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电动汽车磁阻电机的有限元分析

发布于:2016-12-16 20:04
有限元分析

      随着全球能源危机和环境问题的突出,以电动汽车为代表的代用燃料汽车成为解决汽车业可持续发展的重要途径。开关磁阻电机是近二十年快速发展起来的一种实行用微特电机,其结构较为简单坚固,起动转矩大,可控参数多,控制灵活,效率高,广泛应用于电动车驱动系统、家用电器、通用工业、高速电机等。SRM应用于电动车辆可以实现快响应、高精度、高效率以及大转矩输出的性能指标。
      由于开关磁阻电机长期运行在饱和或非线性状态,且控制参数多,相电流随转子位置而变化,无法得到简单统一的数学模型和解析式。本研究通过对电动汽车用SRM进行有限元分析,建立SRM非线性模型并以此模型为对象进行动态仿真,对于电动汽车用SRM的设计、控制和应用具有重要意义。
      由于求解区域会有电流源的存在,计算时须采用矢量磁位,并作如下假设:(1)分析时应忽略电机端部的磁场效应,磁场沿轴向会均匀分布,矢量磁位A和电流密度J只有轴向分量A,故磁感应强度只有Br和B;(2)分析的磁场仅被限制于电机的内部,定子的外部及转子的内部边界认为是零矢量磁位线;(3)小计交变磁场在导电材料中如定子绕组及机座中的涡流反应,因此,SRM的磁场可作为非线性似稳场来处理。
      对于三相SRIVI定子每一极来说,转子转过90。机械角为一个周期,根据对称性,只计算转子转动450范围即可完成分析。将定子齿中心与转子槽中心对齐位置定义为B=0°位置。
      添加设置空气区,导磁区,电流流入区,电流流出区4部分材料。其中导磁区为非线性材料,用一条B/H曲线描述其材料属性;其余部分磁导率均为1。赋子而材料属性,按材料属性显示面: 定义单元类型,选择PLANE 53单元,采用三角形六节点、smartsize形式。
      对于本研究的SRM二维分析,只考虑一类齐次边界条件。即在电机定子外径和转子内径上矢量磁位A。此后,均采用命令流方式进行参量输入,更改设置及求解。
      将绕组的体电流转化为而电流形式,其中,S为载流线圈横截而积,n为电机的绕组线圈匝数,i为单匝输入的电流。电流密度远的单位为A/m,二维有限元分析中,其正值表示电流沿十Z方向,负值表示电流沿-Z方向。
      该SRM的磁通主要有三部分:一部分是定子绕组通电流的励磁极经气隙到达转子极的主磁通;第二部分是经极间气隙到达定子扼的漏磁通;第三部分是从励磁极经极间相邻绕组的相间漏磁通。
      对于SRM的仿真重点和难点在于建立SRM的数学模型,须在充分考虑SRM非线性的基础上建立电路方程、机械方程以机电联系方程。MATLAB7.6版在SIIVIULINK/simpowersystem库中添加SRM的模型库,该库中包括通用SRM模型的和特定SRM模型。其中,特定SRM模型可以山用户根据实验数据或有限元分析数据建立符介实际需求的SRM模型。
      模型主要包括三个子模块:功率变换模块、SRM模块和位置检测模块。
      功率变换模块采用三相小对称半桥结构,每相两个工GBT功率开关管。反向并联续流二极管,根据电流控制模块给出的信号,控制开关管顺序导通和关断,从而产生三相相电压输出。
      SRM模块自接从SimPowerSystem的Machines中选取Switched Reluctance Motor,指定为三相6/4 Specific Model;参数设置部分输入有限元分析计算所得的样机定子磁阻、惯J险常量、摩擦系数、起始速度和位置以及SRM的电磁特性表。
      其中,SRM的电磁特性表是将有限元分析得出的磁链矩阵磁化特性读入MATLAB工作空间,生成的import表格,该表准确反应电机模型的特性,在仿真中起着至关重要的作用。
      位置检测模块输入开通角、关断角和转速,输出控制信号。调整开通角和关断角可改变电机的转矩脉动,通过精确计算及仿真选定介理的角度可以最大限度的减小转矩脉动和噪声。
      采用100V自流电源供电,参考电流为100A,滞环比较器宽度为士SA。为了获得大的加速度和启动转矩,给SRM施加一个很小的负载转矩,本研究中取0。仿真输出包括3部分:绕组电流、转矩和转速。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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