基于有限元非线性模型的SR电机系统仿真及转矩脉动抑制

论文摘要

开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor简称:SR电机)的步进电磁场长期运行在饱和与非线性状态,且控制参数多,相电流波形随转子位置和控制方式变化,无法得到简单、统一的数学模型和解析式。由于SR电机材料本身的非线性特性及电磁场的饱和特性,传统的磁路法很难对其进行精确地分析与计算;并且SR电机本身又不能脱离驱动电路单独运行,因此对其电磁场进行数值计算求解的同时应当考虑外部驱动电路与控制参数的影响。SR电机绕组电流的非正弦性与铁心磁通密度的高饱和特性决定了它是一个时变、非线性系统,若用简单的线性模型去描述其动静态特性会带有较大的误差。为了深入、准确地研究SR电机的稳态和动态特性,必须在其非线性模型的基础上对电机本体和功率变换器进行系统地、整体地分析与设计。此外,转矩脉动是限制SR电机广泛应用的主要问题,转矩脉动的存在会引起电机强烈的振动与噪声。如何有效地减小和抑制SR电机的转矩脉动一直是此类电机研究的热点与难点之一。针对以上SR电机存在的问题以及需要改进的方面,本文在有限元非线性模型的基础上对整个电机系统作了整体性分析与仿真实验;在文章的最后根据转矩脉动产生的根本原因,提出了抑制转矩脉动的方法——改进电机定子磁极结构。文章首先通过有限元软件ANSYS对SR电机非线性二维电磁场进行计算和分析,并利用MATLAB/SIMULINK软件建立SR电机系统动态仿真模型,将有限元计算的电磁数据导入系统仿真模型中,在考虑电机材料本身的非线性特性及电磁场的饱和特性的同时考虑电机外部驱动电路的影响;然后对SR电机分别在低速和高速运行状态下进行电流斩波控制(CCC)和角度位置控制(APC)的动态仿真实验,从而验证系统模型的有效性;最后,结合有限元计算的非线性矩角特性曲线和仿真实验结果输出的转矩波形,得出产生转矩脉动的根本原因,并在此基础上提出抑制SR电机转矩脉动的结构改进方案:对定子凸极进行改进以减小定转子磁极间气隙磁场的突变,进而减小电机的转矩脉动。仿真实验结果表明:改进后SR电机的转矩脉动明显减小,并且能够提高有效输出转矩。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 开关磁阻电机的发展概况
• 1.2.1 开关磁阻电机的发展历史
• 1.2.2 国内外研究现状和发展方向
• 1.3 本文研究的主要内容和意义
• 1.3.1 主要研究内容
• 1.3.2 研究目的、意义及创新点
• 1.4 小结
• 第2章 开关磁阻电机系统组成及运行原理
• 2.1 引言
• 2.2 开关磁阻电机系统组成
• 2.3 开关磁阻电机工作原理
• 2.3.1 运行特点
• 2.3.2 运行方式
• 2.4 开关磁阻电机系统的特点及应用
• 2.5 小结
• 第3章 开关磁阻电机非线性电磁参数的有限元计算
• 3.1 引言
• 3.2 电机内的电磁场及其边值问题
• 3.2.1 电磁场基本理论
• 3.2.2 势函数 A的引入及边值问题
• 3.3 电机电磁场有限元分析
• 3.3.1 有限元法发展概况
• 3.3.2 有限元法的主要特点
• 3.3.3 电磁场有限元分析的一般步骤
• 3.3.4 条件变分问题及其求解
• 3.3.5 电磁场量计算
• 3.4 基于ANSYS软件的样机电磁场非线性计算
• 3.4.1 ANSYS软件介绍
• 3.4.2 样机电磁场非线性静态特性计算
• 3.4.3 有限元数据处理
• 3.5 小结
• 第4章 开关磁阻电机系统建模及动态性能分析
• 4.1 引言
• 4.2 SIMULINK软件介绍
• 4.3 开关磁阻电机的基本方程
• 4.3.1 电压电路方程
• 4.3.2 机械运动方程
• 4.3.3 机电联系方程
• 4.4 开关磁阻电机系统建模
• 4.4.1 电机系统仿真模型
• 4.4.2 有限元数据的导入
• 4.5 开关磁阻电机在 CCC和 APC下的动态性能仿真
• 4.5.1 CCC控制
• 4.5.2 APC控制
• 4.5.3 关断角与转矩脉动系数之间的关系
• 4.5.4 关断角与有效输出转矩之间的关系
• 4.5.5 负载转矩与转速之间的关系
• 4.6 仿真结果分析与预测
• 4.7 小结
• 第5章 开关磁阻电机转矩脉动的抑制
• 5.1 引言
• 5.2 引起开关磁阻电机转矩脉动的主要原因
• 5.3 转矩脉动的抑制
• 5.3.1 抑制转矩脉动的机理
• 5.3.2 定子磁极结构改进措施
• 5.3.3 仿真实验分析与结论
• 5.4 仿真结果分析与预测
• 5.5 小结
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 附录A 样机尺寸及参数
• 附录B ANSYS计算程序（APDL命令流）
• 附录C MATLAB功率变换器换相程序
• 致谢
• 作者简介
• 攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果