开关磁阻电机的基本了解.docx

1、开关磁阻电机的基本了解开关磁阻电机的基本了解开关磁阻电机的基本学习内容1 开关磁阻电机的基本原理以及结构开关磁阻电动机(Switched Reluctance Motor，简称SRM) 定转子为双凸极结构，铁心均由普通硅钢片叠压而成，其定子极上有集中绕组，径向相对的两个绕组串联构成一相，转子非永磁体，其上也无绕组1,3。SRM的定转子极数必须满足如下约束关系： (1-1) 其中，Ns，Nr分别为电机定、转子数；m为电机相数值减1；k为一常数。以下图1-1所示一个典型四相8/6极SRM为例，相数为4，因而m=3，取k=1，则Ns=6，Nr=8。m及k值越高，越利于高控制性能控制，但相应成本越高，

2、结构越复杂。目前技术较为成熟，发展较为迅速的产品多为三、四相SRM2。图1-1即为一典型四相8/6结构的SRM电机本体及其不对称功率变换器主电路的示意图（图1-1在末尾手画）。为表述清晰，图中仅画出不对称半桥电路的一相，其他各相均与该相相同，并省略了相应的驱动及检测电路。完整的开关磁阻电机调速系统（Switched Reluctance Motor Drive，简称SRD）则由SRM、功率变换器、控制器、位置检测器等四大部分组成，如下图1-2示。SRM可以认为是同步电机的一个分支，它运行时遵循磁阻最小原理，同步进电机较为类似2,30。其具体运行原理如下：首先要保证励磁相的定子凸极和最近的转子凹

3、极中心线不重合，也即初始位移不能位于磁阻最小位置。通以交流电后，经过一个整流桥变为直流电源，当开关S1和S2开通时，AA相通电励磁，产生一个磁拉力。在该电磁力的轴向分量作用下，产生电磁转矩，凸极转子铁心趋向于旋转到定转子极轴线B-B与A-A重合的位置；而电磁力的径向力分量则造成定子的“变形”，这也是产生转矩脉动和电机噪声的根本原因之一。在该过程中电机吸收电能。关断S1和S2，开通BB相，此时AA相经续流二极管VD1、VD2将电能回馈给电源，同时BB相趋向运行到定转子极轴线C-C与B-B重合的位置。以此类推，顺次给ABCD相循环励磁，在惯性和轴向力的作用下，转子将一直逆着励磁顺序旋转，从而完成自

4、同步运行。同理若改变励磁顺序为CBAD，则转子沿顺时针方向转动。由此可以看出， SRM与直流电机不同，其运行方向与相电流方向无关，而仅与相绕组通电顺序有关。图1-2开关磁阻电机调速系统构成初次以外，我还搜集了几种不同结构的SR电机，分别有涡轮转子两相SR电机，可控饱和两相SR电机、常规结构三相6/4级SR电机、三相6/8SR电机、三相12/10级SR电机、三相6/2级SR电机、三相12/8级SR电机、三相24/32极外转子SR电机、五项10/8级短磁SR电机、七相14/12极短磁路SR电机，具体配图见报告末尾备注。二 SRD的物理方程与控制分析SRM的双凸极结构及整个磁路的脉振性、高饱和、涡流

5、、磁滞等非线性因素的存在，加上运行时的开关性，使得的SRM精确分析极为困难【41,44】。在此问题上，适度的简化模型显示了强大的优势。首先，基于简化模型的假设如下【28，102】：主开关电源的直流电压(Us)不变；忽略铁耗及相间互感；忽略功率开关自身的功耗，视为理想开关器件；认为电机各相参数完全对称；磁场不饱和。在此基础上，我们可以得到SRM运行的本质电磁和力学关系，写出其严密的物理方程1,2,3,7。1.电路方程 (1-2)式中，Uk：第k相绕组端电压；Rk、ik、 k：第k相绕组的电阻、电流和磁链。2.磁链方程相绕组磁链可用相电感和相电流表示，即： (1-3)式中， ：转子位置角。3.机械

6、方程 (1-4)其中： (1-5) (1-6)式中，：角速度；Te：电磁转矩；：负载转矩；J：转动惯量；D：摩擦系数。4.机电联系方程单相单独工作时电机产生的电磁转矩为： (1-7)且 ： (1-8)式中，：相绕组磁共能。 由电路方程，可求得简化模型下的相电流解析式为： (1-9)其中，f( )为电机本体参数、开通范围及转子位置角的函数。 因此，可得到m相电机的平均电磁转矩为： (1-10) 5. 机械特性方程如果开通区间和给定电压固定，则式(1-10)中积分部分为定值，由此得到SRM固有机械特性为： (1-11)式中，k为比例系数。将式1-11变形可得： (1-12)由此可明显看出，SRM可

7、调速参数较多，分别为：相绕组电压Us、开通角和关断角。根据调节参数的不同，可将SRD常见调速方式分为三种1,53,58,59斩波控制方式(Current Chopping Control，简称CCC)；角度位置控制方式(Angular Position Control，简称APC)；和电压控制(VoltageControl，简称VC)，其中VC常采用电压PWM（Pulse Width Modulation，简称PWM）方式，如图1-3所示。三种调速方式中，CCC常用于基速以下的恒转矩区，通过电流斩波限来限制其启动电流。APC则适用于基速以上的恒功率区，因旋转电动势较大，开关器件导通的时间较短，

8、电流较小，可通过APC方式增大来补偿电磁转矩。电压PWM方式通过调节绕组电压平均值，间接调节并限制绕组电流，适用于整个调速范围。下图 1-4 a)- c)分别为各调速方式的控制框图。图1-3 SRD常见调速方式应用为使SRD工作于最佳状态，需结合不同的调速方式选择合适的控制策略。目前较常用的有传统PI控制17、模糊控制【4,30】、滑模控制【33】及其组合控制【34,35】等。由于其电机的强耦合和非线性等特性，传统控制无法满足系统高性能的要求，智能控制正逐步应用于SR电机控制领域，很多学者致力于该方面的研究，如自适应控制【27,28，31】、反馈线性化控制【59】、人工神经网络控制【43，45

9、】等。三SRD的控制方式以及运行状态 开关磁阻电机在运行时，有三种物理状态：1 起动2 稳态运行3 制动控制开关磁阻电机稳态运行时,控制方式有三种,分别是电流限制CCC控制/电流PWM控制、电压PWM控制，其三种手画图分别为图a、图b、图c。 图a图b图c四SRD电机的优缺点优点：1. SRD有较大的电机利用系数，可以是感应电机利用系数的1.21.4倍2. 电机结构简单，转子上没有绕组；定子上只有简单的集中绕组，没有相间跨接线。3. 转矩与电流极性无关，单向电流激励。4. 对转速限制小，可以制成高速电动机5. 通过对电流的通段、幅值控制，满足不同服在要求的机械特性6. SRD系统效率和功率密度

10、在宽广的速度和负载范围内都较高缺点：1. 有转矩脉动转矩由一系列脉冲转矩叠加而成，切有双凸级结构和磁路非线性，合成转矩不是恒定转矩，有一定的谐波分量2. 噪声与振动大3. 出线头多五SRD电机性能、应用以及研究现状与发展前景自1842年，英国的Aberdeen和Davidson的开关磁阻电机运行理念诞生以来，经过100多年的技术准备，1967-1970年出现了世界上第一台SRM的雏形28与传统交直流电机相比，整体效率高10以上；功率因数空载时可达0.995，满载时可达0.98，结构简单、性价比高、性能可靠、调速范围宽、运行效率高、可控参数多，控制灵活方便，允许频繁起停，起停次数可达1000次/

11、小时，转速不受负载大小变化的影响，具有很高的效率17,18。因而上世纪80年代以后，开关磁阻电机得到迅速发展，日新月异【58,1011】。目前国内外已有许多公司分别推出了其商品化的开关磁阻电机产品，代表性产品如下表1-1所示【28,36,60,73,87,88】。表1-1 SRD代表性产品或样机Table 1-1 Representative Products of the SRD研制单位相关产品技术参数优势优点美国GE高速SRD样机90 kw ，105r/min有效材料仅10kg， 5MW， 1*106N.m中国SRM采煤机，牵引电机100kw，180kw防爆，适用于恶劣工作环境，可频繁起制

12、动南京航空航天大学高速SRD样机1kW，1.5kW， 105r/min可超高速运行，工作转速可达130,000r/min；英国SRD Ltd.第二代SRD通用产品100w100Kw 505000 r/min效率比第一代OULTON电机高2%以上英国ALLENWESTSRD产品通用系列7.522KW功率范围大英国BJD公司密闭水冷式SRD35KW防爆，耐高温意SICME MOTOR和英国SRD Ltd.XMC、XMP、XME3系列SRD80 180m， 4Kw140Kw，3000rpm，转速的60140%范围内的效率都高于90%，即使在20%额定转速的低速下，其效率仍可达40%.英国Nottin

13、gham开关磁阻风力发电机可变速风力发电机加拿大semifusion开关磁阻伺服系统双轴、四象限，调速平稳中国于1984年跟踪英国的研究成果，在借鉴国外经验的基础上，开关磁阻电机的研究进展很快【13,14】。目前华中科技大学在“九五”项目中研制出了SRD电动车，“十五”项目中将SRD应用到混合动力城市公交车，南京调速电机厂已与与北京纺织机械研究所合作研制成功3kW的SRM。近年来，我国已研制了50W-50KW、20多个规格的工业产品样机，应用于刨床、煤矿牵引、纺织、冶金、机械、运输、电动车驱动、航空、和家用电器等领域【58,1011】。现已开始新型SRM电机的研究【101】如DSPM电机、电励

14、磁双凸极发电机、磁浮开关磁阻电机【22】、无轴承开关磁阻电机【93】等，并取得了一定研究成果。在SR电机的理论研究上，主要集中于控制、仿真、设计理论和电磁数值分析等方面，代表单位有南京航空航天大学、华中科技大学，华中理工大学、华南理工大学、东南大学、西安交通大学、浙江大学、清华大学、中国矿业大学、北京纺织机械研究所，上海电科院、西安微电机研究所等39,42,47,52,57。作为一新型电机调速系统，SRD涵盖了电力电子、电机、微机、控制工程、控制机械等知识领域。目前SRD还存在转矩波动大、噪声大、需要位置检测器、系统非线性等缺点【55,56】，在理论和应用上仍需进行深入研究，主要有以下方面： SRM仿真模型的建立【52】； SRD现代控制理论及控制参数优化研究【29,41,81,102,106】；转矩脉动及振动噪声问题研究【15,50,69,82】；实用无位置传感器方案的研究【65,66,97】；新型电机结构的研究【85,86】；电机优化设计【37,67,68,107】；电机铁耗、效率分析【70,71,96】； SRD中电机、功率变换器及控制器三者之间的总体优化设计等【72,99】。由此可见开关磁阻电机的发展前景还是十分广阔的。备注：