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基于场路耦合仿真的开关磁阻电机教学

分类:(二) 发表时间:2019-07-21

随着中国制造2025战略规划的实施, 智能制造已成我国制造业创新发展的重要推动力。立足核心零部件为智能制造构建新的解决方案, 是新时期运动控制产业的发展趋势。作为核心零部件

随着“中国制造2025”战略规划的实施, 智能制造已成我国制造业创新发展的重要推动力。立足核心零部件为智能制造构建新的解决方案, 是新时期运动控制产业的发展趋势。作为核心零部件的电机驱动系统应用越来越广泛, 开关磁阻电机、永磁同步电机和无刷直流电机等特种电机, 不仅成为“电机学”的教学大纲和教学内容, 而且还不断完善和充实了“电机学”的教学大纲和教学内容, 以满足国家对电气类工程技术人才日益增长的需求。

开关磁阻电机定、转子为双凸极结构, 定子嵌有集中式绕组, 转子无绕组和永磁体, 具有结构简单坚固、低成本、耐高温和高速适应性强等特点, 在航空航天、精密加工、电动汽车等军事和民用领域应用广泛[1]

开关磁阻电机的结构和磁场分布, 均与传统异步电机和同步电机存在较大差异, 其工作原理、控制方法和运行特性较为特殊, 这给教学工作提出了更高要求。在讲述该电机的结构原理时, 学生往往难以理解[2]。为此, 本文利用在工程技术和科研人员中使用广泛的有限元分析软件Ansys Maxwell, 建立开关磁阻电机的“磁场-电路”耦合模型, 对其磁场分布、电流波形和电磁转矩等动态性能加以分析, 利用软件提供的磁力线、磁通密度图、电路模型等辅助教学方法, 培养学生形象思维能力, 提高学生兴趣, 并加深对其结构、原理及应用的理解。

1 场路耦合仿真建模

Ansys Maxwell软件包括磁路计算模块RMxprt和有限元分析模块Maxwell 2D, 是电机性能仿真、优化设计和磁场分析的得力工具。基于Maxwell电机有限元建模时, 既可使用类似CAD制图的界面操作, 也可以采用RMxprt模块直接生成, 直观方便, 有利于初学者理解掌握[3]

本文利用RMxprt模块直接生成开关磁阻电机的Maxwell二维有限元场路耦合模型。在RMxprt环境下, 输入表1所示的12/8极开关磁阻电机的电气、结构和控制等相关参数后, 即可完成其磁路计算模型, 如图1所示。

磁路计算后, 直接可获得电机的众多性能参数和曲线, 如磁链、电感、输出功率、电流、输出转矩、效率等性能指标。

表1 12/8极开关磁阻电机主要参数    下载原表

表1 12/8极开关磁阻电机主要参数
图1 基于RMxprt的二维磁路模型

图1 基于RMxprt的二维磁路模型   下载原图

 

图2为12/8极开关磁阻电机的相电感曲线, 其变化周期为360°电角度, 相应的机械周期角为45°, 便于学生掌握电角度与机械角度的关系。另外, 在0°位置处的磁阻最大, 相电感最小;180°电角度 (22.5°机械角) 位置处的磁阻最小, 电感最大, 可使学生更直观地理解电感与磁阻的概念。

图2 相电感曲线

图2 相电感曲线   下载原图

 

图3为基于Maxwell的二维有限元场路耦合模型。有限元模型与功率电路配合仿真, 方便学生理解功率电路和驱动电路的设计思路, 从而掌握开关磁阻电机的运行原理和控制方法。

图3 基于Maxwel l的二维场路耦合模型

图3 基于Maxwel l的二维场路耦合模型   下载原图

 

2 结果分析

2.1 磁场分析

图4和图5别为12/8极开关磁阻电机在0°和22.5°机械角位置的磁力线和磁通密度分布。磁力线和磁通密度均穿过气隙, 形成闭合的磁通环路。在0°位置, 磁路磁阻大, 磁通密度小且存在明显漏磁;在22.5°机械角位置, 磁阻小, 磁路密度大且漏磁小。通过图像展示, 可让学生更为深刻地理解磁阻对开关磁阻电机磁场的影响。

图4 磁力线分布

图4 磁力线分布   下载原图

 

图5 磁通密度分布

图5 磁通密度分布   下载原图

 

2.2 动态性能分析

图6为转速为3000rpm时的三相电流波形, 开关磁阻电机采用角度位置控制时, 三相电流为单脉冲形状。为提升转速和输出功率, 可通过调节相绕组的开通角和关断角来实现, 进而使学生理解该类电机的调速特性和优点。

图6 三相电流波形

图6 三相电流波形   下载原图

 

开关磁阻电机单相励磁时的相转矩表达式为[4]:

 

式中, Te为相转矩, i为相电流, L为相电感, θ为转子位置角。式 (1) 显示, 开关磁阻电机的转矩与相电流的平方和相电感变化率成正比, 与电流的方向无关。结合图2所示的相电感曲线可知, 在电感上升区将产生正转矩, 在电感下降区产生负转矩。因此, 为提升开关磁阻电机的输出转矩, 尽量避免相绕组在电感下降区导通。

图7为转速为3000rpm时的输出电磁转矩, 结果显示开关磁阻电机的输出转矩脉动大。为减小转矩脉动, 可从相电流波形和电机结构两个方面考虑, 从而使学生更透彻地理解开关磁阻电机转矩计算的理论公式。

图7 输出转矩波形

图7 输出转矩波形   下载原图

 

3 总结

本文基于Ansys Maxwell软件建立了12/8极开关磁阻电机的磁场-电路耦合模型, 分析了其电磁和动态性能。通过过程演示和图形动画显示, 可直观展示开关磁阻电机内部磁场分布和运行状态, 有利于减小电机理论的抽象性对学生理解认识和学习兴趣的影响, 进而提升学生对电机结构、理论及驱动系统的掌握及工程实践能力。



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文章名称:基于场路耦合仿真的开关磁阻电机教学

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