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Modellierung und Simulation eines geschalteten Reluktanzmotors für Elektrofahrzeuge in SOLIDWORKS mit EMWorks Produkten

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Gebrauchte Werkzeuge:

Einführung

Ein geschalteter Reluktanzmotor (SRM) ist eine rotierende elektrische Maschine, bei der sowohl der Stator als auch der Rotor ausgeprägte Pole aufweisen (Abbildung 1). Die Statorwicklung umfasst einen Satz von Spulen, von denen jede auf einen Pol gewickelt ist. Der Rotor ist aus Laminat gefertigt, um die Wirbelstromverluste zu minimieren. Der Motor wird durch eine Folge von Stromimpulsen erregt, die an jeder Phase anliegen und den Motor zur Drehung zwingen. Die Stromimpulse müssen an der exakten Rotorposition relativ zur angeregten Phase an die jeweilige Phase angelegt werden.

Die FEM- und CAD-Modellierung von SRM ist wichtig, da sie Aufwand, Zeit und Geld spart. Die Modellierung und Simulation beginnt mit einem CAD-Entwurf einer elektrischen Maschine. Später wird die CAD-Geometrie mit der numerischen Simulation mit MotorWizard kombiniert. Die im MotorWizard verwendete Finite-Elemente-Methode (FEM) hat ihre Zuverlässigkeit im Umgang mit elektromagnetischen Konstruktionen unter Beweis gestellt [1]. In diesem Artikel wird zweidimensionales FEM verwendet, um den vorgeschlagenen Motor zu analysieren. Die 2D-Lösungsannäherung wird aufgrund ihrer Fähigkeit in Betracht gezogen, schnelle und sehr nahe Ergebnisse im Vergleich zu einem realen Motorfall zu liefern. Diese Lösung beschleunigt den Modellierungs- und Entwurfsprozess. Die magnetische Flussdichte und das statische Drehmoment werden untersucht und in Abhängigkeit vom Rotorwinkel berechnet. Der Rotor bewegt sich von der nicht ausgerichteten Position in die ausgerichtete Position. Diese Ergebnisse werden dazu beitragen, die Spitzenwerte sowohl des magnetischen Flusses als auch des statischen Drehmoments sowie deren Positionen zu identifizieren. Die vom MotorWizard erhaltenen statischen Drehmomentergebnisse werden mit den in Lit. [2] veröffentlichten Messdaten verglichen.

Geschalteter Reluktanzmotor
Abbildung 1 - Geschalteter Reluktanzmotor

Design- und Simulationspaket für Elektromotoren von EMWorks

EMWorks bietet MotorWizard : Ein vollständiges Paket, das nahtlos in SOLIDWORKS integriert ist, um Elektromotoren zu erstellen und zu simulieren.

Geometrieerzeugung

Schritt 1: Erstellen Sie das SRM

Der erste Schritt bei der Untersuchung von SRM ist die Erstellung des 2D-Modells. Die wichtigsten Eigenschaften des Motors sind in Tabelle 1 [1] aufgeführt. Nach Auswahl der Statorposition des Motors (Innen- oder Außenposition) wurden verschiedene Parameter für den Motor wie folgt festgelegt:

  1. Definieren Sie die allgemeine Größeneinstellung der Maschine: In diesen Feldern werden die Rotor- und die Statorpolzahl sowie die Phasenzahl angegeben. Die Polzahl sollte gerade sein und mit der Phasennummer übereinstimmen. Dies wird vom MotorWizard automatisch überprüft.

  2. Definieren Sie die Statoreigenschaften: Sie umfassen den äußeren und inneren Durchmesser des Stators, die Jochdicke, den Statorbogenwinkel und die Länge des Stators im Fall eines 3D-Modells. Die geometrischen Eigenschaften der Wicklungen (Isolationsdicke, Endanpassung für 3D-Modelle usw.) werden ebenfalls in diesem Abschnitt eingegeben.

  3. Definieren Sie die Rotoreigenschaften: Sie enthalten den äußeren und inneren Durchmesser des Rotors, die Jochdicke und den Statorbogenwinkel sowie die Rotorlänge im Falle eines 3D-Modells.

  4. Validieren und generieren Sie das Modell: In diesem Schritt kann der Benutzer die Konsistenz seines Modells vor der Erstellung überprüfen.

Tabelle 1 - SRM-Haupteigenschaften
Stator Polzahl 6
Anzahl der Rotorpole 4
Statoraußendurchmesser 76 mm
Rotoraußendurchmesser 37,55 mm
Luftspaltlänge 0,2375 mm
Statorpolbreite 9,915 mm
Statorpolbreite 10,5 mm
Motorlänge 50 mm
Wellendurchmesser 8 mm

Abbildung 2 zeigt sowohl 3D- als auch 2D-Modelle, die mit MotorWizard in SOLIDWORKS erstellt wurden. Das 2D-Modell wird zur Durchführung der FEM-Simulation verwendet.

SRM, (a) 3D-Modell, (b) 2D-Modell

Abbildung 2 - SRM, (a) 3D-Modell, (b) 2D-Modell

Schritt 2: 2D-FEM-Simulation

Die 2D-Simulation des SRM wird als nächstes mit dem MotorWizard durchgeführt .

Für diese Analyse werden zwei Wicklungen derselben Phase definiert, die auf den Rotorpol ausgerichtet sind. Jede Wicklungsphase enthält 20 Windungen und führt 4A Gleichstrom. Sowohl der Rotor als auch der Stator bestehen aus nicht orientiertem Siliziumstahl M 27. Die BH-Kurve von M 27 ist in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3 - BH-Kurve von M 27

Abbildung 4 zeigt das generierte Netz im 2D-Modell. Es ist möglich, die Verfeinerung des Netzes in Kanten und Oberflächen zu steuern. Hier wird eine Maschensteuerung mit kleinerer Elementgröße auf den Luftspalt zwischen den ausgerichteten Polen angewendet. Der Luftspalt wird als dünner Ring zwischen Rotor und Stator modelliert.

Meshed-Modell
Abbildung 4 - Maschenmodell

Das magnetostatische Modul von MotorWizard berechnet und generiert die folgenden Ergebnisse: Magnetische Flussdichte, Magnetfeldstärke, angelegte Stromdichte, Gegen-EMK, Induktivitätsmatrix, Gleichstromwiderstand, Flusskopplung usw. Es werden verschiedene Formen und Typen von Diagrammen erstellt. Da die statischen Drehmomentergebnisse in Abhängigkeit vom Rotorwinkel ausgewertet werden, wird eine parametrische Analyse definiert.

Ergebnisse

5 enthält die Auftragung der magnetischen Flussdichte in der nicht ausgerichteten Position (null Grad). Die nicht ausgerichtete Position wird definiert, wenn sich der Rotorpol so gegenüber dem Statorschlitz befindet, dass der Widerstand des Motors maximal ist. Aus 5 ergibt sich ein Spitzenwert des Magnetflusses von etwa 0,16 T. 6 zeigt die Äquipotentialkonturen des Magnetpotentials A, die den Magnetflusslinien entsprechen (es wird angenommen, dass der gesamte Strom senkrecht zum Querschnitt fließt). Das Diagramm zeigt eine Diskontinuität in den Flusslinien aufgrund des hohen magnetischen Widerstandes in dieser Position (großer Luftspalt).

Die magnetische Flussdichte in der ausgerichteten Position (45 Grad) ist in der 7 aufgetragen. Die ausgerichtete Position wird identifiziert, wenn sich der Rotorpol vollständig gegenüber dem Statorpol befindet. In diesem Fall ist der magnetische Widerstand am geringsten. Der Spitzenwert der magnetischen Flussdichte beträgt ca. 0,87 T. Die Flusslinien sind in Abbildung 8 dargestellt. Sie folgen dem ferromagnetischen Pfad von Stator- zu Rotorkomponenten ohne Unterbrechung (kleiner Luftspalt).

Magnetische Flussdichte in der nicht ausgerichteten Position
Abbildung 5 - Magnetische Flussdichte in nicht ausgerichteter Position

Magnetpotential-Äquipotentialkonturen in nicht ausgerichteter Position
Abbildung 6 - Magnetpotential-Äquipotentialkonturen in nicht ausgerichteter Position
Magnetische Flussdichte in der ausgerichteten Position
Abbildung 7 - Magnetische Flussdichte in der ausgerichteten Position
Magnetpotential-Äquipotentialkonturen in der ausgerichteten Position
Abbildung 8 - Magnetpotential-Äquipotentialkonturen in der ausgerichteten Position

Die 9 (a), 9 (b) und 9 (c) zeigen die magnetische Flussdichte bzw. die Streifenaufzeichnung, die Vektoraufzeichnung und die Linienaufzeichnung bei einer Rotorposition von 16 °. In dieser Position erreichen der Magnetfluss und das Drehmoment ihre Maximalwerte (0,913 T und 0,0304 Nm). Die Äquipotentialkonturen des Diagramms A sind einer Querschnittsansicht des Motor-3D-Modells in Abbildung 10 beigefügt. Ein Vergleich der Drehmomentergebnisse ist in Abbildung 11 dargestellt. Die in Lit. [1] veröffentlichten Messdaten zeigen einen Maximalwert von 0,0349 Nm bei 16 Grad, während das von MotorWizard berechnete und durch ref [1] gegebene Drehmoment Spitzenwerte von 0,03 bzw. 0,029 aufweist. Diese kleine Lücke kann durch den in der 2D-Simulation vernachlässigten Endeffekt begründet werden.

Streifenplot der magnetischen Flussdichte
Abbildung 9 (a) - Streifenplot der magnetischen Flussdichte
Vektordiagramm der magnetischen Flussdichte
Abbildung 9 (b) - Vektordiagramm der magnetischen Flussdichte
Feldlinienplot der magnetischen Flussdichte
9 (c) - Feldlinien-Plot der magnetischen Flussdichte
Äquipotentialkonturen des magnetischen Potentials
Abbildung 10 - Äquipotentialkonturen des magnetischen Potentials
Abbildung 11 - Ergebnisse des statischen Drehmoments

Fazit

Ein 2D-Modell eines geschalteten Reluktanzmotors wurde automatisch und nahtlos erstellt und mit MotorWizard in S OLIDWORKS simuliert . Die Magnetfluss- und Drehmomentergebnisse wurden vorhergesagt und gegen den Rotorwinkel aufgetragen. Die Ergebnisse an den ausgerichteten und nicht ausgerichteten Positionen der Rotor- und Statorpole werden separat hervorgehoben und analysiert. Schließlich wurden die mit MotorWizard berechneten Drehmomentergebnisse mit der Messung verglichen. Diese Analyse kann dazu beitragen, die Variation des Drehmoments gegenüber dem Rotorwinkel zu untersuchen und die Positionen für maximales und minimales Drehmoment sowie den magnetischen Fluss für die SR-Maschine zu ermitteln.

Verweise

[1]: Torsten Wichert, M.Sc. Design and Construction Modifications of Switched Reluctance Machines. Warsaw university of technology, Institute of Electrical Machines
[2]: Kazuhiro Ohyama, Maged Naguib F. Nashed, Kenichi Aso, Hiroaki Fujii, and Hitoshi Uehara.Design Using Finite Element Analysis of Switched Reluctance Motor for Electric Vehicle. Department of Electrical Eng., Fukuoka Institute of Technology, Fukuoka, Japan,Electronics Research Institute, Cairo, Egypt and Meiwa Manufacturing Co., Ltd, Fukuoka, Japan. 0-7803-9521-2/06/$20.00 §2006 IEEE.