（电机与电器专业论文）单边激励双凸极电极的研究.pdf

华中科技大学博士学位论文 a b s t r a c t t h i st h e s i si sc o n c e r n e dw i t ht h ed e v e l o p m e n to f n e w t y p eo f s i n g l e - s i d ee x c i t i n gd o u b l ys a l i e n t m a c h i n e ( s e d sm a c h i n e ) a f t e r a f ti n t e n s i v e l ys t u d yo ns w i t e b e dr e l u c t a n c em o t o r ( s rm o t o r ) a n di t s c o n f i g u r a t i o n s ，an e wt y p eo fd o u b l ys a l i e n tp e r m a n e n tm a g n e tm o t o r ( d s p mm o t o r ) i sp r e s e n t e d t h em o t o rh a ss i m p l es t r u c t u r e ，i se a s yt ob ec o n t r o l ，a n dc a nb eu s e di nd i v e r s ea p p l i c a t i o n s t h es t u d yo ns rm o t o rf o c u s e so ne n e r g yc o n v e r s i o na n de l e c t r o m a g n e t i ct o r q u e ，a n dan e w p e r f o r m a n c eo fs e d sm a c h i n e ，t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt o r q u ea n dc u r r e n t a m p e r et u r n s ，i s i n t r o d u c e da n ds t u d i e d t h ec o n c l u s i o n so b t a i n e dh a v e s i g n a l i t y t ot h e d e s i g n o fs rm o t o r c o m p a r i s o no ft h ep e r f o r m a n c eo fs rm o t o rw i t ha x i a l l yl a m i n a t e da n i s o t r o p i c ( a l a ) r o t o rm o t o r a n di n d u c t i o nm o t o rh a sb e e nm a d e ，b a s e do nt h ec u r r e n ta m p e r et u r n so n l y ，b e c a u s et h i sm e t h o dh a s m o r e a c c u r a c ya n d c o n v e n i e n c e u s i n gt h ec u r r e n tt r a n s f o r m a t i o no fs rm o t o r ，t h et o r q u e - c u r r e n tp e r f o r m a n c eo ft h r e e - p h a s e s e d sm o t o r si n c l u d ef u l l yp i t c h e ds rm o t o r ，s rm o t o rw i t ha u x i l i a r ye x c i t e dw i n d i n ga n dd o u b l y s a l i e n tp e r m a n e n tm a g n e tm o t o r ( d s p mm o t o r ) h a sb e e nc a l c u l a t e da n dc o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a l s h o r tp i t c h e ds rm o t o r a n db y a p p l y i n gt h ec u r r e n tt r a n s f o r m a t i o nt ot h et w o p h a s es rm o t o r ，an e w t y p eo f s e d sm a c h i n e ，s i n g l ep h a s ed o u b l ys a l i e n tp e r m a n e n tm a g n e t i cm o t o r ( s p d s p mm o t o r ) ，i s p r e s e n t e d m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h es p d s p mm o t o ri se s t a b l i s h e d ，a n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) s o r w a r ei sd e v e l o p e dt oc a l c u l a t et h ep a r a m e t e r so f t h em o t o r t h ed r i v i n gs y s t e mf o rs p d s p mm o t o r h a sb e e ni n t r o d u c e d ，a n dt h ec o n t r o lo ft h es y s t e mh a sb e e na n a l y z e d t h ed e s i g no ft h es p d s p m m o t o ri n c l u d e sd a t ac h o i c ea n dp a r a m e t e r s a d j u s t m e n ti si n v e s t i g a t e d s t e a d ys t a t es i m u l a t i o na n d d e s i g ns o f t w a r eo f s p d s p m h a sb e e nd e v e l o p e df o rs t u d y i n ga n da p p l y i n g t h ep r o t o t y p eo fas i n g l e - p h a s e4 6p o l e ss p d s p mm o t o r 。a n dac l o s e dl o o pd r i v es y s t e mh a s b e e nd e s i g n e d ，m a n u f a c t u r e da n dt e s t e d t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eh a sb e e nv e r i f i e d ，a n de x p e r i m e n t s h a v eb e e np e r f o r m e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no ft h e m o t o ra r ec o r r e c ta n dr e l i a b l e k e yw o r d s ：s i n g l e s i d ee x c i t i n gd o u b l ys a l i e n tm o t o r ，s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ，d o u b l y s a l i e n tp e r m a n e n tm a g n e tm o t o r ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，v a r i a b l es p e e d d r i v es y s t e m _ - 华中科技大学博士学位论文 第1 章绪论 本章介绍了课题的目的和意义；综述了开关磁阻电机的研究及发展状况；对几穗新型的单边激励双凸极电 机的结构和特点进行了概遂井介绍了本文提出及着重研究的单相双凸极永磁电机；最后介绍了本文的主要研充 内容及章节安排 1 1 课题的目的和意义 传统电机，如直流电机、异步电机和同步电机，它们的定、转子都有能产生磁场的绕组或 永磁体，通过定、转子磁场间的相互作用产生运动电势及电磁转矩，从而实现机电能量的转换。 磁阻式同步电机和反应式步进电机等单边激励的双凸极电机，由于性能较传统电机差，虽然出 现较早，但只是在一些小容量的特殊场合得到应用。随着电力电子技术的发展，出现了开关磁 阻电机( s r 电机) 调速驱动系统。s r 电机是一种典型的单边激励双凸极电机( s e d s 电机) ， 它有凸极的定子和转子，以结构牢固简单、运行可靠及高效等特点引起了人们的普遍兴趣与重 视。随着研究的深入，为了进一步提高电机及整个系统的性能，出现了一些改进结构的新型电 机，这些电机都保留t s r 电机的单边激励和双凸极结构的特点。 各种s e d s 电机之间既有共同之处又有各自的特点，它们都是利用凸极的“聚磁”作用产生 磁阻性质的转矩，实现机电能量转换，但具体到绕组与电源问的相互关系则各有自己的特点。 目前对s r 电机的理论已经有较为深入的研究，但缺乏一套能适合s e d s 的分析方法。本文试 图以s r 电机的电流变换从转矩，电流安匝数角度对s e d s 电机进行分析研究，使人们对各种s e d s 有一个较清晰的认识，本文的思想及结论及对s e d s 电机的发展有一定的理论与实际意义。 本课题在对不同结构的s e d s 电机研究的基础上，提山新型的s e d s 电机，井对该电机进行 深入细致的分析与研究。 通过本课题的研究，可以深入t f 0 ￥s e d s 电机的基本理论，为该类电机的设计及新电机的发 展提供有力的指导。提山的新电机可r 泛应于：i ：业、航空航天、家刚电器等领域，有一定的 应用前景与实用价值。 1 2s r 电机驱动系统( s r d ) 的研究概况 s r d 是2 0 世纪8 0 年代出现的一种新型机【l = l 一体化驱动装置，图1 1 所示为一三相6 4 极s r 电机 的截面图，它的定子有6 个凸极，转予有4 个凸极，绕在定子凸极上的集中线圈组成三褶绕组。s r 电机主要靠绕组自感随转子位置变化实现机电能量的转换，由于自感变化产生的转矩方向与绕 一1 华中科技大学博士学位论文 组电流方向无关，s r 电$ l ：l ：作时的绕组电流一般是 单方向的每相用两个开关元件就可以实现相绕组 电流的完全控制。s r 电机是提出较早且研究最为深 入、彻底的一种s e d s 电机。下面舜i s r 电机及由它 组成的驱动系统的研究情况做简要的介绍。 1 2 1s r 电机分析与设计 s e d s 电机的结构型式虽然很早就有了，但i 要是以反应式步进电机的形式刚丁= 伺服系统中。 l a w r e n s o npj 等提出开关磁阻电动机这一概念并将 其刚作驱动系统【l i ，由于采用了功率变换器供电，f ： 对转子位置进行检测，大火提高了s r 电机的性能， 使s m 3 f i g 与其它调速驱动系统相竞争甚至在某些方 面还具有一定的优势。 圈i - i 兰相6 4 板开关磁阻电机的誓面圈 f i g 1 1c r o s s - s e c t i o no f at h r e e - p h a s e 6 4p o l e s s w i t c h e dr e | u c t a n c em o t o r 参数计算是s r 电机设计和性能分析的基础和关键，对步进电机的一些研究成果1 2 】i4 l ，为s r 电机的研究提供了良好的基础。最大和最小电感的解析计算方法例可快速计算s r 电机的参数， 至今大部分的设计和仿真软件仍采j 1 3 这一方法。有限元法( f e m ) 以其精度高、适应性好的特 点，广泛用于s r 电机的研究与设计，如研究相问互感、静态转矩、漏磁场、端部磁场等l s 】i i m ， 为电机的设计及性能计算提供一定的指导，随着计算机软、硬件技术的发展，二维有限元方法 已经到了实用化阶段出现了专用的软件进行参数计算、性能仿真及电机的设计，针对s r 电机 的有限元前处理技术也逐渐成熟6 j 。【”j 。三维有限元法及场路耦合有限元法也用来进行s r 电机的 参数计算或性能分析9 i 啦”，但由于耗时较长，目前还只是作为电机设计或分析的辅助方法。 简单、准确的数学模型是s r 电机分析和设计的关键，与传统的电机相比，s r 电机磁路非线 性严重，它的数学模型也要复杂的多。线性模型、准线性模型羽1 分段线性化模型【2 吼，模型简单， 计算方便，但精度较差，一般用于电机的理论研究或控制器i 发计；非线性磁参数模型【：i 将磁链曲 线族以表格的形式存放，是一利一比较准确的数学模型，r 泛用于s r 电机的性能仿真与设计，由 于该模型采用实测或计算磁链数据，数据准备工作量较大；快速非线性模型f ，q p - l 利用几个特殊 位置和电流的磁链值构造山具有解析表达式的l 乜机模型，该模型构造简单、计算速度商。具有 一定的精度，已经在实用设计软件p c c a d o 被采用。为了提高模型计算的速度，山现了对磁参 数模型的改进，如利用三次样条函数或解析函数对磁链曲线进行拟合等i ，2 1 1 3 3 1 。为了提高快速非 线性模型的精度，吴建华等提出利j j 四个转子位置下的磁化曲线建立的s r 电机的数学模型。 另外还有等效磁网络法建立的电机模型1 3 5 1 1 3 6 1 。 s r 电机的损耗，特别是铁耗计算是一个十分剐难的课题，一方面因为铁心备部分的磁场变 化复杂，都是非正弦的，另一方面是阅为铁心磁场的频率随转速变化。m e t w a l l vhmb 等在实 华中科技大学博士学位论文 验的基础上给出了一个估算s r 电机铁托的经验公式【3 i i ，但由于只对两台样机进行试验测量，公 式的适用范围及精度都难以估计。为了较为准确地计算s r 电机的铁耗，计算铁心各部分磁场随 时问变化的波形是必要的，已有多利叼i 同复杂程度和精度的方法计算s r 电机的铁心磁通波形l ”】_ ，吴建华等系统地讨论了通过仿真绵粜计算备段磁通波形及损耗的方法井应用于s r 电机的设 计软件s r d c a d f 3 4 i 。林鹤云进一步刚有限元法分析了电机备部分的磁场波形并进行了铁耗计算 1 3 8 1 ，但由于计算量太大而不适合于【u 机设计阶段铁耗的计算。 s r 电机的设计要比传统电机复杂得多，这是因为s r 电o l 的性能计算没有可用的解析表达 式，需要通过对运行状态的仿真来i ；i 算电机的性能。它集电机的数字仿真、损耗计算、控制参 数及电机参数优化于一体，是一个t l 。常复杂的系统_ ，j 程。以m i l l e rtj 和詹琼华为首的课题组分 别研制了s r 电机设计的软件包p i 3 ”，j f ：达到了商品化的程度。 1 2 2s r 电机控制器及控制策略 s r 电机的运行离不开控制器，它们和起来构成s r d 。甲期对控制器的研究多数集中在硬件 电路的设计分析上，主要包括主开关元件n 勺选抒、主电蹄型式的设计与分析、以及整个控制系 统的设计等i ”1 一【”l 。随着研究的深入以及微处理器和电力电子器件的发展，研究的重点也逐步转 移到了控制策略的研究上。在控制参数的优化方面，根据不同的系统要求，可选取不同的目标 函数，如系统的效率最高( 5 0 l f ”j 、转矩脉动系数最小i ”i 【“】等。由于优化过程要涉及系统性能的仿 真计算，且控制参数多、电机模型复杂，使得计算量大，而且得到的只是针对单个系统的优化 结果。与传统的电机调速系统相比，s r 电机驱动系统实现优化控制的成本要高一些。 随着各种控制理论在传统电机调速系统中应用的研究e l 益深入，它们在s r 电机驱动系统中 的应用也逐渐增多。b o s ebk 等采刚了传统的p i 调节器，以斩波电流限为控制变量，实现了s r 电机的转速和转矩控制n ”。一些现代的控制理论和方法2 d ! s r 电机的控制中也得到了应用，如模 糊控制【“i 、模糊控制与p l 控制结合在一起的混合式调节【”】、滑模控制【5 8 】_ 1 6 0 i ，自适应控制f 6 1 1 6 2 j 、 线性回馈控制州6 5 1 以及人工神经网络控制1 6 6 1 1 6 7 】等。由于s r d 是一个十分复杂的非线性多变量强 耦合系统，选择合适的电机模型是控制成功实现的关键因素，为仿真计算和 设计目的提出的模 型因其较为复杂而难以用于s r 电机实时控制，一些为控制f i 的提出的模型或者因为过于简单而 影响了控制的精度，或者因参数矶_ 丁确定而失去实的价值。 1 2 3 位置检测的研究 为了得到良好的性能，s r l b 机的控制器需要知道转子的位置信息。目前普遍采用外装光电 式或磁敏式等轴位置检测器，这不仪增加了系统的体积利成本，而且降低了系统的可靠性。为 消除这一不利因素，新型的位置检测技术成为s r l l 土机 j f 究的一犬热点。第一类是通过内置探测 绕组或探测极板来检测转子的位置啡 9 】，这类方法需要复杂的检测电路，控制器到电机的引线 也较多：另一类则是以主绕组的电磁参数为基础通过计算得到转子位置信息，如通过检测非导 通相的绕组电感获得转子位置m 】，迎过检测绕组电流获得转子位置或者采用状态观测器计算转 -一 - 3 华中科技大学博士学位论文 子位置【8 4 i 等等，这类方法减少了控制器与电机的连接，提高了系统的可靠性，但需要高性能的 微处理器和高精度的检测器件支持。无位置检测器方案是s r d 研究和应用的发展趋势。 1 2 4 振动和嗓声的研究 早期的s r d 由于很少考虑电机的噪声，所有的样机或，6 。品都具有相对较大的噪声，以至于 成为s r d 的一大特点而为人们接受。随着研究的深入和s r 电机应删的日益广泛，降低s r 电机的 噪声成了一个关键的研究课题。 c a m e r o nde 等在一系列试验的培础上对引起噪声的因素进行了研究，认为定转子极问的径 向磁拉力是引起s r 电机振动和i 噪声的主要原因，提山通过增加定子的轭厚来降低s r 电机的振动 和噪声【”1 。另一些研究则从控制的角度降低电机的噪声雨振动，c h i y a ow 等通过研究绕组电流 和电压波形对噪声的影响，认为电压变化率对电机的噪声有很大的影响，并提山了“两步换相 法”以降低噪声1 1 6 】，p o l l o c kc 等则针对常h j 的分裂电压源型逆变器提山了“三步换相法，【8 7 l 。 在对s r 电机振动模型的研究方面，也做了一些基础性| l i 】研究，如电机周有频率的计算等等f 叫 9 1 1 。 1 2 5 应用研究 经过各国学者二十多年的努力，s r 电机的理论研究取彳碍了巨人的成就，它的应用尝试也遍 及各个领域。比较早的应用尝试是应j i 到电力机车作为牵引电机以取代直流电机组成的驱动系 统m i ，目前将s r 电机应用到电动y 乍上i e 成为一个重要的研究与应_ 【f ；i 方向，许多汽车公司和 研究机构正在进行这方面的工作，并取得了一定的成绩。其它的应用包括在航空、航天上用作 起动，发电机i 、纺织机械的驱动系统、洗衣机、空嗣机的驱动、电动自行车和摩托车的驱动1 等等。虽然从理论上说，s r 电机驱动系统可用到任何需要变速驱动的应用场合，但在很多情况 下要与传统交流电机组成的驱动系统进行激烈的竞争；由于传统电机良好的生产与研究基础以 及市场优势，在许多应用场台，s r 电机的优点并不特别突出。 随着研究的深入以及技术的发展，人们对s r 电机的认u ! 会日益成熟，它的潜力也将得到充 分的发挥。 1 2 6s r 电机存在的问题 s r 电机的理论与应用研究虽然取得了巨大的成绩，但与人们的期望相比还有很大的差距。s r 电机存在的问题可归结为两个方面，一方面是现有的理论研究还没有解决或者没很好解决的问 题，另一方面是现有的技术条件不只蔷或不完全具备而带来的问题。 ( 1 )s r 电机驱动系统的一体化设计理论的研究。s r i 乜机各个方面都得到了深入细致的研 究，但综合考虑各部分间的关系进铜一体化的研究工作进行得还不够，离工程实践的需要还有 一段距离。其中的原因是多方面的，但主要是系统的参数与指标太多，系统过于复杂，只能依 靠数值计算进行仿真，而复杂的系统模型往往使得计算l 时间太长。 ( 2 )s r 电机的噪声研究。降f l , s r 电机的噪声是s r i b 机应用中迫切需要解决的问题。降 4 。 华中科技大学博士学位论文 低s r 电机的噪声主要是从结构、工艺及控制方面采取措施。目前的研究多数是在试验的基础上 研究s r 电机降低噪声的措施，而这! j 措施往往又影响电机的其它性能。为了避免盲目性，研究 计算s r 电机噪声的方法是非常必要的目前在这方面的研究工作还不够，更没有实用化的噪声 计算方法与工具。 ( 3 )现有技术条件的限制。s r 电机的发展与其它相关技术的发展是密不可分的，这些相 关技术主要包括，计算机软、硬件技术，电力电子技术，微处理器技术以及测量技术等瞬时 转矩控制和无位置检测器方案等需要高速的微处理器及测垣器件：系统的分析与设计则需要更 高性能的计算机。随着这些相关技术的发展，s r 电机的性能会更好，研究也会更加深入。 1 3 单边激励双凸极电机的主要型式 1 3 1 带辅助换相绕组的开关磁阻电机( a c s r m ) 9 c , i 传统s r 电机工作时为了充分利川有效转矩产生区，乔盟电流的上升和下降越快越好，但由 于绕组电感的存在，主开关关断时绕组电流要经过相当长的续流阶段才能下降到零，这一方面 使主开关必须提前关断，另一方面磁场储能向电源的同馈也加重了主开关的负担，降低了电机 绕组的利用率。带辅助换相绕组换相的开关磁阻电机( a c s r m ) i ，6 j 就是为了解决以上问题而提 出的。图l 一2 所示为它的截面图，与s r 电机相比，它多了一个整距的辅助换相绕组，它的作用是 当相主绕组关断时，通过辅助绕组将人部分的磁场能量储存起来，等下_ 相开通时再变为机械 能输出，降低了回馈回电源的能量，一方面降低了主开关的负担同时也提高了电机的能量转换 率和效率。但是进一步的分析表明，a c s r m 也存在不现实的地方，这主要表现在以下两方面， ( 1 ) 在低速或轻载运行时，换相问题不严重，没有必要采用换相绕组，能量回馈回电源并不增 加主开关的负担，增加辅助绕没有必要；( 2 ) 电机高速重载运行时，相邻两相的电流有重叠， 若前一相在关断续流，而后一相在导通，则两相电流在辅助绕组中的感应电动势互相抵消，辅 助绕组根本不起作用。由于以上两个弱点，该种型式的电机实用价值不大，但却提供了一种新 的思想。 1 3 2 直流辅助激励的开关磁阻电机( s r d c 电机) 1 9 7 i 由于s r 电机没有专门的励磁绕纠，它的绕组电流中既仃产生磁场的励磁分量，也有产生转 矩的有功分量，如果能降低绕组电流- f j 励磁分量，电机的能量转换率和效率将得到进一步的提 高这也是s r d c 电机提出的目的。s r d c 电机的结构与a c s r m 相同( 图1 2 ) ，也带一个整距 的辅助绕组所不同的是，s r d c 电机的辅助绕组中始终提供恒定的直流电流作为励磁电流辅 助励磁绕组的加入，确实降低了主绕组电流的励磁分量，但是由于主绕组和励磁绕组间的耦合 作用，励磁绕组上将感应出交变的电动势，这一方面加重了励磁电源的负担，另方面也使控 制更加复杂。考虑到励磁电流引起的恫耗帚l 铁耗的增加，该科，电机的性能实际将达不到文献中 华中科技大学博士学位论文 田1 2 带辅助换向绕蛆的开关磁阻电机 f i g 1 - 2c r o s s s e c t i o no f as w i t c b e dr e l u c t a n c em o t o r w i t ha u x i l i a r yc o m m u n t a t i o n 所得到的结果。 1 3 3 短距绕组双凸极永磁电机 田1 - 3 三相双凸扭永磋电机m l f i g i 一3at h r e e p h a s ed o u b l ys a l i e n tp e r m a n e n t m a g n e tm o t o r 三相双凸极永磁电动机( d s p m 电动机) m l s r d c 电机虽然能在一定程度上提高电机的效率，但由于辅助励磁绕组的存在，也增加了控 制的困难并引起额外的励磁损耗，为了解决这一问题，文献【9 8 】提小了埘永磁体来代替辅助的励 磁绕组，并将这种电机称为双凸极永磁电机( 图】3 ) 。由于永磁体的引入，改变了电机的磁路 分布，d s p m 电机具有与s r d c 电机不同的特点：( 1 ) 绕组自感随转子位置变化幅度显著减小， 由绕组自感变化产生的磁阻转矩不再是主要的电磁转矩，而只是引起转矩波动的干扰因素：( 2 ) 永磁体与绕组电流相互作用产生的转矩成为主要的电磁转矩；( 3 ) 永磁体在绕组中感应出双方 向的交变电动势，绕组的工作电流可以是双向的交流电；( 4 ) 绕纠之间的互感较s r 电机明显增 加，为分析和控制带来不便。 磁通反转电机( f r m ) i ”】 分析表明，三相d s p m 电机的绕组磁链是单方向的，这意味着产生同样大小的电动势，要比 双向变化磁链的幅值大一倍。如果能得到双方向变化的磁链，则可进一步提高电机的效率和材 料利用率。文献 9 9 中提出的磁通反转电机( 图1 4 ) 就是基于上述思想。但是与无刷直流电机 ( b l d c m ) 不同的是此种电机的定予极铁心存在相当部分的永磁体漏磁场，使得铁耗有所增加。 另外该电机的绕组时间常数要比转子励磁的永磁电机大，这使得当采用文中提供的降压斩波电 路工作时，功率因数较低，影响电机的性能。 华中科技大学博士学位论文 5 t a t o r m o a n e l s 5 h o f i r o 【or w ；n d i n 口 暇i - 4 磁通反转发电机 f i g 1 4a f l u x - r e v e r s a lm a c h i n e 田1 5 单相双凸扭永碓发电机 f i g 1 5s i n g l ep h a s ed o u b l ys a l i e n tp e r m a n e n tm a g n e t g e n e r a t o r 单相双凸极永磁发电机【” b u l e n ts 等提出的单相双凸极永磁发电机具有图1 - 5 所示的结构【j 。它与三相d s p m 电动机 具有相似的结构，绕在4 个定子凸极上的线圈与传统s r 电机一样连成两相绕组，两相绕组的感应 电动势却是同向的，因此该电机实际上是单相的。该电机具有三相d s p m 电动机的一些优点，但 与磁通反转电机相似，它的绕组时间常数也较大。文中提出了升压方式的控制电路，可以使绕 组电流与感应电动势接近同相位，从而提高电机的功率因数。 两相双凸极永磁电动机n 0 1 i 单相双凸极永磁发电机在某些转予位置没有起动转矩，因此一般只适合于用作发电机，为 了能用作电动机，x i a o g a n gl 等提出将两个单相d s p m 电机同轴连接起来构成一个两相的d s p m 电动机，两个电机错开了4 5 度机械角m l l 。这样的电动机可以自起动，并且可得到相对平稳的电 磁转矩。但是由于要为两个电机部分的端部提供空间，降低了该种电机的空间利用率，另外要 采用两套独立的主电路也增加了功率变换器的成本和控制的复杂性。 1 3 4 本文研究电机的提出 簟相整距绕蛆双凸极永磁发电机【i ”】 观察单相d s p m 电机的4 个定子槽内绕组的电流方向可以看到，有两个槽内的绕组电流是同 方向的而另两个槽内的绕组电流是反方向的，槽内反方向的电流对整个电机的作用相互抵消， 因此，可以去掉这两个槽内的绕组而得到本文研究的电机模型( 图l 6 ) ，这样就可以用一个齄距 绕组取代原来的四个短距绕组以期降低电机的用铜量和铜耗。早在1 9 5 5 年，文献 1 0 3 1 c p 介绍的 磁通开关交流发电机( f l u x s w i t c ha l t e r n a t o r ) 以及后来的感应子发电机就具有相似的结构，由 王墼鲞堂丝垫塑翌苤丞鲑塑堡剑! 鲨煎盐鱼扭圭墼旦垄筮壹整婆照蹩壁垣盒! 顼亟壹堡到堂二 7 华中科技大学博士学位论文 围1 - 6 单相整距绕组双凸极永磁发电机 f i g 1 - 6s i n g l ep h a s ef u l lp i t c hw i n d i n gd o u b l y s a l i e n tp e r m a n e n tm a g n e t g e n e r a t o r 图l - 7 单相整距绕组双凸扳永磋电动机 f i g i - 7s i n g l ep h a s ef u l lp i t c hw i n d i n gd o u b l y s a l i e n tp e r m a n e n t m a g n e tm o t o r 步的发展。随着永磁材料性能的提高和现代大功率开关器件的发展，通过对绕组电流的适当控 制，可以充分发挥它双凸极及单边激励的优点，得到更加良好的性能。 单相整距绕组双凸极永磁电动机 前面提出的单相整距绕组双凸极电机同样在某些转子位置没有起动转矩，为了能作为电动 机运行，本文提出了能自起动的单相整距绕组双凸极电动机。通过将定子极设计成阶梯状，可 使绕组断电后转子被锁定在固定的位置，为正常起动作好准备。在转子锁定位置，不同方向的 绕组电流产生不同方向的起动转矩，电机可双方向起动。这就克服了两相双凸极电机空间利用 率低的缺点，并且控制简单，可充分发挥该类电机的特点。 1 3 5 国内外双凸极永磁电机的研究现状 d s p m 电机首先由美国威斯康星大学麦迪逊分校的l i p ota 教授为首的研究小组提出并开 始研究】，除了前面介绍的之外，目前正在研究的还有轴向磁通周向电流( a f c c ) 永磁电机i t o s l 。 国内对d s p m 电机的研究虽然没有象s r 电机那样普遍，但已经有几家高校开展了一系列的研究 工作。除了作者所在课题组率先在国内开展这方面的研究外，浙江大学对三相d s p m 电机进行了 深入的研究与开发i “】i ”，开发用于电动自行车的驱动系统；南京航空航天大学也正在进行这方 面的研究【”8 i ；香港大学也对d s p m 电机进行了研究与开发，研制用于电动汽车的d s p m 电机驱动 系统 1 0 9 1 。 1 4 本文的主要内容及章节安排 本文以新型的单相双凸极永磁电机为主要研究对象，对该类电机的基本理论、参数计算、 仿真计算、电磁设计进行了深入系统的研究，并对设计制造的样机进行了试验研究与对比，全 8 华中科技大学博士学位论文 文内容安排如下： 第一章论述了课题的目的和意义，综述了开关磁阻电机的发展及研究情况，介绍了几种典 型的单边激励双凸极电机以及本文研究的电机，最后介绍了本文的主要内容及章节安排。 第二章对s e d s 电机的基本理论进行了研究，对s r 电机的转矩电流安匝数及其它性能进行 了分析，并与传统电机进行了比较。 第三章对几种不同型式的s e d s 电机的转矩特性进行了分析与比较，提出了新型的单边激励 双凸极电机单相双凸极永磁( s p d s p m ) 电机的思想。 第四章介绍了s p d s p m 电机的工作原理与特点，讨论了s p d s p m 电机的电磁参数及其特点 研究了各参数计算的有限元法和磁路法，设计了有限元分析软件，为电机的性能仿真和设计奠 定了基础。 第五章研究了s p d s p m 电机的控制与性能仿真，建立了电机的线性和非线性数学模型及系 统的仿真模型，总结了s p d s p m 电机的控制特点。 第六章研究了s p d s p m 电机的电磁设计，讨论了电机的设计特点及各结构参数的选取原则， 研究了电机铁心磁通波形及损耗的计算方法，开发了s p d s p m 电机电磁设计的计算机软件，对 s p d s m 电机的性能进行了计算，并与s r 电机进行了对比研究。 第七章对s p d s p m 电机进行了试验研究，介绍了试验用样机、试验的方法、试验电路以及 试验的结果。 第八章总结了全文，对未来的发展及应用前景进行了展望。 华中科技大学博士学位论文 第2 章开关磁阻电机的基本理论 介绍了一般电机的基本理论；对s r 电机转矩电流安匝数的关系及转矩与磁场的关系进行了分析；比较了s r 电机、a l a 4 丰子电机及交流异步电机的转矩，电流安匝数 2 1 概述 开关磁阻电机( s r 电机) 的出现，使单边激励双凸极电机( s e d s 电机) 应用于大功率的调 速驱动系统成为现实。新型式的s e d s 电机不断出现，从理论上对这一类电机进行分析，比较它 们与传统电机以及它们之间的区别是很有必要的，这不仅可对已有的电机有一个深入的认识， 也为新结构s e d s 电机的分析与设计提供有益的指导。 2 2 一般电机的基本理论 本文所指的电机是指以磁场为媒介，利用电磁感应实现机械能和电能相互持续转化的电磁 装置。与电机学中关于电机的定义略有不同，它不包括变压器等只进行电磁能量转化的装置。 旋转电机是应用最为广泛的一类电机，本节主要以旋转电机为研究对象。本文所指的传统电机 是指电机学中介绍的直流电机、交流异步电机和交流同步电机，它们都是旋转电机。 2 2 1 电机的组成原则 电机虽然有许多不同的结构型式，作为机电能量转换的装置无论是结构上还是原理上都 有很多的共同之处，遵循着一定的原则。 ( 1 )存在宏观电流及其通路，完成与外部电能的交换。电流可以由在导体中运动的自由 电子形成，也可以由带电的流体产生。传统电机中的电流是在导电材料组成的绕组中的传导电 流，绕组是电机与外部进行电能交换的部件。 ( 2 )存在运动的部分，完成与外部机械能的交换。运动部分可以是固体、也可以是气体 或液体，传统电机中的运动部分是由导电材料和导磁材料组成的转子。 2 2 2 电机中的电磁力 电机中的电磁力，从本质上说是运动电荷在磁场中所受到的洛仑兹力。电机中的电磁力主 要有以下几种表现形式：( 1 ) 有电流的导体在磁场中受到的力；( 2 ) 有分子电流的介质在磁 场中受到的力；( 3 ) 带电的流体在磁场中受到的力。第( 3 ) 种力只在特殊结构的电机中存在。 在一般电机中组成绕组的导电材料主要受到第( 1 ) 种作用力，而铁心和永磁材料则主要受到第 一l o 华中科技大学博士学位论文 ( 2 ) 种作用力，它们是电机完成能量转换的基础，电机的其他部分也受到的电磁力，但相对较 小，对完成能量转换基本不起作用。 2 2 3 旋转电机电磁转矩产生的条件 对旋转电机来说，实现机电能尾转换的一个必要条件是必须能产生电磁转矩，电磁转矩可 分为瞬时电磁转矩和平均电磁转矩瞬时电磁转矩是平均电磁转矩的基础，对电机来说，更注 重的是平均电磁转矩。 瞬时电磁转矩产生的条件 瞬时电磁转矩是指在某一个特定的状态，电机产生的定、转子之间的相互电磁转矩。要产 生瞬时电磁转矩对电机的结构与状态有一定的要求：( 1 ) 电机中必须有磁场激励源： ( 2 ) 电 机中必须存在产生电磁力的介质；( 3 ) 当磁场激励源保持不变时，电机的磁场储能有随转子位 置变化的趋势。( 3 ) 表明电机存在机电耦合，否则电机无法进行机电能量转换。 当磁场激励源保持不变时电机的磁场储能随转子位置变化的原因有两种，( 1 ) 磁场激励源 在空间的相对位置发随转子位鼍变化，传统电机就属于这种情况；( 2 ) 导磁介质分布随转子位 置的变化引起磁场储能发生变化，s r 电机等s e d s 电机就属于这种情况。 平均电磁转矩产生的条件 平均电磁转矩是瞬时电磁转矩在一个周期中的平均值。产生平均电磁转矩的条件一般是从 电端口方面对电流提出要求，主要是对电流的频率和相位进行约束。目前的推导主要是以电感 和电流都是正弦波的假设为基础的。从电感变化的角度看，【辑磁转矩可以分为两类，( 1 ) 由绕 组互感随位置变化引起的，它与相互耦合的各绕组的电流有关：( 2 ) 由绕组自感随位置变化引 起。传统电机的电流波形基本不变，只考虑电感和电流单次谐波是可以的。对s r 机等由自感 变化产生电磁转矩的电机，如果不同时考虑电流的各次谐波，所得到的电流约束条件是过分严 格的，因为除了某一次数的谐波电流单独作用可产生电磁转矩外，不同次数的谐波电流相互作 用也可能产生平均电磁转矩。 下面说明绕组自感变化产生转矩的条件。假定绕组自感只有恒定分量和2 次谐波分量，绕 组电流i 包含恒定分量、基波分量及各高次谐波分量。转速恒定时转子位置口用机械角度表示为 日= o o + 当 ( 2 - 1 ) z p 式中是转子的电角速度，口。是口的初值，为方便起见令目。= 0 ，p 为转子的凸极对数( 绕组 在定子侧) 。绕组自感和绕组电流可表示为 f= l o + 2s i n ( 2 p 0 ) l i = “+ 妻压“c 。s ( k w t ) n 之 lk = l 绕组自感与电流作用产生的瞬时转矩为 华中科技大学博士学位论文 瓦。= ；，2 翥 = 2 l 2c o s ( 2 c o f ) ，nc o s ( j o j t + 竹) c o s ( n o j t + q ，。) j = ln = l + _ ，o 2c 。s ( 2 c o t ) 主1 。c 。s ( n c o t + q a ) ：i 1l ：妻宝o c 。s 1 2 + ，训m ，+ p ，协】 l * ， ( 2 - 3 ) + 2 ，。c o s l 2 + 月) t o t 一伊j + p 。j + ；：妻量，j i nc o s 【( 2 + 巾) c o t + c p j - ( p n 】 + 托艺妻v 。c o s i z 十咖帅，嘞】 + 睾如。i nc o s 2 ) c o l + p n + 扫。意i c o s ( 。- 2 ) 。f 慨】 一个周期内转矩的平均值为 k = 未f 。t e r n d o j t z ” r。1 ( 2 4 ) = 百1l 2 i ，fc o s ( 2 尹1 ) + 扫o ，2c o s ( p 2 ) + “ + 2c o s ( p i 一2 ) i lk = l j 如果认为电流的恒定分量为0 次谐波，可得在前面假定下自感变化产生平均转矩电流满足的 条件，即自感绕组中的电流含有基波或次数相差2 的谐波。一般s r 电机工作时电流是单方向的， 主要依靠电流的恒定分羹和2 次分量作用产生平均电磁转矩。 2 2 4s e d s 电机的磁场与转矩 s e d s 电机的转矩主要决定于定、转子间气隙磁场的大小和分布。传统s r 电机的绕组是绕在 定子凸极上的短距绕组，绕组电流可以直接控制定子凸极的磁位，从而得到需要的磁场和转矩。 其它形式的绕组存在较大的槽部和端部漏磁，永磁体产生的磁场无法按需要进行调节，容易形 成不必要的磁场，在部分定、转子凸极间产生负转矩。综合以上分析，相同定、转子极数配合 及凸极结构的s e d s 电机中，传统s r 电机能以最小的磁场产生所需的转矩，它可以在所有能产生 正转矩的定、转子极间形成磁位差，而在可能产生负转矩的定转子凸极间不产生磁位差。 以上的结论于对于新型s e d s 电机的研究具有重要的意义。一方面，它有助于正确认识各新 型s e d s 电机的特点；另一方面，它为确立新型s e d s 的发展及研究奠定了基础。 2 2 5 转矩，电流安匝数性能指标 塑趋星皇熟竣圭翼塑錾! 隆堡塑堑丕堡亘丝逞基皂扭曲熬姿：孜缝4 1 虫扭殴佳褪坦基直型 1 2 华中科技大学博士学位论文 的。传统s r 电机虽然能以最小的磁场产生所需要的转矩，但由于存在转矩产生区间小及励磁等 问题，绕组的利用率是不高的，各种新型s e d s 电机向大多是在提高绕组的利川率。新型s e d s 电机适合做成性能、体积等主要受电负荷约束的中小刑电机。 转矩电流安匝数是指电磁转矩与有效电流安匝数的比值。有效电流安匝数是指所有绕组的 串联匝数与电流有效值乘积的算术和。用公式表示为 n i a = n ， ( 2 5 ) k = l 式中a 电流安匝数，m 是绕组总个数，n i 是第 个绕组的串联匝数，。是第k 个绕组的电流有 效值。转矩，电流安匝数指标中的转矩是指电机的电磁转矩。 由于转矩与电流安匝数的关系是非线性的，且与电机的主要尺寸及气隙有关，在实际应用 时主要用它比较相同主要尺寸的电机在同样转矩时的电流安匝数或同样电流安匝数时的转矩。 转矩电流安匝