基于ANSYS的开关磁阻电机静态电磁分析

开关磁阻电机SRM（Switched Reluctance Machine）具有结构简单坚固、可靠性强、起动转矩大、容错性好等优点，在矿山机械、电动汽车及航空航天等领域得到广泛应用[1-4]。但SRM工作过程是高度非线性的，无法严格列写相电感和相电流的具体解析表达式，这给前期设计带来很大困难。因此需要借助有限元软件对SRM的电磁特性进行分析。
本文采用ANSYS软件的APDL语言建立三相12/8结构SRM的二维有限元模型并对其静态磁场特性进行分析[5-7]。详细叙述了几何建模、网格剖分、载荷施加、边界条件、求解及后处理等步骤，分析随电机转子位置变化的静态磁场，获得了电感、磁链及转矩等数据。
1 有限元模型的建立及求解
整个电机建模过程分为前处理、求解及后处理3部分，如图1所示。

1.1 模型建立
前处理过程是有限元分析电机磁场的一个重要过程。由于本文采用ANSYS软件的APDL语言建立SRM的二维有限元模型，其相对菜单图形用户界面GUI（Graphical User Interface）操作的优点在于项目的可移植性强。在建立模型时，把项目中使用的电机结构尺寸、电机的材料属性等参数变量化，并根据不通过开发项目设定赋具体的值。另外把项目文件名以及建模用的单元等信息放在程序前面部分。这样，如果再开发另外一个类似项目时，只需要修改项目文件名、建模单元信息、电机尺寸、材料属性等参数变量值即可，项目程序的可移植性非常强。
建立待建模电机的几何模型是前处理过程的一种重要环节。建模的原则是由点生线，由线生面。由于SRM电机截面的对称性，在建立模型时，定子部分可以先建立一个定子齿和绕在该齿上的线圈，然后利用Agen命令语句进行12份30°轴中心阵列，即可得到完整的12/8结构SRM定子部分模型。同理，转子部分亦可先建立一个转子齿及其齿中心对称线45°范围内模型，然后利用Agen命令语句进行8份45°轴中心阵列，即可得到完整的12/8结构SRM转子部分模型。电机定子部分包括定子、绕组和靠近定子的一半定转子间气隙面积。转子部分包括转子、转轴、转子齿间槽面积和靠近转子的一半定转子间气隙面积。图2所示为标有AREA单元标号的12/8结构SRM的几何模型。

模型建立后，即可按照实际电机特性对各AREA单元进行赋材料属性。完成此步骤后，即可进行剖分操作。剖分操作时应避免模型中出现尖角(如倒角部分)；避免模型中出现面积比过大的区域，如气隙与周围区域；避免模型中出现极不规则的形状，如包括气隙在内的所有空气区域。对电机而言，应由气隙开始剖分，即先进行电机定转子间的气隙的剖分。图3为电机剖分图，其中图4为定转子气隙部分剖分图。

1.2 求解
若求解m种不同位置时n种电流下的电机磁场数据，需要分别建立m×n次模型一步一步地求解，非常繁琐。为了提高计算效率，建立模型时，将电机转子部分作为一个旋转组件，并设定一个旋转角度变量，这样每次程序执行时只需要为该旋转角度变量赋值，将此旋转组件旋转至相应位置，而不需要重新编写程序建立电机模型，最后将属于转子部分旋转组件的气隙圆环与属于定子部件的气隙圆环临近单元合并，同时利用一个循环在绕组中加载不同电流即可求解出相应位置时不同电流下的电感、磁链等电磁数据。这样SRM在m种不同位置时n种电流下的磁场数据只需要经过m次的程序计算即可。按照以上思想确定好位置循环和电流循环之间的关系后，一般把电流环嵌套于位置环中为宜。
另外在定子轭部最外层的所有单元施加矢量磁位Az=0条件，确保电机模型外没有磁场分布。模型的求解器采用直接波前法求解器，其命令语句为：“Eqslv, Front”。为了提高求解精度，每一个加载计算步的收敛迭代次数设为40。
2 仿真结果及分析
求解结束后，可以用菜单操作或者命令行显示SRM在相应位置及相应相电流励磁时的静态磁场分布，如图5所示为12/8结构SRM在定转子对齐位置和不对齐位置时的磁力线分布图。
图6所示为对应图5（a）定子齿和转子齿对齐位置和图5（b）定子齿和转子槽对齐位置时的磁通密度矢量图。

模型程序中，把在不同位置时不同电流的SRM相电感数据、相磁链及转矩数据分别写入L.dat、ψ.dat和T.dat文件中，打开后提取数据到专业绘图软件(如Origin)即可得到图7～图9所示的电机电感L(θ，i)、磁链ψ(θ，i)和转矩T(θ，i)特性曲线簇。电感L(θ，i)、磁链ψ(θ，i)和转矩T(θ，i)的数据可为MATLAB/Simulink等方法搭建SRM的动态性能分析模型提供参考数据。

本文详细叙述了利用ANSYS软件的APDL语言建立三相12/8结构SRM的二维有限元模型进行静态电磁分析的几何建模、网格剖分、载荷施加、边界条件、求解及后处理等步骤，实现了转子组件的自动旋转并与定子组件单元耦合的功能。利用ANSYS软件的APDL语言建立电机模型的程序可移植性强、求解效率高，计算结果对电机的静态性能分析具有参考价值。
参考文献
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