maxwell软件- 开关磁阻电机

本章我们将简化RMxprt一些基本操作的介绍，以便介绍一些更高级的使用。有关RMxprt基本操作的详细介绍请参考第一部分的章节。

15.1基本理论

开关磁阻电机的定子和转子均为凸极结构，通常定子的极对数大于转子的极对数。定子磁极上有多相集中绕组，转子上无绕组。当定子上某（些）绕组通电时，由于磁阻的差异，转子将受到力矩的作用，转子磁极向与定子磁极对齐（磁阻最小）的位置转动，以使定子绕组获得最大的磁链。

绕组的相数是定子极数与定、转子极数的最小公约数之比。

在开关磁阻电动机(SRM)中，定子和转子的极数不同，转子上设有位置传感器，定子电流严格地根据转子的位置换向。转子的位置信号通过位置传感器获得。定子绕组按顺序触发，一般情况下当一相绕组电流关断或快要关断时，下一相绕组被触发。因此可以忽略两相绕组间的相互影响。

一相的电压方程为：

uuTRSid(,i)dt

(15.1)

式中uT表示晶体管或二极管的压降，RS表示定子绕组电阻。Ψ (θ, i)表示转子在θ位置，绕组电流为i时绕组的磁链，如图15.1所示，当转子槽的中心与绕组轴线对齐时转子的位置为0。

图 15.1 Ψ (θ， i)

令

L(,i)(,i)L()ii

(15.2)

G得出

1(,i)LG()i

(15.3)

uuTRSiLpiGei

式中ωe表示转速，用电角度表示，微分算子为：

(15.4)

pddt

(15.5)

瞬时电磁转矩t2为：

t212Gi2

(15.6)

输入电功率可由电压和电流获得：

1P1uidtT0T (15.7)

输出的机械功率为：

P2P1(PfwPCuaPtPFe) (15.8)

式中Pfw，PCua，Pt和PFe分别表示摩擦和风损耗、电枢铜损耗、晶体管/二极管压降损耗和铁心损耗。

平均输出的机械转矩为

T2P2m

(15.9)

式中ωm表示转速，用电角度表示电机的效率由下式计算：

P2100%P1

(15.10)

15.2主要特点

15.2.1 支持三种基本的电路形式

支持三种基本的电路：全压型、半压型和线圈耦合型。

15.2.2 支持电流斩波控制

对于采用电流斩波控制的开关磁阻电动机，可以通过RMxprt设置斩波电流的上下限。

15.3 开关磁阻电动机设计

这一节，我们将演示三相感应电动机设计的一般流程。

点击Start>Programs>Ansoft>Maxwell 12>Maxwell 12从桌面进入Maxwell界面。 从RMxprt主菜单条中点击 File>New 新建一个空白的Maxwell工程文件Project1。 从RMxprt主菜单栏中点击Project>Insert RMxprt Design。在Select Machine Type 会话框中选择Switched Reluctance Motor，然后点击OK返回RMxprt主窗口。这样就添加一个新的RMxprt设计。

从RMxprt菜单栏中点击File>Save。如果想把项目另存为SRM_8-6p1500rpm550W.mxwl ，可从下拉菜单选择Save As然后点击Save返回 RMxprt 主窗口。(参见3.2.6设置默认的项目路径)

分析这个算例，需要做以下几项设置：

1. 设置模型单位(参考章节2.3.2.7设置模型单位)： 2. 配置 RMxprt 材料库 (参考章节3.4.1配置材料库)： 3. 编辑线规库 (参考章节3.3.2 到3.3.6)：

当选择Switched Reluctance Motor做为电机模型时,必须输入如下几项： 1. General data. （基本性能数据） 2. Stator data. （定子数据） 3. Rotor data. （转子数据） 4. Solution data. （解算数据）

15.3.1基本性能设计

在项目树下双击Machine图标，可显示 Properties.对话框。 在如图15.2所示的Machine列表下定义基本性能数据。

图 15.2总体要求数据

1. Machine Type：电机类型。

2. Frictional Loss：在参考转速下测得的摩擦损耗（由摩擦产生） 3. Wind Loss：参考转速下测得的风阻损耗（由空气阻力产生） 4. Reference Speed：所给的参考转速。

5. Control Type：控制方法。从下拉菜单中选择控制类型：DC或CCC(电流斩波控制)

6. Circuit Type：驱动电路类型。

1) 点击电路类型Circuit Type按键，显示如图15.3所示的电路类型对话框。

图 15.3 电路类型

2) 选择电路类型：

a. 全压型： b. 半压型： c. 线圈耦合型：

注意：当鼠标在类型选项上移动时，右边的图形框中自动显示相应的电路图，如图15.4所示。

a. 全压型

b. 半压型 图 15.4 电路类型

c. 线圈耦合型

3) 点击OK关闭特性弹出的对话窗口。 点击OK关闭Properties对话框。

15.3.2 定义电路数据

在项目树下双击Machine>Circuit，可显示Properties会话框来指定电路参数，如图15.5，然后点击OK来关闭弹出的会话框。

图15.5 电路数据

1. Lead Angle of Trigger： 触发超前角。触发超前角设置为0度可以使导通相绕组获得最大

平均感应电压。 触发角大于0为超前，小于0为滞后 2. Trigger Pulse Width：触发脉冲宽度（电角度）； 3. Transistor Drop：开关管压降

4. Diode Drop：二极管压降。对于S3和S4型电路，二极管压降为开路相的全电压（额定电压） 5. Maximum Current：对于CCC控制类型的电流上限。 6. Minimum Current：对于CCC控制类型的电流下限。

15.3.3定子设计

在项目树下双击图标Machine>Stator显示Properties会话框. 在Stator列表中，如图15.6，所示设计定子铁心。

图15.6 定子数据

1. Outer Diameter：定子外径。 2. Inner Diameter：定子内径。 3. Length：定子铁心的轴向长度。 4. Stacking Factor：定子的迭压系数

5. Steel Type：定子铁心材料类型（参考7.3节设置材料类型） 6. Number of Poles：定子所含的磁极数目。 7. Embrace：极弧系数。

8. Yoke Thickness：定子轭部的厚度。 点击OK关闭Properties对话框。

15.3.3.1 定义定子绕组

双击项目树中的Machine>Stator>Winding图标，显示Properties对话框。 在如图15.7所示的Winding列表中定义导线、导体和定子绕组

图15.7 磁极尺寸

1. Insulation Thickness：定子和励磁绕组之间的绝缘层厚度。 2. End Adjustment：定子线圈的端部长度调整。 3. Parallel Branches：定子一相绕组的并联支路数

4. Turns per Pole：每个定子磁极下的匝数。0表示自动设计每极匝数。

5. Number of Strands：每个导体中导线的并绕根数。输入0，RMxprt会自动设计根数。 6. Wire Wrap：漆包线的双边漆皮厚度。输入0后能从导线库中自动获得

7. Wire Size：定子绕组导线的直径（输入0，RMxprt会自动设计）。用户可选择圆导线或扁导线两种型号。当槽型为1到4时，圆形导线可用（参考7.4.1节设置圆导线）。当槽型为5或6时，扁导线可用（参考7.4.2节设置扁导线）。

8. Coupled Ratio：耦合比。只有当电路类型为线圈耦合型是有效，应在此输入与主电路耦合 的线圈匝数比。

点击OK关闭Properties对话框。

15.3.4转子设计

在工程树下双击图标Machine>Rotor显示Properties 会话框。在Rotor列表中，输入转子设计数据，如图15.8所示。

图 15.8 转子数据

1. Outer Diameter：转子外径 2. Inner Diameter：转子内径 3. Length：转子铁心长度

4. Steel Type：选择转子材料(参考7.3指定材料类型) 5. Stacking Factor：转子的迭压系数 6. Number of Poles：转子极数

7. Embrace：极弧系数。极弧实际的角度与最大磁极角度之比，在0到1之间。 8. Yoke Thickness：转子轭部的厚度。 点击OK关闭Properties对话框。

15.3.5定义转轴数据

定义转轴数据：

1.点击项目树中的Machine>Shaft图标，显示Properties对话框

2.在如图15.9所示的Shaft列表中，选择或清除Magnetic Shaft选项，以指定转轴是否由磁性材料制成。

3.点击OK关闭Properties对话框

图 15.9 转轴设置

15.4 开关磁阻电动机的求解

15.4.1解决方案设置

在对设计方案进行分析前，先进行几项选择设置： 设置计算方案：

1. 在项目树下用右键点击Analysis图标，然后右键菜单中点击Add Solution Setup，显示Solution Setup对话框.

2. 在如图15.10的General列表中定义计算方案的数据。

图15.10 解决方案设置

1) Operation Type：运行方式

2) Load Type：从下拉列表中选择负载类型 (参考7.8.2发电机负载类型). 3) Rated Output Power：电机额定输出功率。

4) Rated Voltage：电机线电压有效值，并选择其单位。 5) Rated Speed：额定转速，在电动机负载端的理想输出转速。

6) Operating Temperature：电机运行时的工作温度。工作温度会影响绕线的电阻，因此会影响电阻损耗。 3.点击OK关闭Properties对话框

15.4.2求解

1. 点击RMxprt>Validation Check，显示Validation Check的消息框。 2. 如果设置有问题，可以通过窗口中的诊断消息解决。 3. 点击Close关闭Validation Check的消息框。 4. 当设计被确认后，点击RMxprt>Analyze All。

5. 分析过程会在过程Progress窗口中显示，分析信息会在Message Manager窗口中显示。

15.5 开关磁阻电动机的设计输出

当RMxprt完成求解后，可采用下面的方法观察和分析计算结果：

15.5.1 查看计算结果

点击RMxprt>Results>Solution Data 显示Solutions对话框，其中包含4个列表。看完结果后，点击Close来关闭Solution消息对话框。

15.5.1.1 解决方案数据

在Solution Data列表中的Data下拉列表由有关于三相感应电机的5个数据表 1.满载运行

输入直流电流Input DC Current 3.84335 A 相有效电流Phase RMS Current 4.24819 A 相电流密度Phase Current Density 16.457 磨擦和风损耗Frictional and Wind Loss 7.61799 W 铁心损耗Iron Core Loss 39.1931 W 绕组铜损耗Winding Copper Loss 230.102 W 晶体管损耗Transistor Loss 15.0999 W 二极管损耗Diode Loss 5.39552 W 总损耗Total Loss 295.409 W 输出功率Output Power 550.127 W 输入功率Input Power 845.536 W 效率Efficiency 65.0625

额度转速Rated Speed 952.248 rpm

额度转矩Rated Torque 5.51676 NewtonMeter 磁链Flux Linkage 0.431118 Wb

定子磁极磁密Stator-Pole Flux Density 1.68013 tesla 定子轭磁密Stator-Yoke Flux Density 1.36574 tesla 转子磁极磁密Rotor-Pole Flux Density 1.28355 tesla 转子轭磁密Rotor-Yoke Flux Density 1.36574 tesla 绕组阻值Winding Resistance 3.18752 ohm

绕组漏电感Winding Leakage Inductance 1.8687 mH 铁心损耗电阻Iron-Core Loss Resistance 1679.94 ohm 相电流频率Frequency of Phase Current 95.2248 Hz 最大输出功率Maximum Output Power 730.021 W 2. 材料消耗：

定子铜密度Stator Copper Density 8900 定子铁心密度Stator Core Steel Density 7820

转子铁心密度Rotor Core Steel Density 7820 定子铜重量Stator Copper Weight 0.919336 kg 定子铁心重量Stator Core Steel Weight 2.28219 kg 转子铁心重量Rotor Core Steel Weight 1.26694 kg 全部净重Total Net Weight 4.46846 kg

定子铁心消耗Stator Core Steel Consumption 4.89467 kg 转子铁心消耗Rotor Core Steel Consumption 2.09368 kg 3. 空载运行：

空载速度No-Load Speed 8429.64 rpm

空载直流电流No-Load DC Current 0.462787 A 空载输入功率No-Load Input Power 101.813 W 4. 起动运行

估计起动转矩Estimated Start Torque 63.9541 NewtonMeter 估计起动直流电流Estimated Start DC Current 55.2586 A 最大起动电流Maximum Start Current 68.3917 A 5. 定子绕组：

每极导体数Number of Turns per Pole 142 股数Number of Strands 1 线径Wire Diameter 0.5733 mm 线包裹Wire Wrap 0.08 mm

半匝线圈长度Coil Half-Turn Length 88.0628 mm

15.5.1.2 参数

在Parameter列表中可以看到预定义的参数值。

12.5.1.3 设计单

在Design Sheet列表中共有10组相关数据：

开关磁阻电动机设计 文件： Setup1.res

1. 总体数据要求

额定输出功率Rated Output Power (kW)： 0.55 额定电压Rated Voltage (V)： 220

给定的额定转速Given Rated Speed (rpm)： 1500 摩擦损耗Frictional Loss (W)： 12 风损耗Wind Loss (W)： 0

负载类型Type of Load： Constant Power 电路类型Type of Circuit： Full-Voltage

触发超前角（电角度）Lead Angle of Trigger in Elec. Degrees： 0 触发脉冲宽度（电角度）Trigger Pulse Width in Elec. Degrees： 80 晶体管总压降Total Transistor Voltage Drop (V)： 2 二极管总压降Total Diode Voltage Drop (V)： 2 运行温度Operating Temperature (C)： 0

2. 定子数据

定子极数Number of Stator Poles： 8

定子外径Outer Diameter of Stator (mm)： 120 定子内径Inner Diameter of Stator (mm)： 75 轭厚Yoke Thickness (mm)： 9 极弧系数Pole Embrace： 0.5

定子长度Length of Stator Core (mm)： 65

定子铁心叠片系数Stacking Factor of Stator Core： 0.95 钢类型Type of Steel： D23_50

3. 定子线圈数据

槽绝缘厚度Slot Insulation Thickness (mm)： 0.3 端部长度调整End Length Adjustment (mm)： 0 并联支路数Number of Parallel Branches： 1 每极匝数Number of Turns per Pole： 142 导体中的线数Number of Wires per Conductor： 1 线径Wire Diameter (mm)： 0.5733

线包裹厚度Wire Wrap Thickness (mm)： 0.08

4. 转子数据

转子槽数Number of Rotor Poles： 6 气隙长度Length of Air Gap (mm)： 0.5 转子内径Inner Diameter of Rotor (mm)： 30 轭厚Yoke Thickness (mm)： 9 极弧系数Pole Embrace： 0.5

转子长度Length of Rotor Core (mm)： 65

转子铁心叠片系数Stacking Factor of Rotor Core： 0.95 钢类型Type of Steel： D23_50

5. 材料消耗

定子铜密度Stator Copper Density (kg/m^3)： 8900

定子铁心密度Stator Core Steel Density (kg/m^3)： 7820 转子铁心密度Rotor Core Steel Density (kg/m^3)： 7820

定子铜重量Stator Copper Weight (kg)： 0.919336 定子铁心重量Stator Core Steel Weight (kg)： 2.28219 转子铁心重量Rotor Core Steel Weight (kg)： 1.26694 总重量Total Net Weight (kg)： 4.46846

定子铁心消耗Stator Core Steel Consumption (kg)： 4.89467 转子铁心消耗Rotor Core Steel Consumption (kg)： 2.09368

6. 满载运行数据

输入直流电流Input DC Current (A)： 3.84335 相有效电流Phase RMS Current (A)： 4.24819 相电流密度Phase Current Density (A/mm^2)： 16.457

磨擦和风损耗Frictional and Wind Loss (W)： 7.61799 铁心损耗Iron-Core Loss (W)： 39.1931 绕组铜损耗Winding Copper Loss (W)： 230.102 二极管损耗Diode Loss (W)： 5.39552 晶体管损耗Transistor Loss (W)： 13.0999 总损耗Total Loss (W)： 295.409

输出功率Output Power (W)： 550.127 输入功率Input Power (W)： 845.536 效率Efficiency (%)： 65.0625 额度转速Rated Speed (rpm)： 952.248 额度转矩Rated Torque (N.m)： 5.51676

磁链Flux Linkage (Wb)： 0.431118

定子磁极磁密Stator-Pole Flux Density (Tesla)： 1.68013 定子轭磁密Stator-Yoke Flux Density (Tesla)： 1.36574 转子磁极磁密Rotor-Pole Flux Density (Tesla)： 1.28355 转子轭磁密Rotor-Yoke Flux Density (Tesla)： 1.36574

每匝线圈长度Coil Length per Turn (mm)： 176.126 相绕组阻值WWinding Resistance in Phase (ohm)： 3.18752

绕组漏电感Winding Leakage Inductance (mH)： 1.8687 铁心损耗电阻Iron-Core-Loss Resistance (ohm)： 1679.94 相电流频率Frequency of Phase Current (Hz)： 95.2248 最大输出功率Maximum Output Power (W)： 730.021

7. 空载运行

空载速度No-Load Speed (rpm)： 8429.64

空载直流电流No-Load DC Current (A)： 0.462787 空载输入功率No-Load Input Power (W)： 101.813

8. 起动运行数据

估计起动转矩Estimated Start Torque (N.m)： 63.9541 估计起动直流电流Estimated Start DC Current (A)： 55.2586 最大起动电流Maximum Start Current (A)： 68.3917

9. 瞬态有限元输入数据 对于电枢绕组：

匝数Number of Turns： 284 并联支路数Parallel Branches： 1

端部电阻Terminal Resistance (ohm)： 3.18752 端部漏电感End Leakage Inductance (H)： 0.000599669 二维等效值：

等效模型深度Equivalent Model Depth (mm)： 65

等效定子叠片系数Equivalent Stator Stacking Factor： 0.95 等效转子叠片系数Equivalent Rotor Stacking Factor： 0.95

估计转子转动惯量Estimated Rotor Inertial Moment (kg m^2)： 0.00149257

16.5.1.4性能曲线

在Curve列表的Name下拉菜单中，有如图15.11所示的10种性能曲线。

a. 不同位置的磁链-电流曲线

b. 输入直流电流-速度曲线

c. 效率-速度曲线

d. 输出功率-速度曲线

e. 输出转矩-速度曲线

f. 最大相电流曲线

g. 额度相电流曲线

h. 磁链曲线

i. 相电流

j. 相电压

图 15.11 性能曲线

15.5.2创建报告

1. 从菜单栏中点击RMxprt>Results>Create Report以显示Create Report对话框。

2. 在Display Type下拉菜单中选择Rectangle Plot，结果以二维的矩形x-y图表的形式显示。 3. 点击OK, 出现如图16.13所示的Traces对话框。

4. 在Y轴列表中，从参量Quantity队列中选择要增加的曲线，点击Add Trace按键逐个增加曲

线。

5.点击底部的Done按键关闭Traces对话框。

6.双击Results>XY Plot1图标，在一个新的图形窗口中出现多条曲线，如图15.13所示。

图 15.12增加三条线

Ansoft Corporation12.00XY Plot 2RMxprtDesign1Curve InfoFluxLinkageSetup1 : PerformanceElectricalDegree='0deg'_I3Setup1 : Performance0.18ElectricalDegree='0deg'0.2010.000.158.000.136.000.100.084.000.052.000.030.000.002.004.006.00_I3 [A]8.0010.000.0012.00FluxLinkage [Wb]_I3 [A]

图15.13三条曲线图