基于Ansoft的开关磁阻电机建模与仿真

开关管，D S1~D S6为单向二极管，D1~D6为续流二 极管。
DS1
S1 RA LA LAend
DS4 D2
DS2 S3
D1 RB LB
LBend
D4 DS6
DS3
S5 D3
RC LC LCend
D7
Vsrc
C1
+ -
DS2
S4
S6
S2
图2 功率变换器模型
（a）
（b）
图1 SRM的二维几何模型
表1 12/8极SRM的参数表
完成以上步骤就完整地建立了开关磁阻电机 的模型，再利用Maxwell 2D的瞬态模块进行各项 性能的仿真计算。 1.2 功率变换器及驱动电路模型
Ansoft一个显著的特点是可以定义外加电路， 与模型构成一个完整系统进行仿真计算[3]。在功 率变换器中（如图2），由一个电感、电阻和端部的 漏感串联起来等效为每一相的绕组[4]，S1~S6为主
采用三相12/8极结构开关磁阻电机，定、转子
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迭片的材料都是DW465-50，电机的参数如表1所 示。开关磁阻电机模型的建立无疑是电机性能仿 真的基础，我们利用A nsof t软件建立SR M的二维 有限元模型，建立的具体过程如下：
（1）将SR M的几何尺寸和基本参数加载到 R Mxpr t软件，软件将自动生成开关磁阻电机的二 维几何模型，如图1a所示。由电机的对称性我们可 以取电机模型的1/4（如图1b所示）进行计算，这样 可以简化计算过程，缩短有限元计算的时间。
1 开关磁阻电机有限元模型的建立
开关磁阻电机（SR M）是近年来随着电力电 子技 术 和控制技 术 的发 展而诞 生的一种 特 种电 机。开 关 磁 阻电 机以其 结 构 简单、坚固、成 本低 廉、可靠性强、起动转矩大、效率高等优点，已经 在许 多 领 域 得 到 了应 用[1]。但 是，由于 开 关 磁 阻 电 机 的结 构的特 殊 性，许 多问题 极待 解 决。例 如 SR M的振动、噪声问题，开关磁阻电机的特殊应 用，以及现代控制理论在开关磁阻电机中的应用 研 究等。因此，对开 关 磁 阻电 机 的瞬 态 性 能 进行 仿真分析，了解电机的各项性能，对解决这些问题 是十分必要的。
参 考 文 献
1 王宏华．开关磁阻电机调速控制系统[M]．机械工业出版社，1995． 2 吴建华．开关磁阻电机设计与应用[M]．机械工业出版社，2000． 3 刘国强，赵凌志，蒋继娅．A n s of t工程电磁场有限元分析[M]．北
京：电子工业出版社，2005． 4 邓秋玲，陈 强，肖 锋．开关磁阻电动机调速系统．电机技术．
开关磁阻电机的相电感随转子位置的变化而 变化，并且很非线性的，因此计算和测量SRM的电 感很不方便。A nsof t软件能够输出随转子位置变 化的电感曲线，如图5所示。需要说明的是，图中的 横轴为电角度，电感的单位为m H。观察曲线可以 发现曲线底部（即电感的最小值）的宽度大于顶部 （即电感的最大值）的宽度，这是由于转子槽的弧 度大于转子极弧所造成的。
关键词：开关磁阻电机 有限元法 仿真分析 Abstract: This paper presents a modeling of switched reluctance motor by using RMxprt and Maxwell 2D from Ansoft Corporation. A complete system including additional circuit is provided and the simulation of this system has been done．Through FEA（Finite Element Analysis）of SRM，we can get the inductance curve changes following the position of rotor．We can also get the curve of torque． current and flux linkage．The result of simulation is benefit for the design of switched reluctance motor and its advanced research． Keywords: SRM Finite flement method Analysis of simulation
图7 转速－电流曲线
间变化的曲线分别如图8、图9、图10所示，电机采 用角度位置控制（A PC），开通角为22.5°，关断角 为36.525°。利用A nsof t软件的后处理功能可以计 算出电机的平均转矩为13.4027N·m，相电流的有 效值为25.3936A，这与图6、图7中曲线所示的数据
图5 SRM的电感曲线
基于Ansoft的开关磁阻电机建模与仿真
杨丽伟 张奕黄
北京交通大学（100044）
Modeling and Simulation of Switched Reluctance Motor Based on Ansoft Yang Liwei Zhang Yihuang Beijing Jiaotong University
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cosφ；效率η；转差率S。检测依据《GB1032三相异 步电动机试验方法》，三相电压、电流和电动机输 入功率的测量均采用WB系列传感器（电压、电流 精度等级≤0.5），配加二次仪表进行数字显示。同 时，通过A/D转换传输到计算机中进行处理；输出 功率测量采用转矩转速传感器加二次仪表，数字 显示转矩M、转速n、功率P，同时通过RS-232接口 传输到计算机进行数据处理。温度测量采用温度 传感 器加 二次仪 表 显 示数 据，同时通 过 A / D 转 换 传输到计算机中进行数据处理；电动机效率η、转 差率S及功率因数cosφ可通过计算机运算得出；加 载压力流量也采用传感器加二次仪表显示数字。 此 种小功率电动机试 验台已经在 新汶矿业（集 团）公司汶南煤矿和协庄煤矿应用，取得了较好的 经济效益。
2 仿真结果及分析
图6 转速－转矩曲线
图4 SRM的有限元网格剖分
利用A n sof t软件的瞬态求解器对SR M电机模 型进行计算可以得到转矩、磁链、相电流等一系列 曲线。利用A nsof t软件的后处理功能还可以对这 些瞬态曲线进行分析计算，从而得到一些统计数 据，例如转矩的平均值、相电流的有效值等。
额定功率 W 额定转速 r/min
定子极数 定子极弧/度
参数 5000 3000
12 15
额定电压 V 相数
转子极数 转子极弧/度
参数 200
3 8 16.95
由SR M的工作原理可知，主开关管的通断依 赖于转子的位置信号，故以转子位置P为变量，根 据转子位置给功率变换器提供换相信号。由角度 位置控制的驱动电路如图3所示，VSA、VSB、VSC 为受控电压源，根据转子位 置产生脉冲电压信 号，从而控制开关管S1~S6的通断。对于12/8极的开 关磁阻电机，开关管的导通周期为45度，每隔15度 就有一相导通。
（收稿日期：2007-04-10）
（2）将（1）中生成的SR M几何模型导入Maxwell 2D，定义电机材料属性。
（3）百度文库义有限元计算的边界条件及绕组中电 流的激励源。其中定义绕组激励源时采用外电路 输入的方法，建立了SRM的驱动电路模型。
（4）确定 运 动边界 限、转 子 转 速、有 限元分 析的时间步长以及有限元分析的网格划分情况等 等。
新 研 制的电动 机试 验台主 要用于75 kW以下 电动机，故采用液压泵对电动机加载。加载泵为 斜轴泵，辅助泵为齿轮泵。加载阀为意大利ATOS 公司生 产 的电 磁比例 溢 流阀，可以实 行 遥 控，其 余的阀为插装阀。数据采集 处理采用工 业控制 机。如果试验大功率电动机，加载方式需要改变。 该电动机试验台的总体布置包括：控制电动机起 动和停止的控制柜，安装各种显示仪表和传感器 的仪 表柜，以及安 装电 控 柜、仪 表柜 和计 算 机 的 控制室。其主 要 检 测 参 数 有：电 动 机 的三 相电 压 VAB、VBC、VCA；三相电流IAB、IBC、ICA；功率因数
2003（2）． （收稿日期：2007-04-10）
作者简介：杨丽伟，1980年生，女，河北石家庄人，在读硕士研究生， 研究方向为电力电子与电力传动。
电动机CAT试验台研制成功
李剑峰
最近，兖州矿业（集团）公司常州科学技术开 发研究所、山东科技大学和浙江瓶窑煤田地质局 机械厂将计算机辅助测试系统应用于电动机试验 台，提高了电动机维修后的质量，对于保证煤矿生 产的高产高效具有重要的意义。
摘 要：采用Ansoft公司的RMxprt和Maxwell 2D模 块建立了开关磁阻电机的模型，给出了电机的功率变换电 路，构建了一个完整的仿真系统。通过对SR M模型的有限 元分析，得到了SR M的随转子位置变化的电感曲线，同时 得到了转矩、相电流及磁链曲线。仿真结果为SR M的优化 设计及进一步的研究提供了理论依据。
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RSA v_1
RSB v_2
RSC v_3
VSA
+ -
VSB
+ -
VSC
+ -
图3 驱动电路模型
1.3 对模型的网格剖分 电机模型的离散化，也就是网格剖分，对有限
元计算结果的精度是非常重要的。本例中采用三 角形有限单元，首先由计算机对电机求解区域进 行自动剖分，由于计算机自动剖分过于稀疏，故而 对原剖分图进行了手工加密，重点加密了磁场变 化率较大的气隙部分，得到的剖分图如图4所示。
图9 SRM转矩曲线
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是一致的。
图10 SRM磁链曲线
3 总结
在A n s of t环境下建立电动汽车用开关磁阻 电机的二维有限元模型，完成了对S R M系统的
仿真。仿真结果比较精确地反映了开关磁阻电机 的转矩、电流、电感、磁链特性，为SR M的优化设 计、改善电机参数提供了理论依据。而且利用A nsoft软件可以对所设计电机的各项参数进行验证， 以期达到优化设计的目的，例如可以改变定转子 极弧、外径等以改善电机转矩、电流曲线等。
图6、图7分别为不同 转 速 时的 转 矩、电流曲 线。由图6可知，开关磁阻电机的起动转矩很大， 这非常适合于车用开关磁阻电机。由图7可知，低 速时的电流很大，因此，降低起动电流对开关磁阻 电机来说非常必要，在低速时可以用斩波法控制 电流。
转速为3000r/m i n时的电流、转矩、磁链随时
图8 SRM相电流曲线
目前，国内外对开关磁阻电机及其控制系统 的仿真大多是用MATLAB或者PSPICE来进行的， 这些方法一般根据电机的状态方程进行仿真。由 于开关磁阻电机的运行过程中的非线性特性，在 它运行过程必然会有一些参数发生非线性变化[2] （例如电流、电感等等），以固定参数代入方程进 行求解的方法必然带会来很大的误差，而且由于 SR电机结构特殊性，它的参数也很难由传统的参 数计算方法来精确确定。有限元法是一种离散化 数值计算方法，能够精确地对电机的性能进行仿 真。文中采用Ansoft公司的RMxprt和Maxwell 2D 模块，利用电磁场有限元方法对开关磁阻电机的 瞬态性能进行精确分析，从而完成对开关磁阻电 机的瞬态仿真研究。
本 文 以电 动 汽 车用 开 关 磁 阻电 机 为 研 究 对 象。首先根据SRM的基本参数在Ansoft RMxprt中 生成了二维几何模型，然后利用A nsof t本身的接 口将几何模型导入Maxwell 2D，再用Maxwell 2D 中的瞬态模块进行有限元计算。求解中运用了A ns of t软件可以定义外加电路的特点，建立了SR M的 驱动电路模型，与模型构成一个完整系统进行仿 真。这使得仿真结果更加接近电机实际运行的情 况，更为精确地反映了电机的运行性能。 1.1 SRM模型的建立