基于Maxwell2D的開關磁阻電機特性仿真

邱 銀， 郝潤科， 趙 龍， 王 磊

(上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海 200093)

0 引言

開關磁阻電機驅動系統是一種新型的機電一體化驅動裝置，由開關磁阻電機(Switched Reluctance Motor，SRM)、功率變換器、位置傳感器、控制器四個部分組成，具有結構簡單，性能優越，調速性能可靠等優點，在電動車驅動、家用電器、航空工業等領域都有很好的應用前景。

由于SRM運行過程中的非線性特征，因此在它運行的過程中會有一些參數發生非線性變化(如繞組電感、電流等)，使得對這些參數的求解變得十分困難，但這些參數對電機調速又十分重要，對于這類問題，采用有限元的方法可有效解決這一問題。本文采用了Ansoft公司的RMxprt和Maxwell2D模塊，利用有限元分析對SRM的瞬態性能進行了分析，為SRM的設計優化提供了依據。

1 電機模型的建立

以一臺12/8級的SRM為對象，利用RMxprt模塊構建電機模型，然后利用Ansoft本身的功能將RMxprt中的模型導入Maxwell2D中，繼而生成SRM的二維模型。

電機的主要參數如表1所示，定、轉子材料選用的是DW360_50，具體的模型建立過程如下:

(1)將SRM的幾何尺寸和基本的電參數，加載到RMxprt的對話框中，由軟件自動生成二維模型，如圖1所示。

表1 12/8級的SRM主要參數

圖1 SRM的二維幾何模型

(2)將生成的SRM幾何模型導入Maxwell 2D中，并且分配電機材料屬性，為了分配繞組的方便及觀測磁連的直觀性，這里仍然取了電機的整體模型。如圖2所示。

圖2 SRM 2D模型

(3)定義計算的邊界條件和繞組的激勵源，其中定義激勵時采用外加電路激勵的方法。邊界采用狄里克萊邊界條件。

(4)確定電機鐵心的損耗參數。

(5)確定運動邊界限、轉子轉速、有限元分析的時間步長，以及有限元的網格剖分。

完成了上述步驟之后就建立起了SRM的有限元分析模型，再利用Maxwell2D的瞬態模塊進行動態仿真。此循環導通，轉子就跟著定子繞組的通電順序，通過磁阻力的作用繞軸旋轉。

在功率變換器中(見圖3)由SRM等效線圈LPhaseA～LPhaseC，線圈電阻RA～RC，以及端部的漏感L1～L3構成SRM一相的繞組，S1～S6為主開關管，它們的開通與關斷都受到驅動電路的控制，VD1～VD6是單向二極管，在觸發導通期間通過單向二極管向繞組供電。VD7～VD12是續流二極管，在觸發關斷期間通過續流二極管相電源回饋電能。V4為直流電源，C1為寄生電容。

圖3 功率變換器模型

2 功率電路和驅動電路模型的建立

Ansoft軟件可以定義外加電路，通過編輯外加電路，與Maxwell中的模型構成一個完整的系統，進而進行完整的仿真分析。外電路主要由功率變化器模型和驅動電路組成。由SRM的工作原理可知，通過改變導通角θon和關斷角θoff使A、B、C三相輪流導通，即在A相觸發脈沖到來時，S1、S2同時閉合，使得直流電源和A相繞組接通，在A相繞組中產生電流，繼而產生拖動力矩，同樣在A相觸發脈沖關斷時，S1、S2同時關斷，A相繞組電流通過續流二極管向電源回饋能量;并且在關斷A相脈沖之后觸發導通B相繞組，這樣如

由SRM的工作原理可知，主開關管的通斷主要由位置傳感器傳送回的轉子位置信號決定。角度位置控制的驅動電路如圖4所示。

圖4 驅動電路模型

V1～V3為受控電壓源，通過轉子的位置信號觸發脈沖信號，從而控制S1～S6依次導通。

3 仿真結果及分析

對于三相12/8級SRM有限元仿真，直流282 V供電，通過轉速與通電頻率之間的關系:n=60fφ/Nr，假定轉速為 3 450 r/min，計算得繞組的通電周期為0.002 s，以此為依據，改變導通角θon和關斷角θoff，從而優化轉矩等參數。

利用RMxprt模塊并進行優化分析，得出輸出功率和轉速之間的關系如圖5所示;電機效率、輸出轉矩和轉速之間的關系如圖6所示;相電感和轉子位置的對應關系如圖7所示。

由圖5可看出，轉速在約1 200 r/min時，輸出的功率是最高的，為3 600 W。事實上考慮到輸出平均轉矩T和轉速n的雙重因素，可以看出當電機工作在額定轉速下，電機的輸出功率并不是最大。

由圖6可很明顯看出當電機工作在額定轉速的情況下，電機的效率是最高的，可以達到85%以上，而在轉速過高或低速運行的情況下，電機的效率得不到充分發揮，進而浪費資源。

圖7 SRM的電感曲線

在SRM中，定子、轉子鐵心都是凸極結構，轉子磁極與定子通電相的磁極相對位置不同時，磁場分布也不同，因而繞組電感也隨轉子磁極與定子磁極之間的相對位置變化而變化，當轉子轉動時，轉子的位置角θ不斷變化，電機繞組的電感就在最大電感值Lmax和最小電感值Lmin之間周期變化，在圖7中，橫軸表示的是電角度，可以發現，電感曲線的底部寬度大于頂部寬度，即電感最小值的寬度大于最大值的寬度。這其實是由于轉子槽的弧度大于轉子極弧造成的。

由圖8和圖9可看出，SRM的起動電流非常大，過大的起動電流會燒壞電機的絕緣層，因此在實際應用過程中要限制起動電流，通常采用電流斬波控制(CCC控制)，可避免過大的初始電流;在起動時，電機的輸出轉矩很大，因此SRM特別適用于電力機車等負載較重的場合。

在Maxwell2D仿真中，可以通過改變驅動電路中V1、V2、V3中的參數，來改變觸發角和關斷角，從而改善電機轉矩脈動。

利用不對稱半橋電路，設定轉子初始位置為15°，SRM工作于電動狀態。A相首先開通，通電順序為A→B→C，當設定開通角θon=0°，關斷角θoff=15°，導通角θc=15°時，得到的轉矩波形如圖10所示。改變導通角θc時轉矩脈動會有一定的改善，當θc=18°，轉矩波形如圖11所示，可以發現轉矩脈動明顯變小。

依據上述控制策略，得到電機的相電流，磁鏈等曲線分別如圖12、圖13所示。

觀察圖10發現，電機的輸出轉矩存在著很大的脈動，這是由于定、轉子雙凸極結構，并且實際上電機電感曲線的非線性特征，磁路存在著高度飽和，這些因素都會導致SRM轉矩波動。一般而言，通過優化開通角和關斷角(見圖11)，轉矩的脈動會得到一定的改善。

觀察圖12，繞組電流在通電的過程中確實處于上升段，但比較實際電流波形與理想電流波形，有一定的差距，這是因為在實際情況下，電感曲線并非線性變化，磁路存在著飽和，并且，繞組電流在收到自感影響的同時還受到相鄰繞組互感M的干擾，使得實際電流波形與理想情況相差甚遠。

仿真同時得出了在t=0.004s時的電機磁場和磁鏈的分布情況如圖14、圖15所示。

4 結語

本文利用RMxprt模塊建立了SRM模型，并在Maxwell2D環境下對SRM系統進行了仿真研究，得到電機工作在額定轉速時效率是最高的，但輸出功率卻不是最大的，同時通過改變觸發角和關斷角可以得到不同的轉矩脈動情況，也為在電機的控制上提供了依據。

［1］王宏華.開關磁阻電機調速控制系統技術［M］.北京:機械工業出版社，1995.

［2］孫建忠，白鳳仙.特種電機及其控制［M］.北京:中國水利水電出版社，2005.

［3］吳紅星.開關磁阻電機系統理論與控制技術［M］.北京:中國電力出版社，2010.

［4］趙博，張洪亮.Ansoft12在工程電磁場中的應用［M］.北京:中國水利水電出版社，2010.