Ansoft在外转子开关磁阻电机仿真设计中的应用

戴 婷，李 军

（1.浙江理工大学 机械与自动控制学院,浙江 杭州 310018；2.台州学院 机械工程学院，浙江 台州 318000）

Ansoft在外转子开关磁阻电机仿真设计中的应用

戴 婷1，李 军2＊

（1.浙江理工大学 机械与自动控制学院,浙江 杭州 310018；2.台州学院 机械工程学院，浙江 台州 318000）

开关磁阻电机具有双凸极结构，工作于开关状态，依靠磁阻转矩工作，其电磁关系具有高度非线性。本文利用电磁场有限元分析软件Ansoft，对开关磁阻电机进行瞬态电磁场分析。并通过仿真实例，介绍了外转子开关磁阻电机的建模与仿真过程，分析了仿真过程中出现的常见问题，提出了具体的解决方法与步骤。

Ansoft软件；外转子开关磁阻电机；仿真分析；

1 引言

开关磁阻电机（SRM）是一种新型电机，已经在许多领域得到了应用，但是由于其双凸极结构，磁路、电路的非线性，使得要准确分析其性能比较复杂。为了能在样机制造出来之前对所设计的电机进行性能估计，对开关磁阻电机进行较为准确的电磁场仿真是非常必要的。近年来，在此类电机的设计中，基于有限元方法的Ansoft软件，应用越来越普遍。

现有的基于Ansoft的SRM仿真文献大多只提供仿真结果，而多数读者很希望了解仿真的具体步骤，以及常见问题的详细解决方法。本文结合笔者在外转子开关磁阻电机仿真时的经验，介绍了Ansoft在开关磁阻电机仿真中的详细过程，特别列出了仿真过程中容易出现的问题及解决方法。

Ansoft软件模型库只提供内转子SRM，文献资料大多也只介绍内转子电机的仿真设计。现在外转子SRM等电机的应用越来越普遍，对外转子电机的仿真设计变得尤为重要。但关于外转子开关磁阻电机方面的资料较少，许多从事该方向研究的技术人员在使用该软件时常常被一些问题所困扰。因此本文对外转子型的开关磁阻电机及直流无刷电机等的仿真均有一定的参考价值。

2 AutoCAD模型导入Ansoft

Step1在AutoCAD中画出外转子开关磁阻电机定转子冲片图。CAD图纸采用的模板最好不要用国标模板，否则导入Ansoft后，将无法看到电机冲片。因为国标模板的图层均为中文名称，而Ansoft软件不能识别中文。然后将AutoCAD中的图形打散，模型建好后将其另存为AutoCAD2000/LT2000格式的图形文件。太高的CAD版本，Ansoft可能也不识别。

Step2启动Ansoft并建立新的项目文件。先执行Project/Insert Maxwell 2D Design命令，再执行Maxwell 2D/Solution Type命令，在弹出的求解器对话框中选择Magnetic栏下的Transient求解器，Geometry Model选择Cartesian XY，即直角坐标系。

Step3执行modelor/import，选择刚刚保存的CAD文件，打开。

如果，导入之后依旧看不到图形。对此，首先，检查CAD图纸是不是采用的国标图纸，如是改为非国标图纸；其次，检查导入的CAD图形是不是在单一图层下。如不在同一图层下，将AutoCAD中的图层改为同一个图层，即可；最后，考虑AutoCAD中所画的图形是不是不闭合，将AutoCAD中的图重新检查一下。

3 创建电机几何模型

由于导入的模型，有些线面无法选择，导致编辑困难，需要重新整理。根据导入的模型，利用Draw Line和Draw 3 point arc、center point arc等命令描线。

确认图形描线结束后，将工程树栏中由CAD导入电机的底层线删除。最终的开关磁阻电机的结构图，如图1所示。

图1 开关磁阻电机的结构图Fig.1 Structural drawings of SRM

由于Ansoft最后是对面进行操作，因此需要将建立的定子与绕组创建面域。首先选中定子和绕组分别执行Modeler/Boolean/Unite命令，将所有边连为一个整体。执行Modeler/Surface/Cover lines命令，生成定子与绕组面域。

3.1 建立转子面域模型

在进行静磁场与涡流场分析时，由于不需要考虑电机转子区域的瞬时旋转运动，故只建立一个包含整个电机求解域的外层面域即可。而进行二维瞬态磁场分析时，需要区分出运动部分与静止部分，因而需要多建立一个转子面域。

将外转子开关磁阻电机简化为仅有外转子面域、空气隙面域和定子面域组成的模型。如图2所示。

图2 外转子开关磁阻电机面域分布图Fig.2 Three regions of outer Outer Rotor switched reluctance motor 1代表定子面域；2代表空气隙面域；3代表转子面域

Step1建立内层面域，执行Draw/Circle命令，绘制圆，选择新生成的圆，执行Modeler/Surface/ Cover lines命令建立定子内层面域。内层面域，与定子外圆一样大。

Step2建立外层面域，建立两个同样的外层面域，其中一个作减法，生成Band面域用。

Step3建立空气隙面域，空气隙面域的直径介于定子与转子之间，刚好在空气隙内。

Step4用一个外层面域和空气隙面域相减。先选中外层面域，再按住Ctrl键的同时选中空气隙面域，执行Modeler/Boolean/Subtract命令。被减数是外层面域，减数是空气隙面域，最下方的Clone tool objects before subtracting前不打勾。由此生成Band面域，Band面域用于分离静止部分与运动部分。

由于并不是求解整个开关磁阻电机模型，需要使用主从边界条件，Band面域不能与静止部分和运动部分接触（边接触）。

4 基本定义及设置

4.1 材料定义及分配

由于所需要的一些材料，在默认的材料库中并不包括，这些材料包含在sys［RMxprt］中，因此需要将此材料导入到材料设置中。执行Tools/Configure libraries命令，在弹出的对话框的左侧将RMxprt选中，将其添加到右侧Configures Libraries框中，单击OK按钮确认。

需要指定的材料属性：内外层面域及Band材料属性——空气，绕组coil——Copper，定子和转子——DW465_50

4.2 激励源与边界条件定义和加载

Step1绕组分相，根据几何对称原则。本例：共3相，每相有4个绕组串联。

本例：选择A正向线圈，执行Maxwell 2D/Excitations/Assign/Coil命令，线圈激励源设置对话框弹出，在Base Name中输入PA，定义为A相的正向线圈。导体数为65，Polarity设置中选择Positive。选择A负相绕组，执行同样的命令，线圈激励源设置对话框弹出，在Base Name中输入NA，代表A相负向线圈。导体数为80，Polarity设置中选择Negative。相同步骤设置出B相绕组和C相绕组。

Step3右击项目管理器的Excitations，弹出菜单，选择Add Winding，设置绕组对话框中的信息。

本例：将绕组名设置为PhaseA，Type项设置中选择电流，选择导线Stranded，并联支路数设置为1。

Step4右击项目管理器中Excitations下的PhaseA选项，在弹出的下拉菜单中选择Add Coils选项，在弹出增加端口设置对话框，选择属于A相的4个绕组，单击OK按钮，将其加入到PhaseA中。相同步骤设置B相和C相绕组。

Step5加载边界条件。二维电磁场的边界条件是对边界线进行操作的，首先右击弹出菜单，选择select edges命令。选中外部的圆弧，执行Maxwell/Boundaries/Assign/VectorPotentiall，施加磁通平行条件。

4.3 外电路模型的建立

Step1建立好外电路，右击项目管理中的Exitations项，选择External Circuit/Edit External Circuit，弹出电路与有限元连接设置对话框。

Step2单击Edit Circuit按钮直接进入电路编辑器进行电路编辑。

Step3打开建立的外转子开关磁阻电机驱动电路模型，执行Maxwell Circuit/Export Netlist命令，网络列表文件以sph的形式导出，保存在相应的位置。

Step4电力网络列表文件生成后，在Maxwell计算模块的外电路设置对话框中选择Import Circuit，将生成的电路网络列表文件导入到激励中。本例控制电路总图如图3所示。

图3 外转子开关磁阻电机的控制电路总图Fig.3 Total control circuit diagram of outer Outer Rotor switched reluctance motor

4.4 运动选项设置

二维瞬态磁场主要针对电机旋转时的磁场变化而言。在瞬态磁场分析中，转子的旋转设置是通过运动设置选项来完成的。

Step1在已建好的模型中选中Band面域，右击项目管理器中Model弹出菜单选项，选择Motion setup/Assign Band。在运动设置对话框中包含运动类型，数据信息，机械信息三个选项。类型选项中Motion项选择Rotation旋转运动，运动围绕坐标系为整体坐标系即Global：Z，运动方向选择Positive，即逆时针方向。

本例：在运动数据信息中的Initial Position初始位置选项中，设置旋转运动的初始位置角为2 deg。在机械数据信息中，将电机的旋转速度设置为500rad/min。

4.5 求解选项参数设定

Step1力与力矩设置。在瞬态磁场分析中，通过执行Maxwell 2D/Parameter/Assign/Force命令和Maxwell2D/Parameter/Assign/Torque命令，在弹出的力及力矩设置对话框中对力与力矩的参数进行设置。由于在瞬态磁场分析处理后可以得到力矩与时间、位置之间的函数关系，因此，瞬态求解对于力及力矩参数可不设置。

Step2网格剖分设置。执行Maxwell 2D/Mesh Operation/Assign/On selection命令进行剖分设置。

Step3求解设定。执行Maxwell 2D/Analysis Setup/Add Solution setup命令设置求解终止时间和求解时间步长，选择Save Fields项，在Type选项中选择线性步长Linear Step，然后单击Add to list按钮，将具体设置增加到时间菜单中。

5 求解及后处理

执行Maxwell 2D/Validation check命令，弹出自检对话框，自检正确完成后，执行Maxwell 2D/ Analysis all命令，有时会出现如下错误：

Maxwell2d solver, process solver2d error： Internal Solver Error：'Geometry does not comply with pure rotation motion!（ErrAngle=31.0543 degree）'.

错误提示我们“几何不符合纯旋转运动”，首先本例是外转子开关磁阻电机，瞬态电磁场分析主要针对电机旋转时的磁场变化而言。在瞬态磁场分析中，转子的旋转设置是通过运动设置选项来完成的。本例中设置的运动围绕坐标系为整体坐标。但是当我们打开工程树栏，发现坐标系有多个。这是由于在我们建立面域时，没有将绘图坐标转换为柱坐标系后再执行Draw/Arc命令。

解决方案：打开工程管理栏Model，双击MotionSetup1，在Moving选项中选择一个中心在坐标原点的即可。

6 仿真结果

本文中样机的额定数据及结构参数如表1所示。开关磁阻电机用用6/8极结构。各相导通顺序为A—C—B—A，每相导通15°，周期为45°。

表1 样机的额定数据及结构参数Table.1 Rated data and structural parameters of the prototype

经仿真运行，本例外转子SRM定转子磁场分布如图4，由图可知，其磁场分布基本合理，且最大磁场密度不超过1.4T，符合开关磁阻电机设计范围。在设定转矩为9.5N.m时，电机转速变化如图5，仿真显示电机转速最后稳定在250rpm，达到预期的设计效果。

图4 外转子开关磁阻电机磁场分布图 Fig.4 flux line distribution

图5 转速—时间图Fig.4 Speed of the motor

7 结论

在AnsoftMaxwell2D环境下，通过对外转子开关磁阻电机的本体设计的步骤进行了详细的介绍，建立了开关磁阻电机的仿真模型及驱动电路，完成了外转子开关磁阻电机从模型到驱动系统的瞬态仿真研究。

［1］吴红星.开关磁阻电机系统理论与控制技术［M］.北京：中国电力出版社，2010：54.

［2］吴建华.开关磁阻电机设计与应用［M］.北京：机械工业出版社，2000：1-18，110-134.

［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，2013：130-153.

［4］H.Le-Huy，P.Brunelle，Design and Implementation of a Switched Reluctance Motor Generic Model for Simulink SimPowerSystems，Electrimacs2005 Conference．

［5］杨丽伟 张奕黄.Ansoft的开关磁阻电机建模与仿真［J］.电机技术，2007，3：13-16.

［6］杨高.基于Ansoft的电动车驱动用永磁无刷同步电动机的设计［D］.重庆：重庆大学出版社，2007.

［7］Labak A,Kar NC.Outer rotor switched reluctance motor design for in-wheel drive of electric bus applications ［C］.Electrical Machines（ICEM）,2012 XXth International Conference on,2012,418-423.

Simulation and Design of Outer Rotor Switched Reluctance Motor Based on Ansoft

DAI Ting1，LI Jun2＊
（1.Faculty of Mechanical Engineering&Automation,Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou 310018,China；2.School of Mechanical Engineering,Taizhou University,Taizhou 31800,China）

Switched reluctance motor is a doubly salient motor,working on the switch state.It relies on the work of the reluctance torque,which is highly non-linear relationship between electromagnetic.By using ansoft,a software for Finite-Element Analysis of the electromagnetic Field,this paper conducts the transient field of switched reluctance motor.In this paper,the simulation process of Outer Rotor switched reluctance motor based on Ansoft is discussed.At the same time,the solutions to the problem in the simulations and some examples are proposed.

Ansoft software;Outer Rotor switched reluctance motor;simulation analysis

10.13853/j.cnki.issn.1672-3708.2014.03.009

2014-04-04；

2014-05-23

简介：李 军（1966- ），男，浙江临海人，副教授，硕士，主要从事电机及控制等技术研究。