摘  要： 詳細(xì)敘述了基于ANSYS有限元軟件的APDL語(yǔ)言的三相12/8結(jié)構(gòu)的開關(guān)磁阻電機(jī)幾何建模、網(wǎng)格剖分、載荷施加、邊界條件、求解及后處理等步驟，建立了二維開關(guān)磁阻電機(jī)的有限元模型，分析隨電機(jī)轉(zhuǎn)子位置變化的開關(guān)磁阻電機(jī)靜態(tài)磁場(chǎng)，獲得了電感、磁鏈及轉(zhuǎn)矩等數(shù)據(jù)，為開關(guān)磁阻電機(jī)的本體優(yōu)化及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞： 開關(guān)磁阻電機(jī)；有限元；電磁分析；APDL語(yǔ)言

    開關(guān)磁阻電機(jī)SRM（Switched Reluctance Machine）具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固、可靠性強(qiáng)、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、容錯(cuò)性好等優(yōu)點(diǎn)，在礦山機(jī)械、電動(dòng)汽車及航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-4]。但SRM工作過程是高度非線性的，無法嚴(yán)格列寫相電感和相電流的具體解析表達(dá)式，這給前期設(shè)計(jì)帶來很大困難。因此需要借助有限元軟件對(duì)SRM的電磁特性進(jìn)行分析。
    本文采用ANSYS軟件的APDL語(yǔ)言建立三相12/8結(jié)構(gòu)SRM的二維有限元模型并對(duì)其靜態(tài)磁場(chǎng)特性進(jìn)行分析[5-7]。詳細(xì)敘述了幾何建模、網(wǎng)格剖分、載荷施加、邊界條件、求解及后處理等步驟，分析隨電機(jī)轉(zhuǎn)子位置變化的靜態(tài)磁場(chǎng)，獲得了電感、磁鏈及轉(zhuǎn)矩等數(shù)據(jù)。
1 有限元模型的建立及求解
    整個(gè)電機(jī)建模過程分為前處理、求解及后處理3部分，如圖1所示。

1.1 模型建立
    前處理過程是有限元分析電機(jī)磁場(chǎng)的一個(gè)重要過程。由于本文采用ANSYS軟件的APDL語(yǔ)言建立SRM的二維有限元模型，其相對(duì)菜單圖形用戶界面GUI（Graphical User Interface）操作的優(yōu)點(diǎn)在于項(xiàng)目的可移植性強(qiáng)。在建立模型時(shí)，把項(xiàng)目中使用的電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸、電機(jī)的材料屬性等參數(shù)變量化，并根據(jù)不通過開發(fā)項(xiàng)目設(shè)定賦具體的值。另外把項(xiàng)目文件名以及建模用的單元等信息放在程序前面部分。這樣，如果再開發(fā)另外一個(gè)類似項(xiàng)目時(shí)，只需要修改項(xiàng)目文件名、建模單元信息、電機(jī)尺寸、材料屬性等參數(shù)變量值即可，項(xiàng)目程序的可移植性非常強(qiáng)。
    建立待建模電機(jī)的幾何模型是前處理過程的一種重要環(huán)節(jié)。建模的原則是由點(diǎn)生線，由線生面。由于SRM電機(jī)截面的對(duì)稱性，在建立模型時(shí)，定子部分可以先建立一個(gè)定子齒和繞在該齒上的線圈，然后利用Agen命令語(yǔ)句進(jìn)行12份30°軸中心陣列，即可得到完整的12/8結(jié)構(gòu)SRM定子部分模型。同理，轉(zhuǎn)子部分亦可先建立一個(gè)轉(zhuǎn)子齒及其齒中心對(duì)稱線45°范圍內(nèi)模型，然后利用Agen命令語(yǔ)句進(jìn)行8份45°軸中心陣列，即可得到完整的12/8結(jié)構(gòu)SRM轉(zhuǎn)子部分模型。電機(jī)定子部分包括定子、繞組和靠近定子的一半定轉(zhuǎn)子間氣隙面積。轉(zhuǎn)子部分包括轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子齒間槽面積和靠近轉(zhuǎn)子的一半定轉(zhuǎn)子間氣隙面積。圖2所示為標(biāo)有AREA單元標(biāo)號(hào)的12/8結(jié)構(gòu)SRM的幾何模型。

    模型建立后，即可按照實(shí)際電機(jī)特性對(duì)各AREA單元進(jìn)行賦材料屬性。完成此步驟后，即可進(jìn)行剖分操作。剖分操作時(shí)應(yīng)避免模型中出現(xiàn)尖角(如倒角部分)；避免模型中出現(xiàn)面積比過大的區(qū)域，如氣隙與周圍區(qū)域；避免模型中出現(xiàn)極不規(guī)則的形狀，如包括氣隙在內(nèi)的所有空氣區(qū)域。對(duì)電機(jī)而言，應(yīng)由氣隙開始剖分，即先進(jìn)行電機(jī)定轉(zhuǎn)子間的氣隙的剖分。圖3為電機(jī)剖分圖，其中圖4為定轉(zhuǎn)子氣隙部分剖分圖。

1.2 求解
    若求解m種不同位置時(shí)n種電流下的電機(jī)磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，需要分別建立m×n次模型一步一步地求解，非常繁瑣。為了提高計(jì)算效率，建立模型時(shí)，將電機(jī)轉(zhuǎn)子部分作為一個(gè)旋轉(zhuǎn)組件，并設(shè)定一個(gè)旋轉(zhuǎn)角度變量，這樣每次程序執(zhí)行時(shí)只需要為該旋轉(zhuǎn)角度變量賦值，將此旋轉(zhuǎn)組件旋轉(zhuǎn)至相應(yīng)位置，而不需要重新編寫程序建立電機(jī)模型，最后將屬于轉(zhuǎn)子部分旋轉(zhuǎn)組件的氣隙圓環(huán)與屬于定子部件的氣隙圓環(huán)臨近單元合并，同時(shí)利用一個(gè)循環(huán)在繞組中加載不同電流即可求解出相應(yīng)位置時(shí)不同電流下的電感、磁鏈等電磁數(shù)據(jù)。這樣SRM在m種不同位置時(shí)n種電流下的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)只需要經(jīng)過m次的程序計(jì)算即可。按照以上思想確定好位置循環(huán)和電流循環(huán)之間的關(guān)系后，一般把電流環(huán)嵌套于位置環(huán)中為宜。
    另外在定子軛部最外層的所有單元施加矢量磁位Az=0條件，確保電機(jī)模型外沒有磁場(chǎng)分布。模型的求解器采用直接波前法求解器，其命令語(yǔ)句為：“Eqslv, Front”。為了提高求解精度，每一個(gè)加載計(jì)算步的收斂迭代次數(shù)設(shè)為40。
2 仿真結(jié)果及分析
    求解結(jié)束后，可以用菜單操作或者命令行顯示SRM在相應(yīng)位置及相應(yīng)相電流勵(lì)磁時(shí)的靜態(tài)磁場(chǎng)分布，如圖5所示為12/8結(jié)構(gòu)SRM在定轉(zhuǎn)子對(duì)齊位置和不對(duì)齊位置時(shí)的磁力線分布圖。
    圖6所示為對(duì)應(yīng)圖5（a）定子齒和轉(zhuǎn)子齒對(duì)齊位置和圖5（b）定子齒和轉(zhuǎn)子槽對(duì)齊位置時(shí)的磁通密度矢量圖。

    模型程序中，把在不同位置時(shí)不同電流的SRM相電感數(shù)據(jù)、相磁鏈及轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)分別寫入L.dat、ψ.dat和T.dat文件中，打開后提取數(shù)據(jù)到專業(yè)繪圖軟件(如Origin)即可得到圖7～圖9所示的電機(jī)電感L(θ，i)、磁鏈ψ(θ，i)和轉(zhuǎn)矩T(θ，i)特性曲線簇。電感L(θ，i)、磁鏈ψ(θ，i)和轉(zhuǎn)矩T(θ，i)的數(shù)據(jù)可為MATLAB/Simulink等方法搭建SRM的動(dòng)態(tài)性能分析模型提供參考數(shù)據(jù)。

    本文詳細(xì)敘述了利用ANSYS軟件的APDL語(yǔ)言建立三相12/8結(jié)構(gòu)SRM的二維有限元模型進(jìn)行靜態(tài)電磁分析的幾何建模、網(wǎng)格剖分、載荷施加、邊界條件、求解及后處理等步驟，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子組件的自動(dòng)旋轉(zhuǎn)并與定子組件單元耦合的功能。利用ANSYS軟件的APDL語(yǔ)言建立電機(jī)模型的程序可移植性強(qiáng)、求解效率高，計(jì)算結(jié)果對(duì)電機(jī)的靜態(tài)性能分析具有參考價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
[1] 陳昊．開關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的原理·設(shè)計(jì)·應(yīng)用[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2000．
[2] GOPALAKRISHNAN S，OMEKANDA A M,LEQUESNE B．Classification and remediation of electrical faults in the switched reluctance drive[J]．IEEE Transactions on Industry Applications，2006，42(2)：479-486．
[3] 陳小元，鄧智泉，許培林，等．整距繞組分塊轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31(36)：109-115．
[4] 陳小元，鄧智泉，范娜，等.雙極性分塊轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機(jī)[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2010，14(10)：1-7.
[5] 嚴(yán)云.基于ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，21(4)：52-55.
[6] 丁文，周會(huì)軍，魚振民.基于ANSYS二次開發(fā)的開關(guān)磁阻電機(jī)電磁場(chǎng)分析軟件[J].微電機(jī)，2006，39(2)：19-21，55.
[7] 劉蕓蕓，吳建華，張式勤.基于ANSYS平臺(tái)開發(fā)開關(guān)磁阻電機(jī)電磁分析軟件[J].中小型電機(jī)，2005，32(3)：1-4.