开关磁阻电机

1、开关磁阻电机 2.1 SRM 传动系统传动系统 2.2 SRM 基本方程与性能分析基本方程与性能分析 2.3 SRD的的 控制原理控制原理 2.4 SRD 的功率变换器的功率变换器 2.5 SRD 传动系统的反馈信号检测传动系统的反馈信号检测 2.6 SRD 控制系统原理及其实现控制系统原理及其实现 2.7 基于单片机的基于单片机的SRD控制系统控制系统 2.8 基于基于DSP的的SRD控制系统控制系统 2.9 开关磁阻发电机开关磁阻发电机 开关磁阻电机 位位置置检检测测 功功率率变变换换器器 SR电电动动机机 电电流流检检测测 控控制制信信号号 控控制制器器 电电 源源 负负 载载 开关磁阻

2、电机 开关磁阻电机 1、双凸极、双凸极 结构结构 2、定子集、定子集 中绕阻、绕中绕阻、绕 组为单方向组为单方向 通电通电 3、转子无、转子无 绕阻绕阻 开关磁阻电机 电机原理演示电机原理演示 磁通总要沿着磁阻最小路径闭合，一定形状的铁心磁通总要沿着磁阻最小路径闭合，一定形状的铁心 在移动到最小磁阻位置时，必定使自己的轴线与主在移动到最小磁阻位置时，必定使自己的轴线与主 磁场的轴线重合磁场的轴线重合 A-A 通电通电 1-1 与与A-A重合重合 B-B 通电通电 2-2 与与B-B重合重合 C-C 通电通电 3-3 与与C-C重合重合 D-D 通电通电 1-1 与与D-D重合重合 开关磁阻电机

3、 12/8 极三相开关磁阻电动机极三相开关磁阻电动机 开关磁阻电机 以不同的颜色表示磁场 强弱，蓝色磁场最弱， 绿色强 当某一相通电时，磁极 极尖处磁场强 开关磁阻电机 开关磁阻电机 开关磁阻电机 开关磁阻电机 开关磁阻电机 开关磁阻电机 开关磁阻电机 开关磁阻电机 开关磁阻电机 开关磁阻电机 开关磁阻电机 开关磁阻电机 开关磁阻电机 开关磁阻电机 开关磁阻电机 开关磁阻电机 开关磁阻电机 开关磁阻电机 开关磁阻电机 开关磁阻电机 开关磁阻电机 2 2 ) s rs Nkm NNk = = 1 1、为了避免单边磁拉力，径向必须对称，所以双、为了避免单边磁拉力，径向必须对称，所以双 凸极的定子和

4、转子齿槽数应为偶数。凸极的定子和转子齿槽数应为偶数。 2 2、定子和转子齿槽数不相等，但应尽量接近。、定子和转子齿槽数不相等，但应尽量接近。 因为当定子和转子齿槽数相近时，就可能加大定因为当定子和转子齿槽数相近时，就可能加大定 子相绕组电感随转角的平均变化率，这是提高电子相绕组电感随转角的平均变化率，这是提高电 机出力的重要因素。机出力的重要因素。 开关磁阻电机 开关磁阻电机 相数相数 3 4 5 6 7 8 9 定子极数定子极数 6 8 10 12 14 16 18 转子极数转子极数 4 6 8 10 12 14 16 步进角步进角(度度) 30 15 9 6 4.28 3.21 2.5 S

5、R电机常用方案电机常用方案 相数越大，转矩脉动越小，但成本越高，故常相数越大，转矩脉动越小，但成本越高，故常 用三相、四相，还有人在研究两相、单相用三相、四相，还有人在研究两相、单相SRM 低于三相的低于三相的SRM 没有自起动能力没有自起动能力 开关磁阻电机 开关磁阻电机 PM PM 开关磁阻电机 （1） 2-phase 4 stator pole/2 rotor pole（2） 4-phase 8 stator pole/6 rotor pole（3） 3-phase 6 stator pole/4 rotor pole（4） 5-phase 10 stator pole/8 rotor

6、pole 开关磁阻电机 1)1)电动机结构简单、成本低、适用于高速电动机结构简单、成本低、适用于高速, , 开关磁阻电动机的结构比通常认为最简开关磁阻电动机的结构比通常认为最简 单的鼠笼式感应电动机还要简单。单的鼠笼式感应电动机还要简单。 2)2)功率电路简单可靠功率电路简单可靠 因为电动机转矩方因为电动机转矩方 向与绕组电流方向无关，即只需单方向向与绕组电流方向无关，即只需单方向 绕组电流，故功率电路可以做到每相一绕组电流，故功率电路可以做到每相一 个功率开关。个功率开关。 开关磁阻电机 3)3)各相独立工作，可构成极高可靠性系统各相独立工作，可构成极高可靠性系统 从从 电动机的电磁结构上看

7、，各相绕组和磁路相电动机的电磁结构上看，各相绕组和磁路相 互独立，各自在一定轴角范围内产生电磁转互独立，各自在一定轴角范围内产生电磁转 矩。而不像在一般电动机中必须在各相绕组矩。而不像在一般电动机中必须在各相绕组 和磁路共同作用下产生一个圆形旋转磁场，和磁路共同作用下产生一个圆形旋转磁场， 电动机才能正常运转。电动机才能正常运转。 4)4)高起动转矩，低起动电流高起动转矩，低起动电流 控制器从电源侧控制器从电源侧 吸收较少的电流，在电机侧得到较大的起动吸收较少的电流，在电机侧得到较大的起动 转矩是本系统的一大特点。转矩是本系统的一大特点。 （SR:0.4IN,1.4TN IM:6-7IN,2-

8、3TN） 开关磁阻电机 5)5)适用于频繁起停及正反向转运行适用于频繁起停及正反向转运行 SRDSRD 系统具有的高起动转矩，低起动电流系统具有的高起动转矩，低起动电流 的特点，使之在起动过程中电流冲击的特点，使之在起动过程中电流冲击 小，电动机和控制器发热较连续额定小，电动机和控制器发热较连续额定 运行时还小。运行时还小。 6)6)可控参数多，调速性能好可控参数多，调速性能好 控制开关控制开关 磁阻电动机的主要运行参数和常用方磁阻电动机的主要运行参数和常用方 法至少有四种法至少有四种: :相开通角相开通角, ,相关断角相关断角, , 相电流幅值相电流幅值, ,相绕组电压。相绕组电压。 开关磁

9、阻电机 7)7)效率高，损耗小效率高，损耗小 SRDSRD系统是一种系统是一种 非常高效的调速系统。非常高效的调速系统。 8)8)可通过机和电的统一协调设计满可通过机和电的统一协调设计满 足各种特殊使用要求足各种特殊使用要求 。 9)9)缺点：转矩脉动、振动、噪声缺点：转矩脉动、振动、噪声 但但 可通过特殊设计克服可通过特殊设计克服 开关磁阻电机 开关磁阻电机 航空工业航空工业 家用电器家用电器 机械传动机械传动 精密伺服系统精密伺服系统 电动车电动车 开关磁阻电机 SR电机设计研究：电机设计研究： 铁心损耗计算、转矩脉动、噪声、优化设计等理论铁心损耗计算、转矩脉动、噪声、优化设计等理论 SR

10、电机的控制策略研究：电机的控制策略研究： 最优控制，减小转矩脉动、降低噪声最优控制，减小转矩脉动、降低噪声 具有较高动态性能、算法简单、可抑制参数变化、扰动及具有较高动态性能、算法简单、可抑制参数变化、扰动及 各种不确定性干扰的新型控制策略各种不确定性干扰的新型控制策略 智能控制策略智能控制策略 SR电机的无位置传感器控制电机的无位置传感器控制 SR电机的振动、噪声研究电机的振动、噪声研究 无轴承无轴承SR电机研究（磁悬浮）电机研究（磁悬浮） SR电机应用研究：电动车、发电机、一体化电机等电机应用研究：电动车、发电机、一体化电机等 开关磁阻电机 不计磁滞、涡流及绕组间互感时，不计磁滞、涡流及绕

11、组间互感时，m相相SR电电 机系统示意图机系统示意图 J转子与负载的转动惯量转子与负载的转动惯量 D粘性摩擦系数粘性摩擦系数 TL负载转矩负载转矩 Te K J TL R1 d 1/dt t1 u1 + - . . . Rm d m/dt um + - 耦合磁场耦合磁场 i1 im 开关磁阻电机 第第k相绕组的相电压平衡方程相绕组的相电压平衡方程: 开关磁阻电机 所以：所以： 电阻压降电阻压降 kkk kk k k kkk k kkkk k did UR i idtdt LdiL d R iLii idtdt q q q q Y Y =+ 抖 骣 抖 琪 =+ 琪 抖 桫 开关磁阻电机 2 2

12、 eL dd TJDT dtdt qq =+ 开关磁阻电机 0 ( ,) i Wcidiq=Y Y-Y-i ( , ) c e Wi T q q = 2 / 0 ( , ) 2 r N r ave mN TT id p qq p = 开关磁阻电机 不计磁路饱和，假定绕组电感与电流无关，不计磁路饱和，假定绕组电感与电流无关， 此时电感只与转子位置有关此时电感只与转子位置有关 1 0 2 3 0 4 5 SR电机相电感随转子位置变化电机相电感随转子位置变化 开关磁阻电机 stator = 1位置位置 rotor 转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置 1 开关磁阻电机

13、 stator =0o位置位置 rotor 定子磁极轴线与转子凹槽中心重合定子磁极轴线与转子凹槽中心重合 =0o 开关磁阻电机 stator = 2位置位置 rotor 转子磁极前沿与定子磁极前沿相遇位置转子磁极前沿与定子磁极前沿相遇位置 2 开关磁阻电机 stator = 3位置位置转子磁极前沿与定子磁极前沿重合位置转子磁极前沿与定子磁极前沿重合位置 rotor 3 开关磁阻电机 stator = 4位置位置 rotor 转子凹槽前沿与定子磁极后沿重合位置转子凹槽前沿与定子磁极后沿重合位置 4 开关磁阻电机 stator = 5位置位置 rotor 转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置转子凹槽

14、前沿与定子磁极前沿相遇位置 5 开关磁阻电机 1 0 2 3 0 4 5 =0 定子磁极轴线与转子凹槽中心重合定子磁极轴线与转子凹槽中心重合 1( 5) 转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置 2 转子磁极前沿与定子磁极前沿相遇位置转子磁极前沿与定子磁极前沿相遇位置 3 转子磁极前沿与定子磁极前沿重合位置转子磁极前沿与定子磁极前沿重合位置 4 转子凹槽前沿与定子磁极后沿重合位置转子凹槽前沿与定子磁极后沿重合位置 开关磁阻电机 SR电机绕组电感的分段线性解析式：电机绕组电感的分段线性解析式： min12 2min23 max34 max445 () ( ) () L

15、 KL L L LK qqq qqqqq q qqq qqqqq -+ = - K=(Lmax-Lmin)/(3-2)= (Lmax-Lmin)/s Lmin为定子磁极轴线对转子凹槽中心时的电感为定子磁极轴线对转子凹槽中心时的电感, Lmax 定子磁极轴线对转子磁极轴线的电感定子磁极轴线对转子磁极轴线的电感 。 开关磁阻电机 相电流解析分析相电流解析分析 k u 0, sonoff soffz onz U U qqq qqq qqqq + =- 开关磁阻电机 忽略电阻，相绕组电压方程：忽略电阻，相绕组电压方程： 而：而： =L i S d U dt Y = didLdidL UsLiLi dt

16、dtdtdq =+=+W 相电流解析分析相电流解析分析 同时可以同时可以 导出：导出： 2 2 23 34 2 45 00 00 0 T T Ki T Ki qq qqq qq qq = - KT为常数为常数 开关磁阻电机 s didL ULi dtdq =+W s UdidL Li ddqq =+ W min s Udi L dq = W min ( ) son U i L q q q - = W 开关磁阻电机 min2 () s U CLKiqq q+=+- W min2 min2 min2 () () () () s UdidLdi LiLKiK ddd didi LKKiK dd di

17、d K i LK dd q q qqq qq qq q q qq =+=+-+ W =-+ =-+ 开关磁阻电机 min2 () ( ) () son U i LK qq q qq - = W+- 开关磁阻电机 min2 (2) ( ) () soffon U i LK qqq q qq - = W+- max (2) ( ) soffon U i L qqq q - = W max4 (2) ( ) () soffon U i LK qqq q qq - = W- 开关磁阻电机 12 min 2 min2 3 min2 34 max 45 max4 () () (2) ( ) () (2)

18、(2) () son son off soffon off soffon soffon U L U LK U i LK U L U LK qq qqq qq qqq qq qqq qqqq qq qqq qqq qqq qqq qq - W - W+- - = W+- - W - W - 开通角开通角 关关 断断 角角 开关磁阻电机 on 2 :电感上升，使绕组电感上升，使绕组电流下降电流下降 off 3 : 在电感达最大之前，绕组在电感达最大之前，绕组 关断，绕组续流。关断，绕组续流。 3 z 4 (zz=2=2off off- - on on) ) 在电感下降之前，续流结在电感下降之前，续流结 束。否则会产生反向转矩束。否则会产生反向转矩 典型电流波形典型电流波形 开关磁阻电机 开关磁阻电机 开关磁阻电机