1模型假设在现有的计算机条件下,二维有限元计算已经不存在什么困难,因此,取整个电动机为求解区域。
由于SR M 的结构中存在绕组电流区,因此采用矢量磁位A z 来求解。
并对电机作如下假设:(1)忽略电动机端部效应;(2)绕组电流密度均匀分布;(3)忽略磁滞和涡流效应;(4)忽略位移电流;(5)电动机外部磁场为零;(6)铁心上工艺槽的效应忽略不计;(7)铁心里的磁导率是各相同性的。
在上述假设的前提下,得到下列非线性泊松方程和边界条件:x (1μ A z x )+ y (1μ A z y )=J z ,整个求解区域A z =0,定子外圆边界(1)4.2电磁力计算方法目前计算电磁力的方法主要有M ax w e ll 张力法和虚位移法。
作者曾对比采用这两种方法计算得到的结果,发现在电动机气隙较大时,两种结果很接近;但当电动机气隙较小时,两种结果有一定的差距。
根据与实验结果对比,发现虚位移方法计算的结果更加接近实际情况。
这是因为M ax w e ll 张力法对求解区域的剖分精度要求较高,对于象电动机这样的结构,由于气隙尺寸相对于其它部分非常小,而计算区域又恰在气隙处,当剖分精度不够时,将会导致错误结果。
而虚位移方法是基于整个电动机磁场的能量,对气隙的剖分依赖不如M ax w e ll 张力法强,因此本文采用虚位移方法来进行后续的计算。
4.3虚位移标志的施加在有限元计算软件ANSYS 中,为了求取所求区域所受的电磁力,需在所求区域与空气的边界上施加磁场虚位移标志(MVD I )。
具体来说,就是在所求区域内的所有节点上令MVD I =1.0,与所求区域临近的空气节点的MVDI =0.0(如图3所示)。
计算所求区域所受的磁场力后,计算结果分布地存储图3 虚位移标志添加示意图在临近的空气单元中,然后对这些空气单元中的力求和,得到所求区域所受的合力。
但是由于电动机结构的对称性,在正常的运行条件下,各部分所受的径向力将相互抵消,最终合力为零。
如果以整个定子铁心为计算对象,将虚位移标志加在定子铁心与空气的交界面上,最后计算所得的合力几乎为零,因此没有得到实际的径向力。
为了得到径向力,必须以定子铁心的一部分为计算对象。
本文以定子一个极距的铁心为计算对象,虚位移标志如图4中的粗实线所示。
在后处理中只对存储在与这部分铁心临近的空气单元中的力求和,得到了定子铁心所受的径向磁拉力。
图4 求解区域的虚位移标志5虚位移计算电磁力方法对于由n 个电流回路组成的磁场系统的储能为W m =12nk =1I k ψk(2)式中:I k 、ψk -分别表示每个回路的电流和磁链;W m -整个磁场的储能。
假定除了第p 号回路外,其余都固定不动,且回路p 也只能这样运动,即仅有一个广义坐标g 发生变化,这时在该系统中发生的功能过程是d W =d W m +f d g(3)即所有电源提供的能量(d W )等于磁场能量的增量(d W m )加上磁场力所做的功(f d g ),式中的d W 可表示成d W =nk =1I k d ψk(4)再假定各回路中的电流均保持不变,有d W m |I k =const=12nk =1I k d ψk(5)可见,d W m |I k =con st =12dW ,即外电源提供的能量有一半作为磁场能量的增量,另一半用于作机械功,即f dg =d W m |I k =con st(6)由此可得广义力f =d W m d gI k =con st=W m gI k =const(7)式中,若广义坐标g 取作电动机径向,则f 就是电动机的径向力。
D设计分析esign and analy sis 微特电机 2005年第1期 开关磁阻电动机的径向力计算18 6计算实例和步骤为了进一步说明如何用ANSYS软件求取开关磁阻电动机的径向力,在此举出一例。
电机为8/6极四相开关磁阻电动机,结构参数如表1所示。
表1 电动机的结构参数定子外径/m0.29定子内径/m0.178转子内径/m0.065气隙/m0.0008定子极弧/(°)20转子极弧/(°)23.4定子轭厚/m0.025转子轭厚/m0.0275铁心长度/m0.174 ANSYS基本分析过程包含三个步骤:(1)创建有限元模型①创建或读入实体模型;②定义材料属性;③剖分(生成节点及单元)。
(2)施加载荷并求解①施加载荷;②设定边界条件;③求解。
(3)后处理过程按照上述步骤进行分析,其中在定义材料属性时,铁心材料采用DW310-35。
在场域剖分时,采用三角形六节点单元(PLANE53),模型的剖分图如图5所示。
在施加载荷时,施加到绕组上的电流为330A。
图5 场域剖分图(-15°)7计算结果与分析转子角度0°定在定转子A相极对极位置,对计算实例的8/6极电动机,计算一个转子极距范围(从-30°～30°)内的定子A相极所受的径向力,计算结果如图6a所示。
从图6a可以看出,两相导通方式的径向力变化比单相导通方式平缓,且径向力的最大值较小,因此从减小振动和噪声的角度,两相导通方式较优;从转矩角度,两相导通方式也是优选。
从图6a还可看出,不管是单相导通还是两相导通方式,径向力发生最大变化的时刻都是计算极所对应相关断时刻(图中的0°位置)。
针对两相导通方式,图6b是0°附近的由A B-BC换相过程,可以看出如果在0°附近换相,径向力将有很大的跃变。
如果将换相时刻提前,径向力的变化将会减小,对减小振动和噪声是有好处的。
(a)(b)图6 定子A相极所受的径向力(i=330A)8结 论由计算结果可以看出,开关磁阻电动机具有很大的径向力。
电动机运行时通电相定子极受脉动的径向磁拉力作用,使壳体结构的定子产生压缩形变而振动,构成了其噪声的主要根源。
因此减小径向力的幅值,是抑制电动机噪声的有效途径。
在电动机的设计阶段,利用ANSYS软件计算出电动机的径向力,然后优化设计电动机结构以减小径向力的幅值;同时还可以优化换相时刻以减小径向力的变化,从而达到降低振动和噪声的目的。