EMWorks 製品を使用した SOLIDWORKS 内の電気自動車用スイッチトリラクタンス モーターのモデリングとシミュレーション

使用ツール:

序章

スイッチトリラクタンス モーター (SRM) は、固定子と回転子の両方に突極がある回転電機です (図 1)。固定子巻線は一組のコイルで構成され、それぞれが 1 つの極に巻かれています。ローターは、渦電流損失を最小限に抑えるために積層から作成されます。モーターは、各相に印加される一連の電流パルスによって励起され、モーターを強制的に回転させます。電流パルスは、励磁相に対する正確な回転子位置で、それぞれの相に適用する必要があります。

SRM の FEM および CAD モデリングは、労力、時間、および費用を節約できるため重要です。モデリングとシミュレーションは、電気機械の CAD 設計から始まります。後で、CAD ジオメトリをMotorWizardを使用した数値シミュレーションと組み合わせます。 MotorWizardで使用される有限要素法 (FEM) は、電磁設計を扱う場合にその信頼性を示しています [1]。この記事では、2 次元 FEM を使用して、提案されたモーターを解析します。 2D ソリューションの近似は、実際のモーターの場合と比較して、高速で非常に近い結果を得ることができるため、考慮されています。このソリューションは、モデリングおよび設計プロセスを加速するのに役立ちます。磁束密度と静的トルクが研究され、回転子角度に対して計算されます。ローターは、整列していない位置から整列した位置に移動しています。これらの結果は、磁束と静的トルクの両方のピーク値とその位置を特定するのに役立ちます。 MotorWizardによって取得された静的トルクの結果は、参考文献 [2] で公開されている測定データと比較されます。

EMWorks の電気モーター設計およびシミュレーション パッケージ

EMWorks はMotorWizardを提供します。これは、 SOLIDWORKS内にシームレスに統合された完全なパッケージで、電気モーターの作成とシミュレーションを行います。

形状生成

ステップ 1: SRM を構築する

SRM を学習するための最初のステップは、2D モデルを作成することです。モーターの主な特性を表 1 参照 [1] に示します。モーターのステーター位置 (内側または外側の位置) を選択した後、次のようにモーターに対してさまざまなパラメーターが指定されています。

1. 機械の一般的なサイジング設定を定義します。これらのフィールドでは、回転子と固定子の極数と相数を指定します。極数は偶数で、相数と一致する必要があります。これはMotorWizardによって自動的に検証されます。

2. ステータ プロパティを定義します。これには、ステータの外径と内径、ヨークの厚さ、ステータのアーク角度、3D モデルの場合のステータの長さが含まれます。巻線の幾何学的特性 (絶縁体の厚さ、3D モデルの端部調整など) もこのセクションに入力されます。

3. ローターのプロパティを定義します。これには、ローターの外径と内径、ヨークの厚さとステーターのアーク角度、および 3D モデルの場合のローターの長さが含まれます。

4. モデルの検証と生成: このステップで、ユーザーは作成前にモデルの一貫性を検証できます。

図 2 は、SOLIDWORKS 内のMotorWizardで構築された 3D モデルと 2D モデルの両方を示しています。 2D モデルは、FEM シミュレーションの実行に使用されます。

ステップ 2: 2D FEM シミュレーション

次にMotorWizardを使用して SRM の 2D シミュレーションを実行します。

この解析では、回転子の磁極と整列した同じ位相に属する 2 つの巻線が定義されています。各巻線フェーズには 20 ターンが含まれ、4A の 直流電流が流れます。回転子と固定子の両方が無方向性ケイ素鋼 M 27 でできています。M 27 の BH 曲線を図 3 に示します。

図 4 は、2D モデルで生成されたメッシュを示しています。エッジとサーフェスにメッシュ調節を適用することができます。ここでは、より小さい要素サイズのメッシュ コントロールが、整列した極間のエア ギャップに適用されます。エア ギャップは、回転子と固定子の間の薄いリングとしてモデル化されます。

MotorWizard の静的磁場モジュールは、次の結果を計算して生成します。磁束密度、磁場強度、適用電流密度、逆起電力、インダクタンス行列、DC 抵抗、鎖交磁束など。さまざまな形状とタイプのプロットが作成されます。静的トルクの結果はローター角度に対して評価されるため、パラメトリック解析が定義されます。

結果

図 5 は、位置合わせされていない位置 (0 度) での磁束密度のプロットを示しています。非整列位置は、モーターの磁気抵抗が最大になるように、ローター極がステータースロットの反対側にあるときに定義されます。図 5 より、磁束のピーク値は約 0.16 T です。図 6 は、磁力線に相当する磁位 A の等電位線を示します (すべての電流は断面に垂直に流れると仮定します)。プロットは、この位置での磁気抵抗が大きい (大きなエア ギャップ) ため、磁束線に不連続性があることを示しています。

整列位置 (45 度) での磁束密度を図 7 にプロットします。整列位置は、回転子の極が固定子の極と完全に反対側にあるときに識別されます。この場合、磁気抵抗は最小になります。磁束密度のピーク値は約 0.87 T です。磁束線は図 8 にプロットされています。磁束線は固定子から回転子コンポーネントへの強磁性経路を不連続 (小さなエア ギャップ) なしでたどっています。

図 9 (a)、9 (b)、および 9 (c) は、16 度の回転子位置での磁束密度をそれぞれフリンジ プロット、ベクトル プロット、およびライン プロットで示しています。この位置で、磁束とトルクが最大値 (0.913 T と 0.0304 Nm) に達します。 A プロットの等電位コンターは、図 10 のモーター 3D モデルの断面図に添付されています。トルク結果の比較は、図 11 で詳述されています。参考文献 [1] で公開されている測定データは、0.0349 Nm の最大値を示しています。 16 度で、 MotorWizardによって計算され、ref [1] によって与えられるトルクは、それぞれ 0.03 と 0.029 のピーク値を持ちます。この小さなギャップは、2D シミュレーションでは無視される最終効果によって正当化できます。

結論

スイッチトリラクタンス モーターの 2D モデルは、自動的かつシームレスに作成され、SOLIDWORKS内のMotorWizardを使用してシミュレートされました。磁束とトルクの結果が予測され、ローター角度に対してプロットされました。回転子と固定子の極の整列位置と非整列位置での結果が強調表示され、個別に分析されます。最後に、 MotorWizardで計算したトルクの結果を測定値と比較しました。この分析は、回転子角度に対するトルクの変化を調査し、SRMの最大および最小トルクと磁束位置を特定するのに役立ちます。

参考文献

[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.