开关磁阻起动发电机静扭矩特性仿真与试验验证.pdf
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1、开关磁阻起动发电机静扭矩特性仿真与试验验证钱兴良1,曹志亮2,黄 鹏1,邱 添3(1.中国航发四川燃气涡轮研究院,成都 610500;2.南京航空航天大学,南京 210000;3.成都中车电机有限公司,成都 610500)摘 要:开关磁阻起动发电机(SRM/G)的静扭矩特性表征了其扭矩输出能力,在设计阶段需进行较为准确的计算,以优化电机性能和降低后续试验成本。为快速获得比较准确的 SRM/G 静扭矩特性,提出了一种基于 ANSYS 有限元法求解电机磁化曲线族和磁共能的非线性模型。相比于传统常用的线性或非线性模型,该模型无需对磁化曲线进行反演,不规避微分计算,既能提高计算速度也能获得较好的计算结
2、果。设计了静扭矩特性试验台,并通过试验测定了实际静扭矩特性,验证了该模型的准确性,为 SRM/G 静扭矩特性计算及优化设计提供了重要参考。关键词:开关磁阻起动发电机;静扭矩特性;非线性;磁化曲线;磁共能;电磁转矩中图分类号:V233.6 文献标识码:A 文章编号:1672-2620(2022)06-0000-04Static torque characteristic simulation and testing for switched reluctance motor/generatorQIAN Xing-liang1,CAO Zhi-liang2,HUANG Peng1,QIU Tian
3、3(1.AECC Sichuan Gas Turbine Establishment,Chengdu 610500,China;2.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210000,China;3.Chengdu CRRC electric Co.,Ltd.,Chengdu 610500,China)Abstract:The static torque characteristic of switched reluctance motor/generator(SRM/G)stands for its torque
4、 output capability.It is important to calculate the static torque characteristic precisely for optimizing its performance and reducing testing cost.In order to obtain the static torque characteristic of SRM/G quickly and precisely,a nonlinear model based on ANSYS finite element was presented to solv
5、e magnetization curve and magnetic energy.Compared with other linear or nonlinear model,this model can get better results faster without inversion of magnetization curve and avoiding the differential calculation.Furthermore,the test-bed of static torque characteristic was designed and the measured t
6、orque data were obtained through the test.The correctness of the model was verified by experiments,which provided important reference for calculating static torque characteristic and optimizing design of SRM/G.Key words:switched reluctance motor/generator;static torque characteristic;nonlinear;magne
7、tization curve;magnetic energy;magnetic torque1 引言 开关磁阻起动发电机(SRM/G)是一种双凸极结构电机,转子无绕组,具有结构简单、可靠性高、耐高温等优点1,适用于航空发动机高温、高转速等条件下应用。目前,国内外对开关磁阻起动发电机已有较多研究,其技术成熟度较高,功率跨度从几千瓦至几百千瓦。静扭矩特性(也为矩角特性)是开关磁阻起动发电机的一个重要参数表征了电机输出扭矩的能力,对极弧系数、电机相数等选择有重要的指导作用,在研究起动转矩、转矩脉动及电机优化设计等方面有着广泛的应用,对研究起动性能和动态性能都有重要的意义2-4。第 35 卷 第 6
8、期2022 年 12 月燃气涡轮试验与研究Gas Turbine Experiment and ResearchVol.35,No.6Dec.,2022 57收稿日期:2021-12-21作者简介:钱兴良(1985-),男,四川成都人,高级工程师,硕士,从事航空发动机总体性能与起动技术研究。图 1 SRM/G 准线性模型Fig.1 SRM/G quasi-linear modelniii110图 2 电磁转矩仿真流程Fig.2 Simulation flow of electromagnetic torque电机电磁结构建模设置电流、角度建模计算磁化曲线族建模计算磁共能曲线族(以转子位置为横坐
9、标)是否与电机性能参数匹配计算磁共能曲线导数输出电磁转矩曲线否是典型的是 Miller 提出的快速非线性法6,以对齐和不对齐位置磁化曲线为基础。吴建华7提出了一种新的快速非线性方法,在 Miller 快速非线性法的基础上增加了 1和 hr位置(分别为 SRM/G 临界重叠位置和半重叠位置)的磁化曲线,使得计算精度和速度得到统一。文献8提出了一种可逆矩角特性解析模型,在模型精确度和复杂度之间达到了平衡。2.2 磁共能非线性模型 在前文提及的几种模型研究和继承的基础上,本文提出一种基于 ANSYS 有限元法求解电机磁化曲线族和磁共能的非线性计算模型 不规避微分计算、无需通过(,)反演(,)、以磁共
10、能计算为目标的静扭矩特性计算模型。该模型的计算流程见图 2。58 燃 气 涡 轮 试 验 与 研 究 第 35 卷 在静扭矩特性研究方面,前人通过研究开发出了一些线性、准线性或非线性模型。其中,线性模型忽略了磁路非线性等因素,准线性模型将非线性磁化曲线进行分段线性化,导致这些模型精度不足。非线性模型虽然计算准确,但计算速度较慢且需依赖特定方案的磁化曲线库。为了在设计初期对开关磁阻起动发电机静扭矩特性进行较为准确而快速的分析、评估,优化电机性能和降低试验成本,本文提出了一种基于 ANSYS 有限元法求解电机磁化曲线族和磁共能的非线性模型,利用磁化曲线族,采用非线性方法对静扭矩特性进行仿真计算,并
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