论文总字数：18075字

摘 要

随着社会的日益发展，人们对电机研究越来越重视开源节流，即在研究新型电机的基础上注重减少传统电机的能耗，一些小型化电机逐渐登上历史舞台，开关磁阻电机应运而生，并大放异彩，被广泛应用。开关磁阻单机，国际电机委员会统称SRM电机，是一种新型变速驱动系统，它结合了传统感应电机(AC)和直流(DC)电机的优点，由于它结构简单，成本低，工作稳定，方便维护和检修，具有光明的应用前景和远大前途。

本文围绕任务书，参照导师的建议和要求完成文章。首先介绍了SRM电机的国内，国外的现状和发展趋势，接着介绍了本文的研究方法（有限元法）、理论（也就是麦克斯韦方程）和分析软件（ANSYS)。又通过研究介绍了SRM电机的特性和工作原理，介绍了SRM电机结构构成，接着介绍了搭建电机二维磁网络仿真模型的一般步骤。以一台案例电机为例，通过对案例的具体研究，采用ANSYS软件进行仿真，得出电机结构剖分图，磁力线图和磁密图。通过对磁力线，磁密图，气隙磁通图的对比分析，得出电机内磁场的分布规律，再通过研究磁链、转角、转矩的关系，研究其静态特性，由点到面，由具体到一般，实现对电机的优化。

关键词：开关磁阻 有限元分析 二维电机模型 静态特性

Finite Element Analysis of Switched Reluctance Motor Based on ANSYS

ABSTRACT

With the development of society, people pay more and more attention to the research and development of electric motors, which is to pay attention to reducing the energy consumption of traditional motors on the basis of researching new types of motors. Some miniaturized motors are gradually on the stage of history, and switched reluctance motors have emerged as the times require.Switched magneto resistive stand-alone, International Motor Commission is collectively referred to as SRM motor. It is a new type of motor. It combines the advantages of traditional induction motors and DC motors. Due to its simple structure, low cost, stable operation, convenient maintenance and overhaul, it has bright applications. Prospects and ambitious prospects.

This article is centered around the assignment book and the tutor's suggestions. Firstly, the early domestic and foreign development trends and current status of SRM motors are introduced. Then the research methods (finite element method), theory (that is, Maxwell equations) and analysis software (ANSYS) are introduced. Through the characteristics and working principle of the SRM motor, the origin of the SRM motor structure concept was introduced, the size design formula of the motor was deduced, and the two-dimensional motor model was built. The ANSYS software was used to simulate and obtain the electrode structure section diagram, magnetic field diagram and magnetic Secret map. Through the comparative analysis of magnetic flux, magnetic density and air gap magnetic flux, the relationship among the magnetic flux linkage, rotation angle and torque of the motor is obtained. The static characteristics of the motor are studied and the motor is optimized.

Key words: Switched reluctance; Finite element analysis; Two-dimensional motor model; Static characteristics

目 录

摘要 Ⅰ

ABSTRACT Ⅱ

目录 Ⅲ

第一章 绪论 1

1.1选题的目的和意义 1

1.2 SRM电机研究现状及发展趋势 1

1.2.1国外： 1

1.2.2国内： 2

1.2.3发展趋势： 2

1.3电机电磁场有限元分析法的概况 2

1.4课题的主要工作内容 3

第二章 电机电磁场的基本方程、原理 4

2.1积分形式 4

2.1.1安培螺旋定律 4

2.1.2电磁感应法拉第定律 4

2.1.3高斯磁定律 4

2.1.4高斯定律 4

2.2微分形式 5

2.2.1两个定义 5

2.2.2微分形式 5

2.3方程的化简 5

2.3.1 Laplace方程 6

2.3.2泊松方程 6

2.3.3赫姆霍兹方程 6

2.4电磁场中的边界条件和数值分析方法 6

2.5本章小节 7

第三章 基于ANSYS对SRM电机的有限元分析 8

3.1 SRM的电机结构和工作原理 8

3.1.1电机结构 8

3.1.2 SRM电机的工作原理 8

3.2 仿真软件的介绍 10

3.2.1软件发展概况和功能 10

3.2.2建模步骤 10

3.3 SRM电机二维模型的建立和有限元分析 10

3.3.1样机结构 10

3.3.2二维有限元模型的建立 13

3.3.3数学模型及边界条件问题 14

3.3.4仿真结果处理 16

3.3.5仿真环境中SRM的程序框图 18

3.4本章小结 19

第四章 基于ANSYS对SRM电机有限元分析的实例计算 20

4.1引言 20

4.2 ANSYS环境下的仿真 20

4.2.1模型搭建和有限元求解 21

4.2.2仿真结果分析处理 23

4.3本章小结 28

第五章 结论 29

参考文献 30

致谢 32

第一章 绪论

1.1选题的目的和意义

随着功率电子学的发展，开关磁阻电动机(SRM)从同类电机中脱颖而出，该电机由四部分组成：双凸极磁阻电机、功率变换器、控制器和位置传感器。这四个部分很难单独研究和设计。为了简单地设计和计算SRM的电磁场，有必要建立SRM电机的仿真模型，然后使用有限元法^[1]对仿真模型进行处理。值得一提的是，SRM电机的工作方式，与AC/DC电机有非常大的差别，它的控制参数较多，控制方案更加灵活，所以我们不能用传统的电路方法去研究电机的性能，需要另辟蹊径，一种新型的用电场分析的方法应运而生。

磁化曲线又叫B-H曲线，该曲线表示H场强与B磁感应强度的关系。电机的磁化曲线在SRM电机电磁场的分析与计算中十分重要，具有很高的地位，是电机能量交换的重要关系式，也能依据该曲线计算磁场中的相关参数，包括电感，磁链，磁通（)，以此计算电机特殊位置的磁化曲线，求解电机静态特性参数。

在化石燃料，永磁体等各种能源日益紧缺的当今社会，新型调速系统会降低社会对稀有金属的依赖，具有结构简单、易启动、运行高效等诸多优点的新型SRM电机得到了人们的密切关注和深入研究，有着良好的应用前景和巨大的潜力。

1.2 SRM电机研究现状及发展趋势

1.2.1国外：

一百多年前，SRM电机的基本结构和基本原理被提出，由于调速系统，电机模型不够完善，且成本较高，当时没有引起注意，开关磁阻电机的发展被搁置。随着二十世纪六十年代，大功率晶闸管的普及发展，奠定了SRM电机发展的基础。1975年，英国里兹和诺丁汉大学研发了应用于电动车的开关磁阻电机，同时，Lawrenson教授建立数学模型介绍了SRM的运行原理，分析了电机的工作特性。SRM电机从此登上历史舞台并得到广泛研究和使用。英、美、日等国借助第二次工业革命的先机，在电机研究方面成果显著，今天，他们的SRM电机产品功率已经达到几百几千千瓦。在国民经济中扮演着重要角色；大到航空航天，小到衣服制造，人们的衣食住行都离不开他。

1.2.2国内：

在我国SRM电机起步较晚，改革开放后，国家大力扶持SRM电机的研究，自从90年代工业部将其定为科研项目的政策后，我国在理论和实践上都发展迅速，硕果累累。我国在降噪和计算铁耗这两个领域居于世界前列^[2]。研制出了不同规格的SRM电机，并广泛应用于纺织、电动汽车等领域。随着研究工作的不断深入，SRM的应用优势越来越明显，具有良好的应用前景。

1.2.3发展趋势：

现在，电机的研究主要集中在对电机的分析，静态特性的计算、稳态性能分析、电机设计、控制技术以及驱动电路等方面，对新结构，新理论的复杂SRM电机研究较少。研究方向从设计方法转向SRM电机的优化设计、控制技术等方面发展^[2]。

1.3电机电磁场有限元分析法的概况

本课题研究中，主要研究方法是电机电磁场的有限元法。

有限元法是一种功能强大的工程分析法，广泛地应用于航空航天，冶金，汽车制造等多种研究领域。对于我们电气工程及其自动化来说，有限元法常用来定量与定性分析多种磁场问题、电磁波工程问题，是电气领域最主要的数值分析方法，是各种先进软件、有效计算软件包的重要组成部分。现在，有限元法已成为计算机辅助设计的基础。

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