基于Magnet的三相开关磁阻电动机建模与仿真研究
重辉，罗玲，陈俊硕
（西北工业大学自动化学院，西安71012,9）
摘要：基于M8gnet仿真环境，根据电机的结构参数，建立了三相6/4极开关磁阻电动机(SRM)的系统仿真模型。通过仿真分析，得到了电机的磁场分布，静态磁链特性以及稳态运行特性；并用实际研制电机的实验结果对仿真结果进行了验证，仿真结果与实验结果接近，验证了有限元仿真分析结果的正确性。
关键词：开关磁阻电动机；有限元法；Magnet软件；仿真
中图分类号：TM352 文献标志码：A 文章编号：1001-6848（2010）02-0023-03
O引 言
开关磁阻电机驱动系统( SRD)是由开关磁阻电机本体(SRM)、功率变换器、控制器和位置传感器四部分组成。它的结构简单坚固，调速范围宽，调速型性能优异，而且在整个调速范围内都具有较高的效率，系统可靠性高，是各国研究和开发的热点之一。它兼有异步电动机调速系统和直流电动机调速系统的特点，目前广泛应用于电动车驱动、家用电器、民用工业、航天工业和伺服系统等各个领域，市场发展潜力很大。
开关磁阻电动机磁场分布复杂，磁路周期性变化并存在严重的局部饱和，其设计和性能分析与传统电机差异较大，很难利用等效磁路法分析电机磁场。本文利用Magnet对SRM样机的磁场分布、静态磁链特性阻及稳态运行特性进行了仿真，给出了一系列对设计及控制系统有一定指导意义
1 系统仿真模型的建立
1.1 SRM电机本体模型的建立
利用Magnet建立SRM的二维有限元模型，建模过程如下：
(1)选择求解平面；
(2)确定电机的结构尺寸，域出模型；
(3)确定电机各部分的材料属性；
(4)确定外加载荷及时间步长等。
本文研宄的SRM样机采用三相6/4极结构，定转子材料均为DW310-35，转轴采用10#钢，样机的结构参数和主要性能指标如表l所示。
根据表1的结构参数，在MagIlet的编辑建模窗口下建立的二维几何模型如图1所示。
定子每槽导体数48，两根直径0.48 mm导线并绕。模型中定转子间的圆将气隙分为定子静止气隙和转子旋转气隙两部分。
1.3功率变换器与位置检测建模
图3为建立的不对称半桥结构三相SRD功率变换器主电路。
以A相为例，该拥有两个主开关pcsl、pcs4及续流二极管Dl、D4。其中主开关管pcsl、pcs4是同时导通和关断的。当pcsl、pcs4导通时，Dl、D4截止，电源U加至A相两端；当pcsl、pcs4关断时，A相绕组产生正向变压器电动势，则Dl、D4导通，电流通过DI、D4及储能电容Cl续流。主开关用Magnet的位置开关来实现，通过预先设置各位置开关的导通、关断位置就可以为功率变换器提供正确的换相信息。
本文中A相开关管开通角为0度，关断角为28度，开通关断周期为90度。B、C两相开关管开通角分别与A相相差30度和60度，周期与A相相同。
2有限元仿真结果
2.1求解后的磁场及磁密分布
在SRM的磁化曲线中，有四个转子位置的磁化曲线是至关重要的。一旦获得这四个位置下的磁化盐线，则可以快速而精确地拟舍出其它转子位置下的磁化曲线，计算出SRD的各项性能。这四个位置是：转子极间中心线与励磁极中心线对齐位置θu；转子极前沿与励磁极前沿对齐位置θ1；转子极前沿与励磁极中心线对齐位置θhr；转子极中心线与励磁极中心线对齐位置θa。
求解后通过后处理得到电机加载后的磁化曲线分布如图4所示。
由图4可以看出样机的磁场分布随转子的位置发生变化，在θ1、θhr。位置，气隙磁场发生扭曲，而磁场的扭曲产生切向磁拉力，所以转子位置对电机的转矩影响很大。
2.2静态电磁特性
通过Magnet的Siatic2D模块可以得到SRM的静态电磁特性，图5为仿真后样机的静态磁链特性。设θu位置为0度，转子逆时针旋转为正方向。
由图5可以看出，当转子位置角θ≤15度时，磁化曲线基本上为直线。在15度- 450之间磁路趋于饱和。通过O度和45度两条磁化曲线，可以求出样机达到额定电磁转矩所需要的理想方波电流幅值Im完成电机的电磁转矩计算、绕组设计、参数计算和性能校核。
2.3稳态特性仿真结果
在正为0.1 Nm，角度位置控制(APC)方式下，主电路开通角θon为0度，关断角θoff为28度。图6—图10所示为电机的相电流，磁链，相电压、合成转矩波形以及速度响应波形。
图8中A相电压在关断时的下凹是由于相绕组为感性负载，主开关关断时绕组产生变压器电动势，电动势方向与电压源方向相反，此变压器电动势在续流二极管两端产生正向压降，绕组中储存的磁场能量通过续流回路回馈给电源。由于续流电流不会反向，若主开关器件的关断角θoff满足θoff <（θhr+θon）／2，则续流电沆将在有效工作段内衰减至零。图6～图10仿真结果与样机设计要求相符合。
3实验验证
对100 W开关磁阻电动机样机进行了加载实验，实验使用了TDS-360数字示波记录仪、开关磁阻电机驱动控制电路板、转矩仪、WYK-302B直流稳压电源、导线若干。
用TDS-360数字示波记录仪对样机的负载特性进行了实际测量，实验接线示意图如图11所示。图12为样机相电压的实测波形。图l3为样机的相电流实测波形。
图12实测波形与图8仿真波形的差异，主要是由于实验所用的开关磁阻电动机的驱动控制电路采用了电压PWM控制策略，从效果上来看，实验结果与仿真结果接近，实验结果进一步说明了有限元仿真分析的正确性。
4结论
本文针对100 W三相6/4极SRM样机，用有限元电磁场分析软件Magnet建立一个完整的开关磁阻电动机系统仿真模型。同时通过对该样机的加载实验验证了有限元法对于开关磁阻电动机性能分析的正确性，为开关磁阻电动机的结构优化设计提供了依据，提高了开关磁阻电动机设计的准确性和时效性。
参考文献
[1]王宏华．开关磁阻电机侧速系统[M]北京：机械工业出版社．1997
[2]吴建华开关礁阻电机设计与应用[M]北京：机械工业出 |
