三相6_4极开关磁阻电机转矩特性分_析与优化设计毕业论文(编辑修改稿)

三相6_4极开关磁阻电机转矩特性分_析与优化设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

倍。 （ 2）电机的结构简单，转子上没有任何形式的绕组；定子上只有简单的集中绕组。 因此，具有制造工序少、成本低、可靠性好、维修量小等特点。 （ 3）开关磁阻电机的转矩与电流极性无关，只需要单向的电流激励，理想上公率变换电路中每相可以只用一个开关元件，且与电机绕组串联，不会像PWM 逆变器电源那样，存在两个开关元件直通的危险。 所以，开关磁阻电机驱动系统 SED 线路简单且可靠性高，成本低于 PWM 交流调速系统。 （ 4）开关磁阻 电机转子的结构形式对转速限制小，可制成高转速电机，而且转子的转动惯量小，在电流每次换相时又可以随时改变相匝转矩的大小和方向，因而系统有良好的动态响应。 （ 5）由于开关磁阻电机采用了独特的结构和设计方法以及相应的控制技巧，其单位处理可以与感应电机相媲美，甚至还略占优势。 美中不足的是开关磁阻电机同时也存在着以下缺点： （ 1）有转矩脉动。 从工作原理可知，开关磁阻电机转子上产生的转矩是由一系列脉冲转矩叠加而成的，由于双凸极结构和磁路饱和非线性的影响，合成转矩不是一个恒定转矩，而有一定的谐波分量，这影响了开关磁阻电 机低速运行性能。 （ 2）开关磁阻电机传动系统的噪声与震动比一般电机大。 （ 3）开关磁阻电机的出线头较多，如三相开关磁阻电机至少有四根出线头，四相开关磁阻电机至少有五根出线头，而且还有位置检测器出线端。 沈阳工业大学本科生毕业论文 6 三相 6/4极开关磁阻电机的结构与原理分析 三相 6/4 极开关磁阻电机结构简单，运行原理 是基于磁通总是沿磁阻最小（磁导最大）的路径闭合。 三相 6/4 极开关磁阻电机的结构 开关磁阻电机采用凸极定子和凸极转子的双凸 极 结构 ， 并且定转子极数不相 同， 定子 有集中绕组 ,， 转子 上 无绕组 ，如图。 三相 6 /4 结 构开关磁阻电机 定子有 6个齿极 (即 N s =6)， 沿圆周均匀分布 ， 其中 每个齿极上绕有一个线圈 ，径向相对的两个线圈串联 便 构成 了 一相绕组可组成 A、 B、 C 三相绕组。 转子有4个沿圆周均匀分布的齿极 (即 N r = 4)， 但 齿极上没有绕组。 图 三相 6/4 极开关磁阻电机的结构 三相 6/4 极 开关磁阻电机的运行原理 如图 三相 6 /4结构开关磁阻电机的横切面和一相电路的原理示意图 ， S S2 是电子开关 ， VD VD2 是续流二极管 ， E 是直流电源。 定子和转子呈凸 极形状 ， 转子由叠片构成 ， 无绕组 ， 定子绕组可根据需要采用串联、并联或串并联结合的形式在相应的极上得到径向磁场 ， 转子带有位置检测器以提供转子位置信号 ， 使定子绕组按一定的顺序通断 ， 保持电机的连续运行。 电机磁阻随着转子磁极与定子磁极的中心线对准或错开而变化 ， 因为电感与磁阻成反比。 当转子磁极在定子磁极中心线位置时 ， 相绕组电感最大 ， 当转子极间中心线对准定子磁极中心线时 ， 相绕组电感最小。 沈阳工业大学本科生毕业论文 7 图 三相 6 /4开关磁阻 电机结构和原理示意图 当定子 A相磁极轴线 A1A2与转子磁极轴线 a1a2不重合时 ， 开关 S S2 闭合 ， A相绕组通电 ， 电动机内建立起以 A1A2 为轴线的径向磁场 , 磁通通过定子轭、定子极、气隙、转子极、转子轭等处闭合。 通过气隙的磁力线是弯曲的 , 此时磁路的磁导小于定、转子磁极轴线重合时的磁导 , 因此 , 转子将受到气隙中弯曲磁力线的切向磁拉力产生的转矩的作用 , 使转子逆时针方向转动 , 转子磁极的轴线 a1a2向定子 A 相磁极轴线 A1A2 趋近。 当 A1A2 和 a1a2 轴线重 合时 , 转子已达到平衡位置 , 即 当 A 相定、转子极对极时 , 切向磁拉力消失 , 转子不再转动。 此时 打开 A 相 开关 S S2, 合 上 B 相 开 关 , 即 在 A 相 断电的同时 B 相通电 , 建立 以 B 相 定子磁极为轴线的磁场。 依此类推 , 定子绕 组 A B C 三 相轮流通电一次 , 转子逆时针转动了一个转子极距 ， 对于 三相 6 /4极开 关磁阻电机 , 极距等于 90度 , 定子磁极产生的磁场轴线则顺时针移动 了 180度 空间角。 可见 , 连续不断地按 A B C A 的顺序分别给定子各相绕组通电 , 电动机内磁场轴线 沿 A B C A 的方向不断移动 , 转子 沿 A C B A 的方向逆时针旋转。 如果 按 A C B A的顺 序给定子各相绕组 轮流通电 , 则磁场沿 着 A C B A 的方向转动 , 转子则沿着与之相反的 A B C A 方 向顺时针旋转。 沈阳工业大学本科生毕业论文 8 开关磁阻电机分析与设计方法 一直以来，对开关磁阻电机控制优化研究的比较多，而对本体结构优化设计的研究则比较少。 本文研究主要是基于 ANSOFT 软件中的 Maxwell 模块从电机结构优化设计方面阐述抑制转矩脉动和噪声的方法措施。 基于 ANSOFT 的开 关磁阻电机有限元分析介绍 ANSOFT公司 研发 的大型电磁场有限元分析软件 Maxwell已 逐渐 成为工程设计人员和研究工作者在 电子产品设计流程中 不可或缺 的重要工具。 随着 Maxwell版本的不断更新，其应用 范围 也 不断 扩大，目前被广泛应用于电机、电子、电力电子、交直流传动、电源、电力系统、汽车、航空航天、生物医学、石油化工、国防军工等领域，已经在通用电气、 Rockwell、 ABB、西门子、通用汽车、宝马、 NASA等世界知名企业与机构得到广泛应用和验证。 有限元法（ finite element method）是一种高效能与 常用的计算方法。 基本思想是由解给定的泊松方程化为求解泛函的极值问题。 原理是将连续的求解域离散为一组单元的组合体，用在每 个单元内假设的近似函数来分片的表示求解域上待求的未知场函数，近似函数通常由未知场函数及其导数在单元各节点的数值插值函数来表达。 从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题 ，从而使研究问题变得简单。 由于电磁场数值分析和计算机仿真模拟可为产品的设计和优化提供最可靠的依据，许多花费巨大的模拟试验可以由数值模拟取而代之。 它在国内外企业、研究单位和高校已受到非常普遍的重视并得到广泛的应用，成为提高产品竞争力的主要手段 [17]。 Maxwell 2D是 ANSOFT系统设计解决方案的重要组成部分。 Maxwell 2D 是一个功能强大、结果精确、易于使用的二维电磁场有限元分析软件。 它包括电场、静磁场、涡流场、瞬态场和温度场分析模块，可以用来分析电机、传感器、变压器、永磁设备、激励器等电磁装置的静态、稳态、瞬态、正常工况和故障工况的特性。 它所包含的自上而下执行的用户界面、领先的自适应网格剖分技术、用户定义材料库等特点，使得 Maxwell 2D 在易用性上遥遥领先 [18] [19]。 Maxwell 2D具有高性能矩阵求解器和多 CPU 处理功能，提供了最快的求解速度。 ANSOFT的分析步骤一般包括： （ 1）创建 有限元模 型； 沈阳工业大学本科生毕业论文 9 （ 2）定义材料属性； （ 3）划分网格（节点和单元）； （ 4）施加载荷并求解：施加载荷及载荷选项、设定约束条件，然后求解； （ 5）后处理：计算或查看结果。 转矩脉动、噪声和振动产生的根源 开关磁阻电机 的转矩具有脉动 ， 这是由其结构与运行原理所决定的 [20]。 开关磁阻电机 与 传统交流电机 不同 ， 结构比较特别，是 双凸极结构，运行时脉冲供电，其磁场不是圆形旋转磁场， 而是 为步进磁场。 即使某 一 相恒流供电，该相产生的电磁转矩也并 不是 平顶波形，而是类似钟形的不规则形状 开关磁阻电机 的输出转矩 为 各相转矩的合成 ， 显 然合成后的转矩存在较大的脉动 ， 特别是在换相时尤为显著 [21]。 开关磁阻电机的噪声分为电磁噪声、机械噪声及空气动力噪声，其中电磁噪声是主要噪声 [22]。 机械噪声和空气动力噪声与电机加工制造工艺及装配工艺有关 .。 在励磁电流换向期间的相电流消失时，径向磁引力的迅速变化引起定子变形，变形引起的定子径向振动导致电磁噪声的产生。 另外，开关磁阻电机本身的转矩脉动问题对噪声也有一定的影响。 当电磁径向引力的频率与定子固有频率或者基座等部件固有频率一致时， SR 电机部件之间将产生共振 [23]。 采用的设计方法 采用 合适的控制策略 , 通过对电机的各种控制参数进行最佳组合 , 实现转矩脉动最小化 [24]。 分析转子模型修改对平均转矩的影响，利用 Maxwell2D对开关磁阻电机进行磁场和转矩分析，最终通过分析结论得到转矩脉动和平均转矩的最佳点。 为了减少转矩脉动 ， 修改转子弧度与极弧系数，且在 每个转子极上开一个小 槽，当小槽的开口对着旋转的方向时，不但能减少边缘磁通 ， 而且使电感轮廓更线性化。 用 ANSOFT 软件分析比较这种结构对开关磁阻电机的转矩的影响，并最终得出最优设计。 沈阳工业大学本科生毕业论文 10 本章小结 本章主要介绍了开关磁阻电机的结构和运行原 理以及有限元分析。 通过分析开关磁阻电机产生转矩脉动、噪声和振动的原因，制定了本文采用的优化设计方法。 沈阳工业大学本科生毕业论文 11 第 3 章 开关磁阻电机建模 本文中利用 ANSOFT软件中的 Maxwell 2D模块对开关磁阻电机进行建模以及 用瞬态模块进行有限元计算。 在求解中运用了 ANSOFT 软件可以定义外加电路的特点，建立了三相 6/4 极开关磁阻电机的驱动电路，这使得仿真结果更加接近电机实际的情况，更能精确地反映电机的运行性能。 创建电机几何模型 创建项目 Step 1 启动 ANSOFT 并建立一个新的项目文件。 Step 2 定义分析类型。 执行 Project/Insert Maxwell 2D Design 命令，执行Maxwell 2D/Solution Type 命令，在弹出的求解器对话框中选择 Magic 栏下的Transient 求解器， Geometry Model 选择 Cartesian XY，如图 所 示。 图 求解器选择 框 Step 3 重命名及保存项目文件。 执行 File/Save as 命令，将名字改为 SRM 后进行保存。 沈阳工业大学本科生毕业论文 12 建模过程 由于电机的对称性，可以取电机模型的 1/2 进行计算，不仅仅可以简化计算过程，还可以缩短有限元计算的时间。 电机模型基本设置主要包括模型轴向长度。 不同于二维静电场与涡流场模型的 求解长度自动设置为单位长度，在 ANSOFT 二维瞬态场的求解中，可以通过模型的基本设置给定模型的实际长度。 Step 1 确定模型的基本设置。 右击选择项目管理菜单中的 Model/Set Model Depth 下拉菜单，自动弹出对话框，其中包括模型轴向长度 Model Depth 项的设定，本文中电机轴向长度为 65mm，具体设置如图 所示。 图 模型长度对话框 Step 2 绘制电机的 Shaft 部分。 在 Maxwell 2D 绘图界面执行Draw/Arc/Center Point 依次输入（ 0， 0），（ 15， 0），（ 15， 0）三个点。 执行 Draw/Line 命令，将（ 15， 0），（ 15， 0）这两个点连接，执行 Modeler/Boolean/Unite 命令，将所有线段连接，再执行 Modeler/Surface/Cover lines 生成面。 得到的 shaft 模型如图 所示。 图 Shaft模型 Step 3 绘 制电 机 的 InnerRegion。 在 Maxwell 2D 绘 图界 面 执 行Draw/Arc/Center Point 依次输入（ 0， 0），（ 38， 0），（ 38， 0）三个点。 执行 Draw/Line 命令，将（ 38， 0），（ 38， 0）这两个点连接，执行 Modeler/Boolean/Unite 命 令，沈阳工业大学本科生毕业论文 13 将所有线段连接，再执行 Modeler/Surface/Cover lines 生成面。 得到模型如图 所示。 图 InnerRegion和 Shaft模型 Step 4 绘制电机的 band部分。 在 Maxwell 2D 绘图界面执行 Draw/Arc/Center Point 依次输入（ 0， 0），（ ， 0），（ ， 0）三个点。 执行 Draw/Line 命令，将（ ， 0），（ ， 0）这两个点连接，执行 Modeler/Boolean/Unite 命令，将所有线段连接，再执行 Modeler/Surface/Cover lines 生成 面。 得到模型如图 所示 ，最右侧图片可以看出， 里层为 InnerRegion 部分，最外层为 Band部分。