开关磁阻电动机电磁参数及静态特性的有限元分析
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摘要
开关磁阻电动机（Switched Reluctance Motor,简称SRM）是二十世纪80年代发展起来的一种新型变速驱动系统，该系统由双凸极式磁阻电机、功率变换器、位置传感器和控制器四部分组成。由于其具有结构简单、运行可靠、系统控制灵活、效率高等优点，目前已成为电机和调速驱动系统研究领域中的一个重点课题。
针对开关磁阻电动机定、转子极存在显著的边缘效应和高度的局部饱和的特点，本文采用全场域二维和三维的电磁场有限元分析, 对开关磁阻电动机的磁场分布、电感参数及静态特性等进行了大量的计算，得到了开关磁阻电动机在各种转子位置下的磁场分布规律，并讨论了当前争议较大的SRM端部电感修正系数的问题，得到了一个较为合理的端部电感修正系数值。根据磁场计算结果，对非线性磁参数法中的一些公式提出了合理的改进，从而找到一种考虑端部效应、较准确计算最小电感的解析算法。这些工作为分析开关磁阻电动机的工作原理，建立合理的等效磁路模型提供了理论基础和可靠依据。
本文还讨论了开关磁阻电动机电磁设计的特点，给出了根据转矩－转速特性确定SRM主要尺寸的方法。采用Visual C++ 6.0 语言编制了计算最大和最小电感的磁化曲线的计算程序，并开发了一个利用SRM几何尺寸和磁场计算结果核算电机性能参数的软件，软件采用交互式用户界面，使计算直观化。
最后，以一台三相12/8极开关磁阻电动机为例对其工作原理和内部电磁关系作了系统和详细的分析。阐明其工作特点和内在规律，建立开关磁阻电动机的数学模型，并探讨了电机参数计算、静态特性计算、性能计算和分析、电机设计的有效方法。
Switched reluctance motor (SRM) system is a new kind of variable-speed drives, which has been developed from 1980s with the rapid advance of power electronics and microelectronics. The system is composed of double-salient reluctance motor, power converter, rotor position sensor and controller. The motor and converter have more simple structure, higher reliability, and more flexible controllability of the system. It could be looked as an important respect in the research field of motor and variable-speed drives.
Because the magnetic field of SRM has distinct flux fringe and intense local saturation effect on the stator and rotor poles. 2D and 3D whole field finite element method (FEM) has to be used to calculate the magnetic field distribution, inductance parameters and static characteristics of the model SRM. As a result, distribution principle of magnetism curve is found. At the same time, the inductance modify coefficient in the end zone is discussed by using 3D FEM. So an reasonable inductance modify coefficient is found. According to the magnetic field distribution, some ameliorations are made, then a reasonable and more accurate analytic formula concerned the effect of end zone is presented. Those could provide theory foundation and reasonable equivalent magnetic circuit for the calculation and analysis.
A method of determining main dimensions of the SRM is given according to any speed-torque profiles, either. Meanwhile the method of calculating the maximum and minimum inductance is programmed in visual c++ 6.0 language. And an software which can check the characteristics of model SRM only by the structure and magnetic field results is provided. The software has an interactive face that make the calculation direct.
At last, in this dissertation a 3 phase and 12/8 poles model SRM is given, the operating principle and inner electromagnetic relationship of SRM are studied
systematically, its mathematic models are established. Effective methods of calculating parameter, static characteristics and performances, and the optimum design of motors are discussed.
针对开关磁阻电动机定、转子极存在显著的边缘效应和高度的局部饱和的特点，本文采用全场域二维和三维的电磁场有限元分析, 对开关磁阻电动机的磁场分布、电感参数及静态特性等进行了大量的计算，得到了开关磁阻电动机在各种转子位置下的磁场分布规律，并讨论了当前争议较大的SRM端部电感修正系数的问题，得到了一个较为合理的端部电感修正系数值。根据磁场计算结果，对非线性磁参数法中的一些公式提出了合理的改进，从而找到一种考虑端部效应、较准确计算最小电感的解析算法。这些工作为分析开关磁阻电动机的工作原理，建立合理的等效磁路模型提供了理论基础和可靠依据。
本文还讨论了开关磁阻电动机电磁设计的特点，给出了根据转矩－转速特性确定SRM主要尺寸的方法。采用Visual C++ 6.0 语言编制了计算最大和最小电感的磁化曲线的计算程序，并开发了一个利用SRM几何尺寸和磁场计算结果核算电机性能参数的软件，软件采用交互式用户界面，使计算直观化。
最后，以一台三相12/8极开关磁阻电动机为例对其工作原理和内部电磁关系作了系统和详细的分析。阐明其工作特点和内在规律，建立开关磁阻电动机的数学模型，并探讨了电机参数计算、静态特性计算、性能计算和分析、电机设计的有效方法。
Switched reluctance motor (SRM) system is a new kind of variable-speed drives, which has been developed from 1980s with the rapid advance of power electronics and microelectronics. The system is composed of double-salient reluctance motor, power converter, rotor position sensor and controller. The motor and converter have more simple structure, higher reliability, and more flexible controllability of the system. It could be looked as an important respect in the research field of motor and variable-speed drives.
Because the magnetic field of SRM has distinct flux fringe and intense local saturation effect on the stator and rotor poles. 2D and 3D whole field finite element method (FEM) has to be used to calculate the magnetic field distribution, inductance parameters and static characteristics of the model SRM. As a result, distribution principle of magnetism curve is found. At the same time, the inductance modify coefficient in the end zone is discussed by using 3D FEM. So an reasonable inductance modify coefficient is found. According to the magnetic field distribution, some ameliorations are made, then a reasonable and more accurate analytic formula concerned the effect of end zone is presented. Those could provide theory foundation and reasonable equivalent magnetic circuit for the calculation and analysis.
A method of determining main dimensions of the SRM is given according to any speed-torque profiles, either. Meanwhile the method of calculating the maximum and minimum inductance is programmed in visual c++ 6.0 language. And an software which can check the characteristics of model SRM only by the structure and magnetic field results is provided. The software has an interactive face that make the calculation direct.
At last, in this dissertation a 3 phase and 12/8 poles model SRM is given, the operating principle and inner electromagnetic relationship of SRM are studied
systematically, its mathematic models are established. Effective methods of calculating parameter, static characteristics and performances, and the optimum design of motors are discussed.
引文
1 Nasar S A, Boldea I, Unnewehr L E. Permanent Magnet Reluctance and Self- Synchronous Motors. CRC Press Inc., 1979
2 Radun A V. High Power Density Switched Reluctance Motor Drive for Aerospace Applications. Proc., IEEE-IAS Annu. Meeting, 1989:568-573
3 吴建华. 开关磁阻电机的特性及在家电业的应用. 家用电器科技.2000，(1):42-44
4 Stephension J.M.,Corda J. Computation of Torque and Current in Double Salient Reluctance Motors with Nonlinear Magnetisation Data. IEE Proc., 1999
5 林鹤云，周鹗，黄建中，蒋全. 开关磁阻电机磁场有限元分析与铁耗计算.电工技术学报，1996，11(1):24-29
6 王宏华. 开关磁阻调速电机定子振动抑制. 电工技术学报，1998，13(3) : 9-12
7 高明真. 基于开关磁阻电机本体的噪声控制研究. 中小型电机, 1999, 26(4):24-27
8 Richard S. wallance. Davd G.. Taylor. Lower Torque-Ripple Switched Reluctance Motors for Direct-Drive Robotics. IEEE Trans. on Robotics & Auto-motion，1991, 17(6):733-742
9 Morira J.C. Torque Ripple-minimum Station in Switched reluctance motors via bi-cubic spline interpolation. IEEE power electronics specialists conference, Toledo, spain:851-856
10 Stephenson.J.M. Computer-optimized smooth-torque current waveforms for Switched Reluctance Motors. IEE Proc. Electr. Power Appl.1997, 144(5):310-316
11 Krzysztof Russa ,Iqbal Husain. Determination of Current Waveforms for Torque Ripple Minimization in Switched Reluctance Machines over a wide speed range. IEEE Trans. on industry applications,1998,34(5):1105-1112
12 N.C.Sahoo,J.X.XU and S.K.Panda. Determination of Current Waveforms for Torque Ripple Minimization in Switched Reluctance Motors using interactive learning: an investigation, IEE Proc. Electr.Power.Appl.1999, 146(4):369-377
13 张国宏. 减少开关磁阻电动机低速时转矩脉动的新型控制策略.中小型电机，1999，26(6):22-26
王宏华，王忠建. 开关磁阻电动机冲击振动特性分析. 中小型电机，2001，
14 28(4):28-29
15 邱亦慧，詹琼华，马志源，郭伟. 基于简化磁链法的开关磁阻电机间接位置检测. 中国电机工程学报，2001，21(10):59-62
16 刘剑，刘素娟，满永奎.开关磁阻电机无位置传感器技术研究. 中小型电机，1998，25(4):16-19
17 毛良明，经亚枝，樊小明，等.开关磁阻电机间接位置检测方案研究. 中小型电机，1999，26(3):13-15
18 詹琼华，王双红，肖楚成. 开关磁阻电动机电容式位置检测技术. 电工技术学报，1999，14(3):1-5
19 蒋全. 新型磁阻电机变频调速性能分析. 东南大学硕士学位论文.1986，3
20 J.Cord et al.Analytical eatimation of the minmum and maximum inductance of a double salient motor.Proceedings of international conference on stepping motors and systems,1979
21 T.J.E.Miller et al.Nonlinear theory of the switched reluctance motor foe rapid computer-aided design. IEE Proc., 1990, 137(6):337-346
22 詹琼华. 开关磁阻电动机. 武汉: 华中理工大学出版社, 1992.
23 吴建华. 开关磁阻电机设计与应用. 北京：机械工业出版社，2001
24 李少非. 开关磁阻电机最小电感解析算法的精确化改进.微电机，2001，34(3):17-57
25 唐任远. 特种电机. 北京：机械工业出版社，1998
26 Harris M R. Comparison of Design and Performance in Switched Reluctance and Inductance Motors. Proc., IEE 4th ICEMD, 1989:303-307
27 边敦新，史乃. 开关磁阻电机的初始设计. 电机与控制学报. 1997，1(4)
28 吴建华，詹琼华，林金铭. 开关磁阻电机的前期设计. 电工技术学报，1995，(2)
29 [美]Davis Chapman. 学用Visual C++ 6.0. 骆长乐. 北京：清华大学出版社，1999
30 [美]Davis Chapman. 学用Visual C++ 6.0. 骆长乐. 北京：清华大学出版社，1999
31 徐萃薇. 数值方法引论. 北京：高等教育出版社，1999
32 薛定宇. 科学运算语言MATLAB 5.3程序设计与应用. 北京：清华大学出版社，2000：93-205
33 蓝宇，张连杰. 大型有限元分析软件ANSYS. 应用科技，2000，27(6):11-15
34 陈精一，蔡国忠. 电脑辅助工程分析ANSYS使用指南. 北京：中国铁道出版，2001
35 王国强. 使用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践. 西安：西北工业大学出版社，2001
36 胡之光. 电机电磁场的分析与计算. 北京：机械工业出版社，1982
37 盛剑霓等. 电磁场数值分析. 北京：科学出版社，1984:92-10
38 汤蕴璆. 电机内的电磁场. 北京：科学出版社，1996:30-52
39 Uday.Deshpanda. Two-Dimension Finite-Element Analysis of a High- Force-Density Linear Switched Reluctance Machine Including Three Dimensional Effects. IEEE Trans. on Industry Appl., 36(4):1047-1052
40 廖海平，陈永校. 新型永磁式开关磁阻电动机电磁场的二维有限元分析. 电机与控制学报，1998，2(3):166-169
41 李桐栋. 波前法在组合结构有限元分析中的应用. 河北工程技术高等专科学校学报. 2001，3(9):12-13
42 张来福，靳燕平，张春镐. 开关磁阻电动机磁场的研究. 太原理工大学学报，1998，29(6):653-656
43 杨燕，杨松，王振民. ANSYS 软件在开关磁阻电机电磁分析中的应用. 煤炭科学技术，2001，29(4):20-22
44 ANSYS建模与网格划分.ANSYS（中国）公司，2001
45 蒋全. 开关磁阻电机基础理论研究. 东南大学博士学位论文.1991，3
46 M.Moallem, C.M.Ong. Predicting. The Torque of a Switched Reluctance Machine From its Finite Element Field Solution. IEEE Trans on energy conversion 1990, 5(4):733-739
47 A.Benhama, A.C. Williamson, and A.B.J. Reece. SRM Torque Computation from 3D Finite Element Field Solution. IEE 1997, (9)conference publication No.44
48 Avoki M. Omekanda. Calculation of the Electromagnetic Parameters of a Switched Reluctance Motor Using an Improved FEM-BIEM Application to Different Models for the Torque Calculation. IEEE Trans. on Inds.Appl., 1997,33(4):914-918
2 Radun A V. High Power Density Switched Reluctance Motor Drive for Aerospace Applications. Proc., IEEE-IAS Annu. Meeting, 1989:568-573
3 吴建华. 开关磁阻电机的特性及在家电业的应用. 家用电器科技.2000，(1):42-44
4 Stephension J.M.,Corda J. Computation of Torque and Current in Double Salient Reluctance Motors with Nonlinear Magnetisation Data. IEE Proc., 1999
5 林鹤云，周鹗，黄建中，蒋全. 开关磁阻电机磁场有限元分析与铁耗计算.电工技术学报，1996，11(1):24-29
6 王宏华. 开关磁阻调速电机定子振动抑制. 电工技术学报，1998，13(3) : 9-12
7 高明真. 基于开关磁阻电机本体的噪声控制研究. 中小型电机, 1999, 26(4):24-27
8 Richard S. wallance. Davd G.. Taylor. Lower Torque-Ripple Switched Reluctance Motors for Direct-Drive Robotics. IEEE Trans. on Robotics & Auto-motion，1991, 17(6):733-742
9 Morira J.C. Torque Ripple-minimum Station in Switched reluctance motors via bi-cubic spline interpolation. IEEE power electronics specialists conference, Toledo, spain:851-856
10 Stephenson.J.M. Computer-optimized smooth-torque current waveforms for Switched Reluctance Motors. IEE Proc. Electr. Power Appl.1997, 144(5):310-316
11 Krzysztof Russa ,Iqbal Husain. Determination of Current Waveforms for Torque Ripple Minimization in Switched Reluctance Machines over a wide speed range. IEEE Trans. on industry applications,1998,34(5):1105-1112
12 N.C.Sahoo,J.X.XU and S.K.Panda. Determination of Current Waveforms for Torque Ripple Minimization in Switched Reluctance Motors using interactive learning: an investigation, IEE Proc. Electr.Power.Appl.1999, 146(4):369-377
13 张国宏. 减少开关磁阻电动机低速时转矩脉动的新型控制策略.中小型电机，1999，26(6):22-26
王宏华，王忠建. 开关磁阻电动机冲击振动特性分析. 中小型电机，2001，
14 28(4):28-29
15 邱亦慧，詹琼华，马志源，郭伟. 基于简化磁链法的开关磁阻电机间接位置检测. 中国电机工程学报，2001，21(10):59-62
16 刘剑，刘素娟，满永奎.开关磁阻电机无位置传感器技术研究. 中小型电机，1998，25(4):16-19
17 毛良明，经亚枝，樊小明，等.开关磁阻电机间接位置检测方案研究. 中小型电机，1999，26(3):13-15
18 詹琼华，王双红，肖楚成. 开关磁阻电动机电容式位置检测技术. 电工技术学报，1999，14(3):1-5
19 蒋全. 新型磁阻电机变频调速性能分析. 东南大学硕士学位论文.1986，3
20 J.Cord et al.Analytical eatimation of the minmum and maximum inductance of a double salient motor.Proceedings of international conference on stepping motors and systems,1979
21 T.J.E.Miller et al.Nonlinear theory of the switched reluctance motor foe rapid computer-aided design. IEE Proc., 1990, 137(6):337-346
22 詹琼华. 开关磁阻电动机. 武汉: 华中理工大学出版社, 1992.
23 吴建华. 开关磁阻电机设计与应用. 北京：机械工业出版社，2001
24 李少非. 开关磁阻电机最小电感解析算法的精确化改进.微电机，2001，34(3):17-57
25 唐任远. 特种电机. 北京：机械工业出版社，1998
26 Harris M R. Comparison of Design and Performance in Switched Reluctance and Inductance Motors. Proc., IEE 4th ICEMD, 1989:303-307
27 边敦新，史乃. 开关磁阻电机的初始设计. 电机与控制学报. 1997，1(4)
28 吴建华，詹琼华，林金铭. 开关磁阻电机的前期设计. 电工技术学报，1995，(2)
29 [美]Davis Chapman. 学用Visual C++ 6.0. 骆长乐. 北京：清华大学出版社，1999
30 [美]Davis Chapman. 学用Visual C++ 6.0. 骆长乐. 北京：清华大学出版社，1999
31 徐萃薇. 数值方法引论. 北京：高等教育出版社，1999
32 薛定宇. 科学运算语言MATLAB 5.3程序设计与应用. 北京：清华大学出版社，2000：93-205
33 蓝宇，张连杰. 大型有限元分析软件ANSYS. 应用科技，2000，27(6):11-15
34 陈精一，蔡国忠. 电脑辅助工程分析ANSYS使用指南. 北京：中国铁道出版，2001
35 王国强. 使用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践. 西安：西北工业大学出版社，2001
36 胡之光. 电机电磁场的分析与计算. 北京：机械工业出版社，1982
37 盛剑霓等. 电磁场数值分析. 北京：科学出版社，1984:92-10
38 汤蕴璆. 电机内的电磁场. 北京：科学出版社，1996:30-52
39 Uday.Deshpanda. Two-Dimension Finite-Element Analysis of a High- Force-Density Linear Switched Reluctance Machine Including Three Dimensional Effects. IEEE Trans. on Industry Appl., 36(4):1047-1052
40 廖海平，陈永校. 新型永磁式开关磁阻电动机电磁场的二维有限元分析. 电机与控制学报，1998，2(3):166-169
41 李桐栋. 波前法在组合结构有限元分析中的应用. 河北工程技术高等专科学校学报. 2001，3(9):12-13
42 张来福，靳燕平，张春镐. 开关磁阻电动机磁场的研究. 太原理工大学学报，1998，29(6):653-656
43 杨燕，杨松，王振民. ANSYS 软件在开关磁阻电机电磁分析中的应用. 煤炭科学技术，2001，29(4):20-22
44 ANSYS建模与网格划分.ANSYS（中国）公司，2001
45 蒋全. 开关磁阻电机基础理论研究. 东南大学博士学位论文.1991，3
46 M.Moallem, C.M.Ong. Predicting. The Torque of a Switched Reluctance Machine From its Finite Element Field Solution. IEEE Trans on energy conversion 1990, 5(4):733-739
47 A.Benhama, A.C. Williamson, and A.B.J. Reece. SRM Torque Computation from 3D Finite Element Field Solution. IEE 1997, (9)conference publication No.44
48 Avoki M. Omekanda. Calculation of the Electromagnetic Parameters of a Switched Reluctance Motor Using an Improved FEM-BIEM Application to Different Models for the Torque Calculation. IEEE Trans. on Inds.Appl., 1997,33(4):914-918