第４５卷 第１期 ２０１２焦 截１．｝机 ＭＩＣＲ０Ｍ０Ｔ０ＲＳ Ｖｏ１．４５．Ｎｏ．１ １月 Ｊａｎ．２０１２ 新型磁悬浮开关磁阻电机的有限元分析 徐青松，孙玉坤，周应旺，徐高红 （江苏大学电气信息工程学院，江苏镇江摘一２１２０１３） 要：为了解决传统的磁悬浮开关磁阻电机定子同～齿极上的转矩绕组与悬浮力绕组的强耦合的问题，本文提出 种采用了混合定子极的新型８／１０极磁悬浮开关磁阻电机模型。混合定子中都只有一套绕组，其中四极产生转子 所需转矩，另外四极产生转子回到平衡位置的径向力。本文利用Ａｎｓｏｆｔ软件建立电机模型，进行了静态转矩特性仿 真、电磁径向力数值计算和动态仿真研究。仿真结果为此新型电机的优化设计和进一步研究提供了理论依据。 关键词：磁悬浮开关磁阻电机；混合定子极；Ａｎｓｏｆｔ仿真；径向力 中图分类号：ＴＭ３５２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００１．６８４８（２０１２）０１．００１２．０４ Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａ Ｎｏｖｅｌ Ｂｅａｒｉｎｇｌｅｓｓ Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ Ｍｏｔｏｒ ＸＵ Ｑｉｎｇｓｏｎｇ，ＳＵＮ Ｙｕｋｕｎ，ＺＨＯＵ Ｙｉｎｇｗａｎｇ，ＸＵ Ｇａｏｈｏｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ Ｊｉａｎｇｓｕ ２１２０１３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｓｔｒｏｎｇ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｔｏｒｑｕｅ ａｎｄ ｒａｄｉａｌ ｆｏｒｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｓｔａｔｏｒ ｐｏｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｂｅａｒｉｎｇｌｅｓｓ ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ ｍｏｔｏｒ（ＢＳＲＭ），ａ ｎｏｖｅｌ ８／１０ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ＢＳＲＭ ｗｉｔｈ ｈｙｂｒｉｄ ｓｔａｔｏｒ ｐｏｌｅｓ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｅｖｅｒｙ ｓｔａｔｏｒ ｐｏｌｅ ｈａｓ ａ ｗｉｎｄｉｎｇ ａｎｄ ４ ｐｏｌｅｓ ｐｒｏｄｕｃｅ ｒｏｔａ— ｔｉｏｎａｌ ｔｏｒｑｕｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｔｈｅｒｓ ｇｅｎｅｒａｔｅ ｒａｄｉｌ ｆａｏｒｃｅ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｕｓｉｎｇ Ａｎｓｏｆｉ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ａｎｄ ａｌｓｏ ｇａｖｅ ｒａｄｉｌ ｆａｏｒｃｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｏｒｑｕｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｕｒｖｅ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａ－ ｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ ｉｓ ｂｅｎｅｆｉｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｍｏｔｏｒ ａｎｄ ｉｔｓ ａｄｖａｎｃｅｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｅａｒｉｎｇｌｅｓｓ ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ ｍｏｔｏｒ；ｈｙｂｒｉｄ ｓｔａｔｏｒ ｐｏｌｅｓ；Ａｎｓｏｆｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｒａｄｉａｌ ｆｏｒｃｅ ０ 引 言 磁悬浮开关磁阻电机（Ｂｅａｒｉｎｇｌｅｓｓ Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｒｅ－ 验证了电机理论的正确性。 １ 电机的结构与原理 本文中提出的电机模型为８／１０极磁悬浮开关磁 ｌｕｃｔａｎｃｅ Ｍｏｔｏｒ，ＢＳＲＭ）不需要用传统的机械轴承， 利用开关磁阻电机定子结构和磁轴承结构的相似性， 把产生悬浮力的绕组叠加到开关磁阻电机定子上， 阻电机。与传统的ＢＳＲＭ不同，本电机定子采用两 种不同的定子极，即为混合定子极 ，如图１所示。 从而实现电机转子旋转和悬浮的一体化，具有结构 简单、无摩擦、寿命长等优点，使得磁悬浮开关磁 阻电机具有很好的应用前景¨ 。 传统的ＢＳＲＭ是将转矩绕组和悬浮绕组叠加在 同一个齿极上，在转矩绕组和悬浮绕组共同作用下 产生径向力，实现转子的稳定悬浮。但是这种结构 使电机转矩和悬浮力产生了较强的耦合关系，需要 研究解耦策略，使得电机控制方法变得极其复杂。 本文提出一种新型的８／１０极ＢＳＲＭ结构，电机 浮绕组 采用混合定子结构，每极只有一套绕组 Ｊ。利用 Ａｎｓｏｆｔ软件建立此新型电机的模型，进行了静态转 矩特性仿真、电磁径向力数值计算和动态仿真研究， 收稿日期：２０１１—０４－１０ 图１ ＢＳＲＭ的基本结构 基金项目：国家自然科学基金项目（６１０７４０１９） 作者简介：徐青松（１９８６），男，硕士研究生，研究方向为磁悬浮电机数字控制系统。 ｌ期 徐青松等：新型磁悬浮开关磁阻电机的有限元分析 ・１３・ 可以看出，Ａ ，Ａ：， 。和 是电机的旋转定子 极，主要产生电机的转矩。其他的四极ｚｌ， ，ｚ３ 和 为电机的悬浮定子极，产生转子径向力，实现 稳定悬浮。在定子极Ａ 和Ａ：上绕有同一绕组，绕组 电流为ｉ ；定子极 。和 ：上也绕有同一绕组，绕组 电流ｉ 。在定子极ｚ ， ， 和ｚ４上分别绕有四组 绕组独立控制，产生 和Ｙ上的径向力。当电机转子 在 负方向上有偏移，只需要在ｚ１极上通以电流ｉ ， 本文提出的电机结构中，转矩定子极的极弧等 于转子极的极弧，而径向力定子极的极弧是转子极 极弧的两倍。由此可以推出，在任意的转子位置角 上，径向力定子与转子正对的区域宽度是一个常数， 即为一个转子极的极弧。故径向力表达式可以表 示为： ｌＹ ＂ＬｒａｚｏＦ＝ｔ—一ｒ２一 ——２ｇ‘ １． （６） 。。 其他的悬浮定子极无需通电，直到转子回到平衡位 式中，ａ为转子的极弧宽度，可以看出径向力和转 置。同理，转子在Ｙ方向上有偏移，只要在 上通 以电流ｉ：。定子极ｚｌ， ，ｚ３和 通以两极电流， 可以合成所需的任何方向的径向悬浮力。 旋转转矩的产生和开关磁阻电机转子运行原理一 样，按照一定的顺序给各相主绕组通以电流，由于凸 极效应，产生切向磁拉力从而形成磁阻转矩。 ２径向力数学模型与原理 首先考虑一个定子极和一个转子极之间产生的 电磁力。定子绕组通以电流ｉ，透过气隙定子极产生 磁力线。由于电磁边缘效应，定子和转子错开的区 域也有磁力线通过，原理图如图２所示。Ｆ为定子 极产生的径向悬浮力，定子绕组的电感表达式为 ： Ｌ：ＩｚｏＮ２Ｌｒ＝ （ ＋ ）十Ａｆ Ｊ （１）Ｉ ｌ Ｊ ｇ 式中， 。为空气磁导率，Ⅳ为定子绕组的匝数， 是电机的长度，ｒ为电机转子半径，ｇ为气隙长度， 为定转子正对区域宽度， 为边缘效应系数。电 机齿极间的磁储能表达式为： Ｗ＝ （２） 而由磁储能产生的径向力为： Ｆ＝ ｄＷ （３） 由式（２），式（３）可得径向力的表达式为： Ｆ＝一号 ｄＬ （４） 将式（１）带入式（４）中得： Ｆ＝￣－－ ２ｔ。 （５） 图２径向力产生的原理图 子位置角无关。由于径向力定子与转子正对的区域 宽度是一个常数，径向力绕组的电感变化很小，故 由径向力绕组产生的转矩可以忽略不计。这样转矩 和悬浮力就实现了自然解耦，大大简化了控制方法。 相对于传统ＢＳＲＭ，这是新型结构电机的最大优点。 ３电机模型建立 本文建立了８／１０极磁悬浮开关磁阻电机模型， 电机模型基本参数如表１。模型建立如下口］： （１）根据ＢＳＲＭ的基本参数和几何尺寸，利用电 机设计软件Ａｎｓｏｆｔ生成磁悬浮开关磁阻电机几何模 型。将二维模型导人三维模型中，三维模型如图３ 所示。 表１样机结构参数 悬浮定子极 予极 图３电机的三维模型 （２）在Ｍａｘｗｅｌｌ ２Ｄ中定义电机材料属性，定子 转子都采用Ｄ２３－５０型号硅钢片，电机绕组选用铜线 绕组。 （３）设定计算的边界条件和绕组的激励源。其 ・Ｊ ・ ▲１Ｉ｝籼 ４５卷 中边界条件采用主从边界，由于本文主要进行二维 稳态磁场的求解，所以激励源用给定电流法即可。 （４）设定有限元模型的网格剖分和有限元计算 求解选项。 完成以上步骤就建立了ＢＳＲＭ有限元模型，从 而进行电机的二维稳态磁场仿真。 ４静态仿真结果 ４．１静态转矩特性仿真 如图４所示，设转矩定子极和转子极正对的位 置为转子的０。位置角。此时只对Ａ相电流通电，通 电时间为１８。机械角度。在Ｍａｘｗｅｌｌ ２Ｄ下电机的静 态电磁特性很容易分析，图５为ＢＳＲＭ的静态转矩 特性。 图４ ０。位置电机磁力线分布图 图５静态转矩特性 ４．２电机转子径向力仿真 本文所设计的电机和传统的ＢＳＲＭ不同，它可 以实现转子转矩和径向力的解耦，同时电机产生的 径向力与电机转子的转动角度无关，下面用Ａｎｓｏｉｆ软 件对上述理论进行验证。 设定子极ｚ 绕组电流ｉ ＝２ Ａ，其他绕组电流 为０，此时电机磁密分布如图６所示。 转子在不同位置角下转子所受的径向力仿真结 果如图７（ａ）所示。由分析可知，ＢＳＲＭ的径向力在 径向正交的两个方向存在耦合。虽然Ｙ方向上的绕 图６极通电时磁密分布图 组没有通电流，但是Ｙ方向还是存在悬浮力，这是 由 方向上得径向力产生的耦合力。这个耦合力随 着转子角度变化呈非线性变化，所以评价耦合强弱 应以耦合力和 方向的径向力相对大小为标准 Ｊ。 设 方向的径向力为 ，耦合力为Ｆ ，可以定义耦 合系数： Ｋ＝ ＝ｔａｎ ｃ７ ｚ、式中， 为悬浮力合力和 方向的径向力的夹角。图 加 Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ ＯＨ ｍ ７（ｂ）给出了０随位置角变化的曲线。图中可以看出， 在６。一１２。和２４。～３０。之间，悬浮力方向偏离 方向 较大，即Ｋ较大，说明耦合强度较强。其他区域Ｋ 较小，悬浮力方向几乎和 方向平行，说明耦合很 小，可以忽略不计，为径向力控制算法提供了有益 参考。 需要说明的是，定子极 绕组通电时，产生的 电机转矩几乎为０，可以忽略不计。 转子角度／度 （ａ） 和ｙ方向径向力 转子角度／度 （ｂ）合力方向角０变化曲线 图７电机转子径向力仿真结果 ６１期 徐青松等：新型磁悬浮开关磁阻电机的有限元分析 ・ｌ５・ ５动态仿真结果 ５．１动态仿真模型建立 ＿ ｜＝日 ｌＯ ８ ６ ４ Ｈ Ａｎｓｏｆｌ可以定义外加电路和模型构成一个系统 进行仿真，外电路由功率变换器模型与驱动电路组 成 ］。首先假设电机转子稳定在平衡位置，且电机 工作在空载状态。在功率变换器中，每一相绕组有 电阻、电感和纯绕组串联组成。 由ＢＳＲＭ的原理可知，主开关管的开通关断是 由电机转子的位置决定的，故根据转子的位置信号 给功率变换器提供换相信号，对于本文的磁悬浮开 关磁阻电机，开关管的导通周期为３６。，每隔１８。就 有一相导通。仿真外电路模型如图８所示。 —－２ ０ ２ Ｏ．８ Ｏ．６ 害０．４ ０．２ ０ ０．２ ４００ ３００ ２００ 霎１０ｏ０ 网Ｉ．．．．．．．．．．＿＿Ｊ 一－ＤＭｏｄｅｌｌ －－１００ ２００ ３００ ４００ ｔ／ｍｓ 团 ＳＭｏｄｅｌｌ （ｄ）反电动势波形 图９电机动态仿真波形 ６ 结论 本文在Ａｎｓｏｉ环境下建立了新型磁悬浮开关磁 ｆ阻电机仿真模型，完成了对ＢＳＲＭ系统的仿真。仿 真结果准确地反映了新型ＢＳＲＭ的转矩特性和径向 力分布，验证了电机理论的准确性。同时仿真精确 图８仿真外电路模型 地反映了电机的转矩、相电流、磁链特性，对电机 ５．２动态性能仿真结果 结构参数优化设计、数学模型、控制策略和进一步 采用角度位置控制方法，绕组导通角为一ｌ５。， 关断角为３。，电机转速为１ ５００ ｒ／ｍｉｎ。图９为角度 的研究具有重要的参考价值。 参考文献 ［１］Ｔａｋｅｍｏｔｏｍ，Ｓｕｚｕｋｉ Ｈ，Ｃｈｉｂａ Ａ．Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａ Ｂｅａｒｉｎｇｈｓｓ Ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ Ｍｏｔｏｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ， ２００１，３７（１）：２６—３４． 位置控制下的电机性能波形，其中图９（ａ）为电机转 矩波形，图９（ｂ）为相电流波形，图９（Ｃ）为磁链波 形，图９（ｄ）为反电动势波形。 ［２］Ｄｏｎｇ Ｈｅｅ Ｌｅｅ，Ｗａｎｇ Ｈｕｉｊｕｎ，Ｊｉｎ ＷｏｏＡｈｎ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｎｏｖｅｌ Ｂｅａｒｉｎｇｈｓｓ Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｒｅｌｕｃｔｎｃａｅ Ｍｏｔｏｒ［ｃ］．Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒ－ ｓｉｏｎ Ｃｏｎｇｒｅｓｓ ａｎｄ Ｅｘｐｏｓｉｔｉｏｎ，２００９：２７６—２８１． ［３］赵博，张洪亮．Ａｎｓｏｆｔ １２在工程电磁场中的应用［Ｍ］．北京： 中国水利水电出版社，２０１０． ｔ／ｍｓ ［４］ 刘羡飞．磁悬浮开关磁阻电机电磁力耦合特性的有限元分析 ［Ｊ］．南通大学学报，２００８，７（４）：１３—１７． （ａ）电机转矩波形