D设计分析esign and analy sis 微特电机 2005年第1期 开关磁阻电动机的径向力计算16 收稿日期:2004-03-18开关磁阻电动机的径向力计算孙剑波,詹琼华(华中科技大学,湖北武汉430074)The Calculation of t he Radial Force of S w itched R eluct ance M ot orSUN J ian -bo ,ZHA N Q iong -hua(Huazhong University o f Science ＆Tec hno l o gy ,W uhan 430074,C hina ) 摘 要:噪声是开关磁阻电动机的主要缺点,而径向力是噪声的主要根源。
利用二维有限元方法计算出开关磁阻电机的径向力,对于优化设计电动机结构以减小径向力的幅值,和优化换相时刻以减小径向力的变化,从而达到降低振动和噪声目的有很好的指导意义。
关键词:开关磁阻电动机;径向力;AN S Y S 中图分类号:T M 352 文献标识码:A 文章编号:1004-7018(2005)01-0016-03Abstract :N o ise is t he pri ma ry de f ec t o f s w itched re l uctance m o t o r (SRM ),which is caused by t he rad i a l force .Two -di m en -si on fi n ite e l ement m ethod co m putes the radial f o rce i n SR M.It 's instruc tive t o opti m ize t he de sign o fm o t o r t o reduce the amp li -tude of radia l force and opti m ize the commu tati ve ti me to m i nis h the change of rad i a l force and consequen tl y achieve t he reduc tion of v i brati on and no ise .K eyword s :s w itched re l uc tance m o t o r ;rad i a l fo rce ;AN SYS1引 言开关磁阻电动机(简称SRM )具有一系列优点:结构简单坚固、维护量小,系统的容错能力强,在缺相情况下仍能可靠运行;起动及低速时转矩大、电流小,高速恒功率区范围宽、性能好,调速范围宽,在宽广的转速及功率范围内均有高效率而且有很好的鲁棒性。
因此,20世纪90年代以来,已被越来越多地应用于电动车辆、矿山、油田、纺织机械等工业部门的驱动系统。
特别是它较好的高速(超高速)性能和较强的容错能力,使它在航空航天、高速离心机等环境恶劣且安全性要求很高的领域得到广泛应用。
开关磁阻电动机存在噪声较大的缺点,阻碍了它在一些场合的推广应用。
开关磁阻电动机的通电相定子极受脉动的径向磁拉力作用,使壳体结构的定子产生压缩形变而振动,构成了其噪声的主要根源。
因此减小径向力的幅值,是抑制电动机噪声的有效途径。
在电动机的设计阶段,若能准确地计算出电动机定子所受的径向力,将对后续工作以减小噪声有很好的指导意义。
本文利用有限元计算软件ANSYS 7.0求解出开关磁阻电动机内部的静态磁场,然后结合虚位移方法计算出电动机定子导通相磁极所受的径向力。
2S R M 工作原理简介SR M 系双凸极变磁阻电动机,其定、转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成,且定转子极数不同。
定子上装有简单的集中绕组,直径方向相对的两个绕组线圈相连接成为一相,转子没有绕组和永磁体。
图1为一8/6极SR M 的磁场分布图。
SR M 运行原理遵循磁阻最短路径原理,即磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合,产生磁拉力形成磁阻性质的电磁转矩。
因此,在图1中,磁阻性转矩将使转子逆时针旋转。
图1 SR M 磁场分布图(-15°)3S R M 运行噪声产生机理开关磁阻电动机运行时,根据转子位置检测信号导通相应的相绕组,产生正向磁阻性转矩拖动转子旋转。
由于不断地换相,定子极将受到脉动的径向磁拉力作用,使壳体结构的定子产生压缩形变而振动(如图2所示),构成了其噪声的主要根源。
图2 径向力引起铁心变形示意图 微特电机 2005年第1期 D设计分析esign and analy sis 开关磁阻电动机的径向力计算17 4计算模型的建立4.1模型假设在现有的计算机条件下,二维有限元计算已经不存在什么困难,因此,取整个电动机为求解区域。
由于SR M 的结构中存在绕组电流区,因此采用矢量磁位A z 来求解。
并对电机作如下假设:(1)忽略电动机端部效应;(2)绕组电流密度均匀分布;(3)忽略磁滞和涡流效应;(4)忽略位移电流;(5)电动机外部磁场为零;(6)铁心上工艺槽的效应忽略不计;(7)铁心里的磁导率是各相同性的。
在上述假设的前提下,得到下列非线性泊松方程和边界条件:x (1μ A z x )+ y (1μ A z y )=J z ,整个求解区域A z =0,定子外圆边界(1)4.2电磁力计算方法目前计算电磁力的方法主要有M ax w e ll 张力法和虚位移法。
作者曾对比采用这两种方法计算得到的结果,发现在电动机气隙较大时,两种结果很接近;但当电动机气隙较小时,两种结果有一定的差距。
根据与实验结果对比,发现虚位移方法计算的结果更加接近实际情况。
这是因为M ax w e ll 张力法对求解区域的剖分精度要求较高,对于象电动机这样的结构,由于气隙尺寸相对于其它部分非常小,而计算区域又恰在气隙处,当剖分精度不够时,将会导致错误结果。
而虚位移方法是基于整个电动机磁场的能量,对气隙的剖分依赖不如M ax w e ll 张力法强,因此本文采用虚位移方法来进行后续的计算。
4.3虚位移标志的施加在有限元计算软件ANSYS 中,为了求取所求区域所受的电磁力,需在所求区域与空气的边界上施加磁场虚位移标志(MVD I )。
具体来说,就是在所求区域内的所有节点上令MVD I =1.0,与所求区域临近的空气节点的MVDI =0.0(如图3所示)。
计算所求区域所受的磁场力后,计算结果分布地存储图3 虚位移标志添加示意图在临近的空气单元中,然后对这些空气单元中的力求和,得到所求区域所受的合力。
但是由于电动机结构的对称性,在正常的运行条件下,各部分所受的径向力将相互抵消,最终合力为零。
如果以整个定子铁心为计算对象,将虚位移标志加在定子铁心与空气的交界面上,最后计算所得的合力几乎为零,因此没有得到实际的径向力。
为了得到径向力,必须以定子铁心的一部分为计算对象。
本文以定子一个极距的铁心为计算对象,虚位移标志如图4中的粗实线所示。
在后处理中只对存储在与这部分铁心临近的空气单元中的力求和,得到了定子铁心所受的径向磁拉力。
图4 求解区域的虚位移标志5虚位移计算电磁力方法对于由n 个电流回路组成的磁场系统的储能为W m =12nk =1I k ψk(2)式中:I k 、ψk -分别表示每个回路的电流和磁链;W m -整个磁场的储能。
假定除了第p 号回路外,其余都固定不动,且回路p 也只能这样运动,即仅有一个广义坐标g 发生变化,这时在该系统中发生的功能过程是d W =d W m +f d g(3)即所有电源提供的能量(d W )等于磁场能量的增量(d W m )加上磁场力所做的功(f d g ),式中的d W 可表示成d W =nk =1I k d ψk(4)再假定各回路中的电流均保持不变,有d W m |I k =const=12nk =1I k d ψk(5)可见,d W m |I k =con st =12dW ,即外电源提供的能量有一半作为磁场能量的增量,另一半用于作机械功,即f dg =d W m |I k =con st(6)由此可得广义力f =d W m d gI k =con st=W m gI k =const(7)式中,若广义坐标g 取作电动机径向,则f 就是电动机的径向力。
D设计分析esign and analy sis 微特电机 2005年第1期 开关磁阻电动机的径向力计算18 6计算实例和步骤为了进一步说明如何用ANSYS软件求取开关磁阻电动机的径向力,在此举出一例。
电机为8/6极四相开关磁阻电动机,结构参数如表1所示。
表1 电动机的结构参数定子外径/m0.29定子内径/m0.178转子内径/m0.065气隙/m0.0008定子极弧/(°)20转子极弧/(°)23.4定子轭厚/m0.025转子轭厚/m0.0275铁心长度/m0.174 ANSYS基本分析过程包含三个步骤:(1)创建有限元模型①创建或读入实体模型;②定义材料属性;③剖分(生成节点及单元)。
(2)施加载荷并求解①施加载荷;②设定边界条件;③求解。
(3)后处理过程按照上述步骤进行分析,其中在定义材料属性时,铁心材料采用DW310-35。
在场域剖分时,采用三角形六节点单元(PLANE53),模型的剖分图如图5所示。
在施加载荷时,施加到绕组上的电流为330A。
图5 场域剖分图(-15°)7计算结果与分析转子角度0°定在定转子A相极对极位置,对计算实例的8/6极电动机,计算一个转子极距范围(从-30°～30°)内的定子A相极所受的径向力,计算结果如图6a所示。
从图6a可以看出,两相导通方式的径向力变化比单相导通方式平缓,且径向力的最大值较小,因此从减小振动和噪声的角度,两相导通方式较优;从转矩角度,两相导通方式也是优选。
从图6a还可看出,不管是单相导通还是两相导通方式,径向力发生最大变化的时刻都是计算极所对应相关断时刻(图中的0°位置)。
针对两相导通方式,图6b是0°附近的由A B-BC换相过程,可以看出如果在0°附近换相,径向力将有很大的跃变。
如果将换相时刻提前,径向力的变化将会减小,对减小振动和噪声是有好处的。
(a)(b)图6 定子A相极所受的径向力(i=330A)8结 论由计算结果可以看出,开关磁阻电动机具有很大的径向力。
电动机运行时通电相定子极受脉动的径向磁拉力作用,使壳体结构的定子产生压缩形变而振动,构成了其噪声的主要根源。
因此减小径向力的幅值,是抑制电动机噪声的有效途径。
在电动机的设计阶段,利用ANSYS软件计算出电动机的径向力,然后优化设计电动机结构以减小径向力的幅值;同时还可以优化换相时刻以减小径向力的变化,从而达到降低振动和噪声的目的。