【文章內容簡介】 繞組。因此，具有制造工序少、成本低、可靠性好、維修量小等特點。 （ 3）開關磁阻電機的轉矩與電流極性無關，只需要單向的電流激勵，理想上公率變換電路中每相可以只用一個開關元件，且與電機繞組串聯(lián)，不會像PWM 逆變器電源那樣，存在兩個開關元件直通的危險。所以，開關磁阻電機驅動系統(tǒng) SED 線路簡單且可靠性高，成本低于 PWM 交流調速系統(tǒng)。 （ 4）開關磁阻電機轉子的結構形式對轉速限制小，可制成高轉速電機，而且轉子的轉動慣量小，在電流每次換相時又可以隨時改變相匝轉矩的大小和方向，因而系統(tǒng)有良好的動態(tài)響應。 （ 5）由于開關磁阻 電機采用了獨特的結構和設計方法以及相應的控制技巧，其單位處理可以與感應電機相媲美，甚至還略占優(yōu)勢。 美中不足的是開關磁阻電機同時也存在著以下缺點： （ 1）有轉矩脈動。從工作原理可知，開關磁阻電機轉子上產生的轉矩是由一系列脈沖轉矩疊加而成的，由于雙凸極結構和磁路飽和非線性的影響，合成轉矩不是一個恒定轉矩，而有一定的諧波分量，這影響了開關磁阻電機低速運行性能。 （ 2）開關磁阻電機傳動系統(tǒng)的噪聲與震動比一般電機大。 （ 3）開關磁阻電機的出線頭較多，如三相開關磁阻電機至少有四根出線頭，四相開關磁阻電機至少有五根出線 頭，而且還有位置檢測器出線端。 沈陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)論文 6 三相 6/4 極開關磁阻電機的結構與原理分析 三相 6/4 極開關磁阻電機結構簡單，運行原理 是基于磁通總是沿磁阻最?。ù艑ё畲螅┑穆窂介]合。 三相 6/4 極開關磁阻電機的結構 開關磁阻電機采用凸極定子和凸極轉子的雙凸 極 結構 ， 并且定轉子極數(shù)不相 同， 定子 有集中繞組 ,， 轉子 上 無繞組 ，如圖 。三相 6 /4 結 構開關磁阻電機 定子有 6個齒極 (即 N s =6)， 沿圓周均勻分布 ， 其中 每個齒極上繞有一個線圈 ，徑向相對的兩個線圈串聯(lián) 便 構成 了 一相繞組可組成 A、 B、 C 三相繞組。轉子 有4個沿圓周均勻分布的齒極 (即 N r = 4)， 但 齒極上沒有繞組。 圖 三相 6/4 極開關磁阻電機的結構 三相 6/4 極 開關磁阻電機的運行原理 如圖 三相 6 /4結構開關磁阻電機的橫切面和一相電路的原理示意圖 ， S S2 是電子開關 ， VD VD2 是續(xù)流二極管 ， E 是直流電源。定子和轉子呈凸極形狀 ， 轉子由疊片構成 ， 無繞組 ， 定子繞組可根據(jù)需要采用串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)結合的形式在相應的極上得到徑向磁場 ， 轉子帶有位置檢測器以提供轉子位置信號 ， 使定子繞組按一定的順序通 斷 ， 保持電機的連續(xù)運行。電機磁阻隨著轉子磁極與定子磁極的中心線對準或錯開而變化 ， 因為電感與磁阻成反比 。 當轉子磁極在定子磁極中心線位置時 ， 相繞組電感最大 ， 當轉子極間中心線對準定子磁極中心線時 ， 相繞組電感最小。 沈陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)論文 7 圖 三相 6 /4開關磁阻 電機結構和原理示意圖 當定子 A相磁極軸線 A1A2與轉子磁極軸線 a1a2不重合時 ， 開關 S S2 閉合 ， A相繞組通電 ， 電動機內建立起以 A1A2 為軸線的徑向磁場 , 磁通通過定子軛、定子極、氣隙、轉子極、轉子軛等處閉合。通過氣隙的磁力線是彎曲的 , 此時磁路的磁導小于定、 轉子磁極軸線重合時的磁導 , 因此 , 轉子將受到氣隙中彎曲磁力線的切向磁拉力產生的轉矩的作用 , 使轉子逆時針方向轉動 , 轉子磁極的軸線 a1a2向定子 A 相磁極軸線 A1A2 趨近。 當 A1A2 和 a1a2 軸線重 合時 , 轉子已達到平衡位置 , 即 當 A 相定、轉子極對極時 , 切向磁拉力消失 , 轉子不再轉動。此時 打開 A 相 開關 S S2, 合 上 B 相 開關 , 即 在 A 相 斷電的同時 B 相通電 , 建立 以 B 相 定子磁極為軸線的磁場。依此類推 , 定子繞 組 A B C 三 相輪流通電一次 , 轉子逆時針轉動了一個轉子極距 ， 對于 三 相 6 /4極開 關磁阻電機 , 極距等于 90度 , 定子磁極產生的磁場軸線則順時針移動 了 180度 空間角?？梢?, 連續(xù)不斷地按 A B C A 的順序分別給定子各相繞組通電 , 電動機內磁場軸線 沿 A B C A 的方向不斷移動 , 轉子 沿 A C B A 的方向逆時針旋轉。如果 按 A C B A的順 序給定子各相繞組輪流通電 , 則磁場沿 著 A C B A 的方向轉動 , 轉子則沿著與之相反的 A B C A 方 向順時針旋轉。 沈陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)論文 8 開關磁阻電機分析與設計方法 一直以來， 對開關磁阻電機控制優(yōu)化研究的比較多，而對本體結構優(yōu)化設計的研究則比較少。本文研究主要是基于 ANSOFT 軟件中的 Maxwell 模塊從電機結構優(yōu)化設計方面闡述抑制轉矩脈動和噪聲的方法措施。 基于 ANSOFT 的開 關磁阻電機有限元分析介紹 ANSOFT公司 研發(fā) 的大型電磁場有限元分析軟件 Maxwell已 逐漸 成為工程設計人員和研究工作者在電子產品設計流程中 不可或缺 的重要工具。隨著 Maxwell版本的不斷更新，其應用 范圍 也 不斷 擴大，目前被廣泛應用于電機、電子、電力電子、交直流傳動、電源、電力系統(tǒng)、汽車、航空 航天、生物醫(yī)學、石油化工、國防軍工等領域，已經在通用電氣、 Rockwell、 ABB、西門子、通用汽車、寶馬、 NASA等世界知名企業(yè)與機構得到廣泛應用和驗證。 有限元法（ finite element method）是一種高效能與 常用的計算方法。基本思想是由解給定的泊松方程化為求解泛函的極值問題。原理是將連續(xù)的求解域離散為一組單元的組合體，用在每個單元內假設的近似函數(shù)來分片的表示求解域上待求的未知場函數(shù)，近似函數(shù)通常由未知場函數(shù)及其導數(shù)在單元各節(jié)點的數(shù)值插值函數(shù)來表達。從而使一個連續(xù)的無限自由度問題變成離散的有限 自由度問題 ，從而使研究問題變得簡單 。 由于電磁場數(shù)值分析和計算機仿真模擬可為產品的設計和優(yōu)化提供最可靠的依據(jù)，許多花費巨大的模擬試驗可以由數(shù)值模擬取而代之。它在國內外企業(yè)、研究單位和高校已受到非常普遍的重視并得到廣泛的應用，成為提高產品競爭力的主要手段 [17]。 Maxwell 2D是 ANSOFT系統(tǒng)設計解決方案的重要組成部分。 Maxwell 2D 是一個功能強大、結果精確、易于使用的二維電磁場有限元分析軟件。它包括電場、靜磁場、渦流場、瞬態(tài)場和溫度場分析模塊，可以用來分析電機、傳感器、變壓器、永磁設備、激勵 器等電磁裝置的靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、正常工況和故障工況的特性。它所包含的自上而下執(zhí)行的用戶界面、領先的自適應網格剖分技術、用戶定義材料庫等特點，使得 Maxwell 2D 在易用性上遙遙領先 [18] [19]。Maxwell 2D具有高性能矩陣求解器和多 CPU 處理功能，提供了最快的求解速度。ANSOFT的分析步驟一般包括： （ 1）創(chuàng)建 有限元模型； 沈陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)論文 9 （ 2）定義材料屬性； （ 3）劃分網格（節(jié)點和單元）； （ 4）施加載荷并求解：施加載荷及載荷選項、設定約束條件，然后求解； （ 5）后處理：計算或查看結果。 轉矩脈動、噪聲和振動產生的根源 開關磁阻電機 的轉矩具有脈動 ， 這是由其結構與運行原理所決定的 [20]。 開關磁阻電機 與 傳統(tǒng)交流電機 不同 ， 結構比較特別，是 雙凸極結構，運行時脈沖供電，其磁場不是圓形旋轉磁場， 而是 為步進磁場。即使某 一 相恒流供電，該相產生的電磁轉矩也并 不是 平頂波形，而是類似鐘形的不規(guī)則形狀 開關磁阻電機 的輸出轉矩 為 各相轉矩的合成 ， 顯然合成后的轉矩存在較大的脈動 ， 特別是在換相時尤為顯著 [21]。開關磁阻電機的噪聲分為電磁噪聲、機械噪聲及空氣動力噪聲，其中電磁噪聲是主要噪聲 [22]。機械噪聲和空氣動力噪 聲與電機加工制造工藝及裝配工藝有關 .。在勵磁電流換向期間的相電流消失時，徑向磁引力的迅速變化引起定子變形，變形引起的定子徑向振動導致電磁噪聲的產生。另外，開關磁阻電機本身的轉矩脈動問題對噪聲也有一定的影響。當電磁徑向引力的頻率與定子固有頻率或者基座等部件固有頻率一致時， SR 電機部件之間將產生共振 [23]。 采用的設計方法 采用合適的控制策略 , 通過對電機的各種控制參數(shù)進行最佳組合 , 實現(xiàn)轉矩脈動最小化 [24]。分析轉子模型修改對平均轉矩的影響，利用 Maxwell2D對開關磁阻電機進行磁場和轉矩 分析，最終通過分析結論得到轉矩脈動和平均轉矩的最佳點。 為了減少轉矩脈動 ， 修改轉子弧度與極弧系數(shù)，且在 每個轉子極上開一個小 槽，當小槽的開口對著旋轉的方向時，不但能減少邊緣磁通 ， 而且使電感輪廓更線性化。 用 ANSOFT 軟件分析比較這種結構對開關磁阻電機的轉矩的影響，并最終得出最優(yōu)設計。 沈陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)論文 10 本章小結 本章主要介紹了開關磁阻電機的結構和運行原理以及有限元分析。通過分析開關磁阻電機產生轉矩脈動、噪聲和振動的原因，制定了本文采用的優(yōu)化設計方法。 沈陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)論文 11 第 3 章 開關磁阻電機建模 本文中利用 ANSOFT軟件中的 Maxwell 2D模塊對開關磁阻電機進行建模以及 用瞬態(tài)模塊進行有限元計算。在求解中運用了 ANSOFT 軟件可以定義外加電路的特點，建立了三相 6/4 極開關磁阻電機的驅動電路，這使得仿真結果更加接近電機實際的情況，更能精確地反映電機的運行性能。 創(chuàng)建電機幾何模型 創(chuàng)建項目 Step 1 啟動 ANSOFT 并建立一個新的項目文件。 Step 2 定義分析類型。執(zhí)行 Project/Insert Maxwell 2D Design 命令 ，執(zhí)行Maxwell 2D/Solution Type 命令，在彈出的求解器對話框中選擇 Magic 欄下的Transient 求解器， Geometry Model 選擇 Cartesian XY，如圖 所 示 。 圖 求解器選擇 框 Step 3 重命名及保存項目文件。執(zhí)行 File/Save as 命令，將名字改為 SRM 后進行保存。 沈陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)論文 12 建模過程 由于電機的對稱性，可以取電機模型的 1/2 進行計算，不僅僅可以簡化計算過程，還可以縮短有限元計算的時間。 電機模型基本設置主要包括模型軸向長度。不同于二維靜電場與渦流場模型的求解長度自動設置為單位長度，在 ANSOFT 二維瞬態(tài)場的求解中，可以通過模型的基本設置給定模型的實際長度。 Step 1 確定模型的基本設置。右擊選擇項目管理菜單中的 Model/Set Model Depth 下拉菜單，自動彈出對話框，其中包括模型軸向長度 Model Depth 項的設定，本文中電機軸向長度為 65mm，具體設置如圖 所示。 圖 模型長度對話框 Step 2 繪 制 電 機 的 Shaft 部分。 在 Maxwell 2D 繪 圖 界 面 執(zhí) 行Draw/Arc/Center Point 依次輸入（ 0， 0），（ 15， 0），（ 15， 0）三個點。執(zhí)行 Draw/Line 命令，將（ 15， 0），（ 15， 0）這兩個點連接，執(zhí)行 Modeler/Boolean/Unite 命令，將所有線段連接，再執(zhí)行 Modeler/Surface/Cover lines 生成面。得到的 shaft 模型如圖 所示。 圖 Shaft模型 Step 3 繪制電 機 的 InnerRegion 。在 Maxwell 2D 繪圖界 面執(zhí)行Draw/Arc/Center Point 依次輸入（ 0， 0），（ 38， 0），（ 38， 0）三個點。執(zhí)行 Draw/Line 命令，將（ 38， 0），（ 38， 0）這兩個點連接，執(zhí)行 Modeler/Boolean/Unite 命 令，沈陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)論文 13 將所有線段連接，再執(zhí)行 Modeler/Surface/Cover lines 生成面。 得到模型如圖 所示。 圖 InnerRegion和 Shaft模型 Step 4 繪制電機的 band部分。在 Maxwell 2D 繪圖界面執(zhí)行 Draw/Arc/Center Point 依次輸入（ 0， 0），（ ， 0），（ ， 0）三個點。執(zhí)行 Draw/Line 命令，將（ ， 0），（ ， 0）這兩個點連接，執(zhí)行 Modeler/Boolean/Unite 命令，將所有線段連接，再執(zhí)行 Modeler/Surface/Cover lines 生成面。得到模型如圖 所示 ，最右側圖片可以看出， 里層為 InnerRegion 部分，最外層為 Band部分。 圖 Band部分的 模型 Ste