开关磁阻电机课件全解

1、 电机可以根据转矩产生的机理粗略的分为两大类：一类是由电磁作用电机可以根据转矩产生的机理粗略的分为两大类：一类是由电磁作用 原理产生转矩；另一类是由磁阻变化原理产生转矩。原理产生转矩；另一类是由磁阻变化原理产生转矩。 在第一类电机中，在第一类电机中，运动是定、转子两个磁场相互作用的结果。运动是定、转子两个磁场相互作用的结果。这种相这种相 互作用产生互作用产生使两个磁场趋于同向使两个磁场趋于同向的电磁转矩，这的电磁转矩，这类似于两个磁铁的同极性类似于两个磁铁的同极性 相排斥、异极性相吸引的现象相排斥、异极性相吸引的现象。目前大部分电机都是遵循这一原理，例如。目前大部分电机都是遵循这一原理，例如

2、一般的直流电机和交流电机。一般的直流电机和交流电机。 第二类的电机，第二类的电机，运动是由定、转子间气隙磁阻的变化产生的。运动是由定、转子间气隙磁阻的变化产生的。当定子当定子 绕组通电时，产坐一个单相磁场，其分铀要遵循绕组通电时，产坐一个单相磁场，其分铀要遵循“磁阻最小原则磁阻最小原则”，即磁，即磁 通总要沿着磁阻最小的路径闭合。因此，当转子轴线与定子磁极的轴线不通总要沿着磁阻最小的路径闭合。因此，当转子轴线与定子磁极的轴线不 重合时，便公有磁阻力作用在转子上并产生转矩使其趋向于磁阻最小的位重合时，便公有磁阻力作用在转子上并产生转矩使其趋向于磁阻最小的位 置。即两轴线重合位置，这置。即两轴线重

3、合位置，这类似于磁铁吸引铁质物质的现象类似于磁铁吸引铁质物质的现象。开关磁阻电。开关磁阻电 机就是属于这一类型的电机。机就是属于这一类型的电机。 两类不同机理的电动机两类不同机理的电动机 开关磁阻电机的最早文献却可追溯到开关磁阻电机的最早文献却可追溯到1838年，英格兰学者年，英格兰学者Davidson 制造了一台用以推动蓄电池机车的驱动系统。制造了一台用以推动蓄电池机车的驱动系统。 70年代左右，英国年代左右，英国Leeds大学步进电机和磁阻电机研究小组首创了大学步进电机和磁阻电机研究小组首创了 一台现代开关磁阻电机的雏形。一台现代开关磁阻电机的雏形。 1980年，年，Lawrenson及其

4、同事在及其同事在ICEM会议上，发表著名论文会议上，发表著名论文“开开 关磁阻调速电动机关磁阻调速电动机”，系统地介绍了他们的工作成果，阐述了，系统地介绍了他们的工作成果，阐述了SR 电机的原理及设计特点，在国际上奠定了现代电机的原理及设计特点，在国际上奠定了现代SR电机的地位，这电机的地位，这 也标志着也标志着SRD正式得到国际认证。正式得到国际认证。 从此，世界上大批学者投入到从此，世界上大批学者投入到SR电机的研究领域。电机的研究领域。 到日前为止，在到日前为止，在SRD系统的开发研制方面，英国一直处于国际领先系统的开发研制方面，英国一直处于国际领先 地位。除英国外，美国、中国、加拿大、

5、印度、韩国等国家也都开地位。除英国外，美国、中国、加拿大、印度、韩国等国家也都开 展了展了SRD系统的研究工作。系统的研究工作。 通过通过20多年的研究和改进，多年的研究和改进，SRD的性能不断提高，目前已能的性能不断提高，目前已能在数百在数百 瓦到数百千瓦的功率范围瓦到数百千瓦的功率范围内使其性能不低于其他形式的电机。内使其性能不低于其他形式的电机。 开关磁阻电机发展历史开关磁阻电机发展历史 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 工作机理 v开关磁阻电机的工作机理基于磁通总是沿磁导最大的路开关磁阻电

6、机的工作机理基于磁通总是沿磁导最大的路 径闭合的原理。径闭合的原理。 v当定、转子齿中心线不重合、磁导不为最大时，磁场就当定、转子齿中心线不重合、磁导不为最大时，磁场就 会产生磁拉力，形成磁阻转矩，使转子转到磁导最大的会产生磁拉力，形成磁阻转矩，使转子转到磁导最大的 位置。位置。 v当向定子各相绕组中依次通入电流时，电机转子将一步当向定子各相绕组中依次通入电流时，电机转子将一步 一步地沿着通电相序相反的方向转动。一步地沿着通电相序相反的方向转动。 v如果改变定子各相的通电次序，电机将改变转向。但相如果改变定子各相的通电次序，电机将改变转向。但相 电流通流方向的改变是不会影响转子的转向的。电流通

7、流方向的改变是不会影响转子的转向的。 一、开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor) 1. 结构特点结构特点 A A B C DB C D Es S1 S2 VD1 VD2 1 2 31 2 3 1 定子和转子均为凸极定子和转子均为凸极 结构；结构； 2 定子上空间相对的两定子上空间相对的两 个极上的线圈串联或个极上的线圈串联或 并联构成一相绕组并联构成一相绕组 3 定子集中绕阻、绕组定子集中绕阻、绕组 为单方向通电为单方向通电 4 转子上无绕组转子上无绕组 5 最常见的组合为最常见的组合为6/4 极，极，8/6极或极或12/8极。极。 磁通总要沿着磁阻最小路径闭合，一

8、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 例：例：12/8 极三相开关磁阻电动机极三相开关磁阻电动机 v以不同的颜色表示磁场 强弱，蓝色磁场最弱， 绿色强 v当某一相通电时，磁极 极尖处磁场强 转速的计算 设：设：定子绕组为定子绕组为m相，定子齿数相，定子齿数 Ns=2m，转子齿

9、数为转子齿数为Nr。 当定子绕组轮流通电一次时，转子转过一个转子齿距。这当定子绕组轮流通电一次时，转子转过一个转子齿距。这 样定子需轮流通电样定子需轮流通电 Nr次转子才转过一周，故电机转速次转子才转过一周，故电机转速 n(r/min)与相绕组电压的开关频率与相绕组电压的开关频率 fph之间的关系为之间的关系为 给定子相绕组供电的功率变换器输出电流脉动频率给定子相绕组供电的功率变换器输出电流脉动频率 则为则为 60 ph r f n N 60 r ph N n f 60 nmN f r D )2 2 kNN kmN sr s 1 1、为了避免单边磁拉力，径向必须对称，所以、为了避免单边磁拉力，

10、径向必须对称，所以 双凸极的双凸极的定子和转子齿槽数应为偶数。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。 )2 2 kNN kmN sr s 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

11、15 9 6 4.28 3.21 2.5 SR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 不计磁滞、涡流及绕组间互感时，不计磁滞、涡流及绕组间互感时，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 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 由转

12、矩公式可知：由转矩公式可知： 开关磁阻电机的转矩大小与电流平方成正比，因此开关磁阻电机的转矩大小与电流平方成正比，因此转矩转矩 方向与电流方向无关，故可以采用单极性电流供电方向与电流方向无关，故可以采用单极性电流供电。 转矩与绕组电感对转子位置角的变化率成正比，因此，转矩与绕组电感对转子位置角的变化率成正比，因此， 只有当绕组电感随转子位置角而增大时，给绕组通电才只有当绕组电感随转子位置角而增大时，给绕组通电才 能产生正向电动转矩。能产生正向电动转矩。当电感随转子位置角而下降时，当电感随转子位置角而下降时， 如绕组中仍有电流，则将产生制动转矩。如绕组中仍有电流，则将产生制动转矩。 1.相绕组关

13、断后绕组电流不能突变为零，有一个延续过程。相绕组关断后绕组电流不能突变为零，有一个延续过程。 为防止绕组电流延续到负转矩区，必须在绕组电感开始为防止绕组电流延续到负转矩区，必须在绕组电感开始 下降之前提前关断绕组。下降之前提前关断绕组。 d dL iTe 2 2 1 2 2 eL dd TJKT dtdt 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 = 1位置位置 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

14、置 stator rotor 1 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 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 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 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 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前沿与定子磁极前沿相遇位

15、置 5 12 min 2 min2 3 min2 34 max 45 max4 () () (2) () () (2) (2) () son son off soffon off soffon soffon U L U LK U i LK U L U LK 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

16、1) on 是控制转矩的重要参数：是控制转矩的重要参数： 一定时，若一定时，若 开通角开通角 on较小，相电流直线上升时间较长，较小，相电流直线上升时间较长， 从而增大电流，提高转矩从而增大电流，提高转矩。 2) 在在 on一定时，增大一定时，增大 off,平均转矩也相应增大。平均转矩也相应增大。 但导通角但导通角 c= off- on有一个最佳值，超过此值，有一个最佳值，超过此值， c 增大，平均转矩反而减小。增大，平均转矩反而减小。 讨论：讨论： 2.3 SR电机的控制原理电机的控制原理 F为以电机结构参数为以电机结构参数(m，Nr， 2，Lmax，Lmin)和和 控制参数控制参数( on

17、 , off)为变量的函数为变量的函数 / sa v UFT 整理得：整理得： 对一定电机，结构参数一定。如对一定电机，结构参数一定。如Us、 on 、 off 一定，则一定，则电机的固有机械特性电机的固有机械特性为：为： Tav=k/ 2 P=k/ 基本控制策略 A. 低速时的电流斩波控制（Current chopping control- CCC) 在电感很小时使绕组开通，电 流快速上升。为防止电流过大 而损坏电机，当电流达到最大 值Imax时，使绕组关断，电流 开始衰减，当电流衰减咸至 Imin时，绕组重新开通。 在最大电感出现之前必须将绕 组关断，以免电流延续到负转 矩区。 B. 高速

18、时的角度位置控制（Angular position control-APC) 高速时，由于反电势大，电流 受到限制，上升较慢。当到达 最大值后，因电感的增加，电 流返而下降。 同样，为避免电流延续到负转 矩区，绕组要在电感到达最大 值之前关断。速度越高，要关 断的越早。 恒转矩区恒转矩区 恒功率区恒功率区 串励特性区串励特性区 CCC 方式方式 APC 方式方式 1 2 c固定固定 o T SR电机的基速电机的基速 vSR电机的固有机械特性类似与直流电机电机的固有机械特性类似与直流电机 的串励特性。的串励特性。 v对给定对给定SR电机，在最高电压电机，在最高电压Us和最大允和最大允 许电流条件

19、下，存在一个临界角速度。即许电流条件下，存在一个临界角速度。即 SR电机得到最大转矩的最高角速度，称电机得到最大转矩的最高角速度，称 为为。 v功率变换器是直流电源和SRM的接口，起着 将电能分配到SRM绕组中的作用，同时接受 控制器的控制。 v由于SRM遵循“最小磁阻原理”工作，因 此只需要单极性供电的功率变换器。功率 变换器应能迅速从电源接受电能，又能迅 速向电源回馈能量。 （1）较少数量的主开关元件；）较少数量的主开关元件； （2）可将全部电源电压加给电动机相绕）可将全部电源电压加给电动机相绕 组；组； （3）主开关器件的电压额定值与电动机）主开关器件的电压额定值与电动机 接近；接近；

20、（4）具备迅速增加相绕组电流的能力；）具备迅速增加相绕组电流的能力； （5）可通过主开关器件调制，有效地控）可通过主开关器件调制，有效地控 制相电流；制相电流； （6）能将能量回馈给电源。）能将能量回馈给电源。 1、双开关型、双开关型 每相有两只主开关每相有两只主开关 和两只续流二极管和两只续流二极管。 当两只主开关当两只主开关VTVT1 1 和和VTVT2 2同时导通时，同时导通时， 电源电源U US S 向电机相向电机相 绕组供电绕组供电 ；当当VTVT1 1 和和VTVT2 2同时关断时，同时关断时， 将电机的磁场储能将电机的磁场储能 以电能形式迅速回以电能形式迅速回 馈电源，实现强迫馈

21、电源，实现强迫 换相。换相。 。 + US - - VD1 VD2 VT1 VT2 双开关型电路特点：双开关型电路特点： 1）适用于任意相数）适用于任意相数SR电机电机 2 2）相控独立性：独立）相控独立性：独立 3 3）相电压）相电压= =电源电压电源电压 4 4）器件数量多）器件数量多 + US - - VD1 VD4 VT1 VT4 VD2 VD5 VT2 VT5 VD3 VD6 VT3 VT6 A B C 换相相的磁能以电 能形式一部分回馈 电源，另一部分注 入导通相绕组，引 起中点电位的较大 浮动。它要求每一它要求每一 瞬间必须上、下各瞬间必须上、下各 有一相导通。有一相导通。 1）

22、只适用于）只适用于4的倍数相的倍数相SR电机电机 2）主开关数较少）主开关数较少 3）相控独立性：不独立）相控独立性：不独立 4）相绕组电压浮动）相绕组电压浮动 可以实现零压续流，可以实现零压续流， 提高系统的控制性能。提高系统的控制性能。 H桥型电路为桥型电路为4相相SR电机最常电机最常 用的主电路形式用的主电路形式 单管斩波方式，需增加一个公共开关单管斩波方式，需增加一个公共开关 V0, PWM斩波由斩波由V0完成，完成，V1-V4只负责换相只负责换相. V0导通导通 V0关断关断 AB两相导通时工作情况两相导通时工作情况 主电路主电路 续流续流 斩波：V1关断，续流换相：V2关断，V1导通 换相：V1关断，V2导通 VT1 VT3 VD3 VD1 VD2 VD4 VT2 VT4 + + US - - + U0 A B C D C2 C1 J 电压检测电压检测 R1 R2 R3 380V VT RL 11 10 2 1 3 MID 3 1 2