61-基于JMAG-Studio的高速SRM参数优化设计

2010年CDAJ－China中国用户论文集基于基于基于基于JMAGJMAGJMAGJMAG----StudioStudioStudioStudio的高速的高速的高速的高速SRMSRMSRMSRM参数优化设计参数优化设计参数优化设计参数优化设计OOOOptimizationDesignofptimizationDesignofptimizationDesignofptimizationDesignofHighHighHighHigh----speedSRMspeedSRMspeedSRMspeedSRMParametersParametersParametersParametersBasedonJMAGBasedonJMAGBasedonJMAGBasedonJMAG----StudioStudioStudioStudio裴丽娜1,毕大强2，葛宝明1，孙东森1(1北京交通大学,电气工程学院,北京1000442电力系统国家重点实验室，清华大学电机系,北京100084)摘要摘要摘要摘要：：：：本文简单介绍了电磁场有限元分析软件JMAG-Studio的基本功能和特点，并给出了一个高速SRM后期参数优化设计的实例。借助JMAG强大的电磁场分析功能，对SRM建立瞬态场仿真模型。通过对SRM矩角特性和稳态性能的分析，总结得到电机定、转子极弧、转轴长度、每相绕组串联匝数等参数的设计规律，为SRM的后期参数优化设计提供了可靠的依据。关键词关键词关键词关键词：：：：JMAG-Studio，高速SRM，矩角特性，稳态性能，参数设计Abstract:Abstract:Abstract:Abstract:ThebasicprincipleandfunctioncharacteristicsofJMAG-StudiosoftwareofFinite-elementAnalysisinElectromagneticFieldsareintroducedinthispaper.Anexampleofoptimizationdesignofhigh-speedSRMparametersisgiven.BasedonthepowerfulfunctionofelectromagneticfieldanalysisofJMAG,transientfieldsimulationmodelofSRMisestablishedtoanalysisthetorque-anglecharacteristicsandSteady-stateperformance.Designrulesofstatorpolearc,rotorpolearc,shaftlengthandwindingturnsaresummed-upfinally.ReliablebasisisprovidedfortheparameteroptimizationofthelatestageKeyKeyKeyKeywordswordswordswords::::JMAG-Studio,High-speedSRM,Torque-angleCharacteristics,Steady-statePerformance,ParametersDesign1.引言引言引言引言开关磁阻电机（SwitchedReluctanceMotor，简称SRM）结构简单坚固、可靠性高、容错能力强、调速性能优异，非常适合应用于高速领域[1]。以开关磁阻电机为核心的开关磁阻电动机调速系统，由于其结构简单、运行可靠、效率高等突出特点，成为交流电机调速、直流电机调速和无刷直流电机调速系统强有力的竞争者，引起各国学者和企业界的广泛关注[2]。SRM为双凸极结构，在实际运行过程中定、转子极身存在着显著的边缘效应和高度的局部饱和现象，因此尽管它的机械结构简单，但由于其磁场分析很复杂，非线性及其严重，使得SRM在电机本体设计、分析以及控制参数的优化方面存在许多技术难题。JMAG是由株式会社日本总研（JRI）开发的功能齐全，应用广泛的电磁场分析软件。JMAG采用有限元分析技术，可以为各种电动机、发电机、电磁传动机构、电路元件、天线等电子电器设备及部件的研制、开发提供强大的电磁场分析功能，可以进行电磁场、热、振动、电路、运动、控制的耦合分析[3]。同时，JMAG自带的电路设置窗口含有绝大部分的电路元件，如电阻、电感、电容、电源、绕组、整流-逆变器、电刷等，能够满足一般的驱动电路连接。如果需要考虑功率管损耗或者加载高级控制策略，例如PWM调制、矢量控制等，2010年CDAJ－China中国用户论文集JMAG提供与专业电路仿真软件PSIM、SIMULINK、PSPICE的接口，进行实时仿真。本文给出了一个高速SRM后期参数优化设计的实例。由于SRM的高度非线性使得解析法建立非线性模型非常困难[3-4]，也无法用计算公式准确描述电机参数变化对电机性能的影响。为了分析SRM电机结构对SRM性能的影响，本文借助JMAG强大的电磁场分析功能，对SRM建立瞬态场仿真模型，通过对SRM矩角特性和稳态性能的分析，总结得到电机定、转子极弧、转轴长度、每相绕组串联匝数等参数的设计规律，为SRM的后期设计提供了可靠的依据。2.2.2.2.基于基于基于基于JAMG-Studio的高速的高速的高速的高速SRM电机模型电机模型电机模型电机模型JMAG进行电磁场分析主要分为前处理、计算和后处理三个阶段[5]。前处理阶段主要包括建立有限元模型（电机本体模型和功率变换器外电路模型）、设定材料属性、边界条件、运动参数以及绕组连接方式。计算阶段主要是进行网格剖分，然后计算电机性能。网格剖分可分为手动剖分、自动剖分和自适应剖分，一般都采用后两种剖分方式。自动剖分相比自适应剖分，网格划分少，计算时间短，但计算精度较低。对于普通电机设计，自动剖分完全可以满足用户的要求。在后处理阶段，JMAG软件可以将电磁场有限元模型中每一个单元的磁场数据提取出来供用户做相应的分析，也可以生成各种动画和视频，可以很直观的展示目标模型的各种状态。本案例采用二维瞬态场建立模型，利用电机磁场分布对称性和周期性设定边界条件，图1和图2分别为采用网格自动剖分和自适应剖分的对称转子4/2结构SRM有限元模型，后续讨论均以自动剖分模型为准。针对不同的计算要求搭建相应的外电路模型就可以进行相应的电磁场计算。3电机参数优化设计分析电机参数优化设计分析电机参数优化设计分析电机参数优化设计分析3.1定子极弧定子极弧定子极弧定子极弧本案例所分析的SRM为4/2极电机，相比6/4和6/2结构，它结构简单，控制方便而且换流频率和铁心损耗都相对较低[6]，但是存在起动转矩小，转矩脉动大的问题[7-9]。通过对定、转子结构进行优化设计来改善电机起动性能，希望在不影响电机高速性能的前提下，增大起动转矩。由于SRM起动时，绕组电流可近似为矩形波，因此分析起动转矩最直接的方图1自动剖分电机模型图2自适应剖分电机模型2010年CDAJ－China中国用户论文集法就是分析它的矩角特性[1]。如图3所示为在JMAG软件中建立的矩角特性外电路图。仿真时采用的是在一项绕组通恒流源的同时改变转子位置，以此来绘制矩角特性曲线。本案例对电机定、转子进行齿形优化，就是通过计算不同电机模型的矩角特性来反应电机结构对电机起动性能的影响[10]。首先分析定子极弧对电机起动性能的影响，对电机的定子极弧系数做定量分析。选取转子极弧79rβ=o，按照下表1建立三种定子极弧不同的电机JMAG仿真模型。表1定子极弧变化表电机电机1电机2电极3电机4齿宽（mm）7.358.239.269.76极弧(角度)40455154表1中4个电机模型的转子和电机各部分材料都一致，选取不同的定子极弧，定子极宽随着极弧的改变而改变。仿真电流为8A，仿真结果的矩角特性曲线如图4所示。从图中可以看出，定子极弧对电机起动转矩有很大的影响，极弧越大，电机起动时，出力的角度区间越大。若不考虑窗口系数，增大定子极弧是改进4/2结构SRM起动特性的有效途径。在实际电机设计过程中，从绝缘和铜损方面考虑，电流密度要根据环境选取合适的值。如果定子极弧太大会减少槽面积，考虑到电机比较小，下线困难，槽满率不能太大。当然，定子极弧也不能太小，否则虽然增大了绕组空间但电机的利用率降低。另外，相同的定子极弧，给定子极加极靴可以使得电机窗口面积增加。加极靴前后，电机的矩角特性并没有改变多少，但降低了电机的过载能力。综合考虑电机性能，为了减小电密，适当加极靴还是合理的[1]。为了综合分析电机结构对电机的影响，还需要分析各参数对电机稳态性能的影响[11]。在JMAG中搭建不同定子极弧结构的4/2极SRM模型，加外电压Us=311，开通角0onθ=o，关断角50offθ=o。定义转矩波动系数iK[9]maxminiavTTKT-=(1)图5和6分别为不同定子极弧下的电机输出电流和输出转矩对比图，从图中可以看出，图3矩角特性外电路图图4不同定子极弧下的电机矩角特性比较02040608000.10.20.3角角/°转转/Nm极极40°极极45°极极51°极极54°2010年CDAJ－China中国用户论文集随着定子极弧的增大，输出电流峰值减小，输出转矩减小。从JMAG中采集数据，各电机输出波形的具体数值如表2。表2不同定子极弧下的电机输出电流峰值、与转矩波动对比参数Tmax(Nm)Tav(Nm)Ki(Nm)Imax(Nm)定子极弧40°0.6480.1753.7016.84定子极弧45°0.5470.1493.6714.60定子极弧51°0.4450.1233.6212.30定子极弧54°0.3870.1073.6211.04为方便看到定、转子极弧对电机转矩波动和峰值电流的影响，将各电流峰值的1/4取值与转矩波动系数画在同一坐标图中，如下图7。从图7可以看出，随着定子极弧的增加，输出电流峰值减小，转矩脉动呈减小趋势，减小程度不大。综合前面定子极弧对电机起动性能的分析，在保证窗口面积足够的情况下，定子极弧越大越好。3.2转子极弧转子极弧转子极弧转子极弧同理，为分析转子极弧改变对电机起动性能的影响，对电机的转子极弧做定量分析。极弧选取定子极弧51sβ=o，按照表3建立三种转子极弧不同的电机JMAG仿真模型。表3转子极弧变化表电机电机1电机2电机3电极4极弧(角度)72767982图7不同定子极弧下的电机输出电流峰值、转矩脉动对比示意图404550542.533.544.5定定极极/°KiImax/4/AKiImax/402040608005101520角角/°电电/A极极40°极极45°极极51°极极54°图5不同定子极弧下的电机输出电流对比02040608000.20.40.60.8角角/°转转/Nm极极40°极极45°极极51°极极54°图6不同定子极弧下的电机输出转矩对比2010年CDAJ－China中国用户论文集仿真电流为8A，仿真结果的矩角特性曲线如图8所示。由图8可以看出，增大转子齿宽可以将电机出力区提前，同时最小转矩略有下降，导致平均转矩几乎不变，如表4中数据所示。为了使电机在任何转子位置角都可以正常起动，即最小转矩越大越好，所以在设计电机转子极弧时，一般选取最小转矩较大的一种。从定量分析结果来看，改变转子齿宽对电机的起动性能影响并不大。分别对四种转子极弧的电机模型在JMAG中仿真了不对齐和对齐位置的磁化曲线如图9所示，从图中可以看出，磁化曲线几乎完全重合，所以在通以相同的电流时，改变转子极弧对转矩影响不明显，这与前面矩角特性得出的结论一致。表4不同转子极弧下的电机矩角特性平均转矩比较转子极弧βr72°76°79°82°平均转矩Tav（Nm）0.1330.1320.1330.132将各电流峰值的1/4取值与转矩波动系数画在同一坐标图中，如图10。从图10可以看出，随着转子极弧的增加，输出电流峰值减小，转矩脉动趋势不明显。在设计电机时，要根据实际情况考虑，选取合适的转子极弧。3.3其他参数其他参数其他参数其他参数铁心