开关磁阻电机磁路优化设计及性能分析_高金行

P roc E lect r. Pow er A pp,l 1998, 145( 4) : 387 392. [ 2] 李剑, 康勇. 单相 SPWM 逆变器的死区效应分析 和补偿策略
[ J] . 电气传动, 2003, 2 ( 1) : 12 17. [ 3] 王兆安, 杨君, 刘 建军. 谐波 抑制 和无功 补偿 [M ]. 北京:
表 2 绕组电流 5 A 时铁心各部位磁密 ( T )
定子极尖 定子极身 定子轭部 转子极尖 转子极身 定子轭部
a 1 15 /1 10 1 28 0 97 1 21 1 27 0 91 hr 0 94 /0 90 0 76 0 63 1 12 0 67 0 36 1 0 70 /0 67 0 45 0 25 0 67 0 23 0 39 u 0 35 /0 30 0 23 0 18 0 13 0 11 0 10
30 4 66 4 68
9
收稿日期: 2008 03 05
第二气隙 g i /mm 3 58 定子槽深 ds /mm 9 定子极弧 s /( ) 32 每相绕组匝数 w c 44
图 1 开关磁阻电机结构图
1 1 数学模型
使用有限元分析可以通 过计算矢量磁 位 A 来 确定磁通。非线性泊松方程式为:
x(V
系统能量为储存 的磁能量和电网 输入能量差
值在体积上的积分。能量函数 F (A ) 对矢量磁位 A
的偏微分值, 在 R 区域内应为零。
F A
=
B
A
H
0
dB
-
J
dv =
0
( 3)
计算程序的数学处理需要把 R 区域的二维元
场分解成为大小和方向 可变的三角形 单元, 其变
化规律由矢量磁位 A 来确定。应用 Anso ft软件可对
( 4)少极数电机要考虑尺寸取值的综合效应, 应 特殊对待, 不必依照上述结论。 ( 下转第 71页 )
一种 PWM 控制逆变电路的死区补偿研究 刘建华
t*1
=
t1 - T d =
T (H 4H +
+ y1
y1 -
) y2
+
t1 - T d
( 6)
t*2
=
t2 =
T ( 3H - y1 ) + 4H + y2 - y1
1 磁场有限元分析
典型三相 6 /4极 开关磁阻电 机结构如 图 1所 示; 主要尺寸见表 1。
表 1 电机尺寸
定子外径 D 0 /mm 转子外径 D a /mm 铁心叠长 la /mm
气隙 g /mm
42 转子极弧 r / ( ) 25 8 定子轭高 hcs /mm
60 转子轭高 hcr /mm 0 3 轴径 D i /mm
中图分类号: TM 352
开关磁阻电机磁路优化设计及性能分析 高金行, 等
文献标志码: A
文章编号: 1001 6848( 2008) 12 0067 02
开关磁阻电机磁路优化设计及性能分析
高金行, 陈 峥, 林 辉
(西北工业大学, 西安 710072)
摘 要: 以三相 6 / 4极开关磁阻电动机为研究对象, 借助 Anso ft软件对电机磁路进行分析计算, 建立铁耗数学模型, 优化结构参数, 研究减少铁耗的方法。分析了极弧对转矩脉动的影响。系 统调试结果证明电机性能可以满足使用要求。 关键词: 开关磁阻电机; 有限元分析; 定转子极弧; 磁路结构; 铁耗
作者简介: 刘建华 ( 1964 - ) , 男 , 硕士生, 副教授, 研究方 向为电力系统自动化。
( 上接第 68页 )
图 4 相同峰值电流条件下极弧对转矩的影响
3 样机测试
样机测试数据见表 3。
表 3 样机数据
额定值 输入 /W 输出 /W 铁损 /W 总损 /W 温升 /
设计值 276
220
+
t1 - T d
( 9)
3结 语
本文在 PWM 控制逆变电路中采用电流反馈型 死区补偿方法, 不仅 能够有效地降低 逆变器的死 区效应, 而且硬件 实现简单, 计算量小, 提高了 运行稳定性。
参考文献
[ 1] L iu Y H, Chen C L. N ovel D ead T im e Com pen sat ion M ethod for Induction M otor D rives U sing Space V ector M odu lation [ J] . IEE
此进行数学解算, 使 用零矢量磁位并 使其强制在
合格的网点上。
1 2 有限元计算
有限元计 算和实际测量结 果表明, 电机磁场 分布与定转子相对位置有关。如图 2所示, 有 4个 转子位置下的磁化曲线 是至关重要的。精确获得 这 4个转子位置下的磁通密度分布可比较准确地拟 和出其它转子位置下的磁化曲线。 4个转子位置分 别是: ( 1)转子极中心线与励磁极中心线重合位置
20
56
45
测试值 263
220
16
42
40
效率 / % 80 84
测试数据充分说明: 开关磁阻电机效率高低、 性能优劣, 很重要的因素取决于合理的磁路设计; 需要把有限元设计和电机经 典设计理论有机 地结 合起来, 研究极弧取值和电感、转矩、谐波频率、 幅值和铁耗、磁路特殊位置和 磁化曲线族之 间的 相互关系, 优化设计, 方 可达到转矩 波动小、噪 声低、效率高的目的。
t1
( 7)
同样, 当 iA 大于零时, 也只需将调制得到的下桥
臂关断时间点提前 T d 即可。由式 ( 4) 和式 ( 5) 得补
偿后的 PWM 控制信号的脉宽数据为:
t*1
=
t1 =
T (H 4H +
+ y1
y1 -
) y2
+
t1
( 8)
t*2
=
t2
-
T
d
=
T( 4H
3H + y2
y1 ) - y1
南大学学报, 1997, 27( 5 ): 128 132. [ 7] Jeng S G, Park M H. The A nalys is and Compersat ion of D ead
t im e E f fects in PWM Inverters [ J] . IEEE T rans. Ird E lectron, 1991, ( 2) : 108 115. [ 8] 薛向 党, 李 国 民. PWM 逆 变器 死 区解 耦 控 制方 法 的研 究 [ J] . 电力电子技术, 1998, 32( 2 ) : 21 24. [ 9] 黄文新, 胡育文. 一种新颖的空 间电压矢量调制 逆变器的死 区补 偿 方 法 [ J ]. 南 京 航 空 航 天 大 学 学 报, 1991, ( 2 ) : 108 115.
பைடு நூலகம்
图 3 定转子极弧取值对转矩的影响
图 2 典型转子位置磁场分布图
1 3 结果分析 当 IB = 5 A, IA = IB = 0时, 由图 2看出, a 位
置下, 绝大部分磁通 比较均匀地经定 子励磁极和 转子铁心而 闭合, 可 等效 简单 的两 极磁 路模 型;
hr位置由 于磁 路局部 饱和 及磁 分流 的存在, 定、 转子磁极的部分重叠, 是磁极中的磁 场分布不均
A x
)
+
y( V
A y
)
=
-
J
( 1)
式中, V 为磁阻; J 为电流密度。
数学解算的边界条件为:
B
F (A ) = [ VB dB - JA ] dx dy ( 2)
R
0
67
微电机
式中, R 为所考虑的 x - y 平面中二维元场的区域;
第一个积分表示在区域 内储存的磁能, 第二个积
分给出了位于 R 区域内输入能量。
机械工业出版社, 1998. [ 4] 钱照明, 叶忠明, 董 伯藩. 谐波 抑制技术 [ J] . 电力 系统自
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国电机工程学院, 2004, 24( 3 ): 41 45. [ 6] 何建军, 周鹗. PWM 逆变器中死区效应的定 量分析 [ J] . 东
a; ( 2) 转子极前沿与励磁极中心线重合位置 hr; ( 3) 转子极前沿与励磁极前沿重合位置 1; ( 4) 转 子极间中心线与励磁极中心线重合位置 u。
2008年第 41 卷第 12期
匀, 愈接近磁极表 面局部饱 和程度愈 高, 等效 于 磁极截面减小量愈多; 1 位置磁场分布不对 称于 励磁极, 并存在定子极尖的局部饱和; 位置 u 磁 场对 称于 励磁 极。由 于气 隙很 大、铁 心不 饱和, 磁化曲线实际为一条直线。绕组电流 5 A时铁心各 部位磁密如表 2所示。
0引 言
开关磁阻电动机 ( SRM ) 特性的非 线性导致相 绕组供电电压和电流波 形较为复杂, 因此对铁耗 的计算与测 量颇为困 难。如何 建立准确、实用的 铁耗计算模 型和分析、测试手 段, 是首 先要解决 的问题。本 文通过 对飞 机刹车 用 SR 电机 磁路计 算, 研究了磁通密度 波形与铁 耗模型, 优化了电 机设计, 系 统调 试 证 明 电 机性 能 指 标 满 足使 用 要求。
M agnetic C ircu it D esign Op tim ization and Perform an ce Analysis for Sw itched R eluctance M otor GAO Jin x ing, CHEN Zheng, L IN H ui
( Northw estern Po lytechn ical Un iversity, X i an 710072, China) Abstract: Based on 3 phase 6 / 4 po le sw itched reluctance m otor ( SRM ), the m o tor s m agnetic circu it w as ca lculated using Ansof,t the iron loss m ode l w as built and the m o tor s param eters w ere opt im ized. Through ana lyzing m agnetic flux density and gap flux w aveform, the m ethod to decrease iron lossw as in troduced, the influence wh ich the pole arc affect m otor s torque triple w as investigated and the perform ance o f SRM w as optim ized. It w as concluded that the m o tor s perform ance sat isfied user s dem and. K ey W ords: Sw itched re luctance mo tor; FEM; Stato r and rotor po le arcs; Structure of flux c ircu i;t Iron loss
随着转子位 置的变化, 铁 心极身和轭部 的饱 和程度明显增加。最大磁通密度 1 27T 在定转子磁 极临界重合处。除极尖外, 铁心其它部分不饱和。
2 定转子极弧对转矩的影响分析
极弧对电机性能影响的分析如下: ( 1)由图 3波形看出: r = s 条件下, 电流从 峰值到完全关断存在一延时角 f。此角度使电机产 生了反向 转矩, 从而降 低了平均 转矩。当 r > s 时, ( r - s ) 存 在一段死区, 此时电 流不产生 转 矩, 避免了 反向 转矩 的出 现, 减 小了 转矩 脉动, 进而提高了平均转矩。
参考文献
[ 1] 王宏华. 开关型磁阻电动机调速控制技术 [ M ]. 北京: 机械 工业出版社, 1995.
[ 2] 吴建华著. 开关 磁阻 电机 设计 与 应用 [M ]. 机械 工业 出版 社, 2000.
[ 3] 刘国强编著. A nsoft工程电磁场 有限元分 析 [ M ] . 电 子工业 出版社, 2005.
68
( 2)由图 4波形分析可知, 在 ( a) r = s、 ( b ) r > s 两种条件下, 采用相电流提前导通、关断均 可消除反向转矩的产生。其区别 r > s 时电流导 通的 宽 度大 于 r = s 状态, 平均 电 磁转 矩相 应 加大。
( 3)极弧取值直接影响着转矩输出, 合理取值 避免反向转矩产 生, 可有效 提高输出 转矩, 减 小 转矩脉动, 降低噪声, 改善电机的综合性能。