开关磁阻电机课件

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，例如一般的直

2、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。即两轴线重合位置，这类似于

3、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。一一 电机分类电机分类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及其同事在及其同事在ICEM会议上，发表著名论文会议

4、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、印度、韩国等国家也都开地位。除英国外，美国、中国、加拿大、印

5、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。二二 开关磁阻电机发展历史开关磁阻电机发展历史8电动汽车用开关磁阻电机9开关磁阻电机驱动的纯电动汽车 五相SRM三相SRM10于于2004年年6月投入了武汉市的月投入了武汉市的510公汽线路上运行至今。公汽线路上运行至今。 112002年年12月月50/100kW开关磁阻电机在东风技术中心的装车照片开关磁阻电机

6、在东风技术中心的装车照片 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电机的定子铁芯有六个齿极，电机的定子铁芯有六个齿极，由导磁良好的硅钢片冲制。由导磁良好的硅钢片冲制。电机的转子铁芯有四个齿极，电机的转子铁芯有四个齿极，由导磁良好的硅钢片冲制。由导磁良好的硅钢片冲制。 由于定子与转子都有凸起的齿极，这种形式也称为双凸极由于定子与转子都有凸起的齿极，这种形式也称为双凸极结构。在定子齿极上

7、绕有线圈（定子绕组），用来向电机提结构。在定子齿极上绕有线圈（定子绕组），用来向电机提供工作磁场。在转子上没有线圈，这是磁阻电机的主要特点。供工作磁场。在转子上没有线圈，这是磁阻电机的主要特点。 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 SR电机常用方案电机常用方案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

8、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

9、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。电流通流方向的改变是不会影响转子的转向的。 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 SRD结构结构 从功率变换器应与电动机的结构匹配、效率高、控制方从功率变换器应与电动机的结构匹配、效率高、控制方便、结构简单、成

10、本低等基本要求出发，一个理想的功率变便、结构简单、成本低等基本要求出发，一个理想的功率变换器主电路结构形式应具备如下条件：换器主电路结构形式应具备如下条件：(1)(1)较少数量的主开关元件；较少数量的主开关元件；(2)(2)可将全部电源电压加给电动机相绕组；可将全部电源电压加给电动机相绕组；(3)(3)主开关器件的电压额定值与电动机接近：主开关器件的电压额定值与电动机接近：(4)(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)(5)可通过主开关器件调制，有效地控制相电流；可通过主开关器件调制，有效地控制相电流；(6)(6)能将能量回馈给电源。能将能量回馈给电源。 双绕组

11、型电路特点双绕组型电路特点主开关主开关S1S1导通时，导通时，电源对主绕组电源对主绕组A A供供电；当其关断时，电；当其关断时，靠磁耦合将主绕靠磁耦合将主绕组组A A的电流转移到的电流转移到副绕组，通过二副绕组，通过二极管极管D1D1续流，向续流，向电源回馈电能，电源回馈电能，实现强迫换相。实现强迫换相。早期使用的双绕组结构，每相有主、副两个绕组，主、副绕组双线并绕，同名端反接，其匝数比为1：1。 缺点：缺点：1 1）由于主、副绕组之）由于主、副绕组之间不可能完全耦合，间不可能完全耦合，在在S1S1关断的瞬间，因关断的瞬间，因漏磁及漏感作用，其漏磁及漏感作用，其上会形成较高的尖峰上会形成较高的

12、尖峰电压，故电压，故S1S1需要有良需要有良好的吸收回路。好的吸收回路。2 2）由于采用主、副两）由于采用主、副两个绕组，因而电机槽个绕组，因而电机槽及铜线利用率低。铜及铜线利用率低。铜耗增加、体积增大。耗增加、体积增大。优点：优点：适用于任何相数的适用于任何相数的SRMSRM，尤其适宜于低压直流电源供尤其适宜于低压直流电源供电电场合场合电容分压型电容分压型 （电源分裂式）（电源分裂式）两个相串联的电容两个相串联的电容C1和和C2将电源电压一分为二将电源电压一分为二, ,构成中构成中点电位。每相只有一个主开关点电位。每相只有一个主开关S和一只续流二极管和一只续流二极管D。 当当S1导通时，上导

13、通时，上侧电容侧电容C1对对A相相绕组放电，电源绕组放电，电源对对A相供电，经相供电，经下侧电容下侧电容C2构成构成回路；当回路；当S1关断关断时，时，A相电流经相电流经D1续流，向下侧续流，向下侧电容电容C2充电。充电。 电容分压型电路的特点电容分压型电路的特点1 1）只适用于偶数相）只适用于偶数相SRSR电机电机2 2）主开关数较少）主开关数较少3 3）相控独立性：不独）相控独立性：不独立立4 4）电源利用率低，每）电源利用率低，每相电压为电源电压的相电压为电源电压的1/21/2。5 5）需限制中点电位漂）需限制中点电位漂移移H H桥型桥型该变换器比四相电该变换器比四相电容分压型功率变换容

14、分压型功率变换器主电路少了两个器主电路少了两个串联的分压电容，串联的分压电容，换相相的磁能以电换相相的磁能以电能形式一部分回馈能形式一部分回馈电源，另一部分注电源，另一部分注入导通相绕组，引入导通相绕组，引起中点电位的较大起中点电位的较大浮动。它要求每一浮动。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。H H桥型电路的特点桥型电路的特点1 1）只适用于）只适用于4 4的倍数相的倍数相SRSR电机电机2 2）主开关数较少）主开关数较少3 3）相控独立性：不独立）相控独立性：不独立4 4）相绕组电压浮动）相绕组电压浮动5 5）本电路特有的优点）本电路特有的优点: :可以实现零

15、压续流，提高可以实现零压续流，提高系统的控制性能。系统的控制性能。电容转储型功率变换器主电路（一相）电容转储型功率变换器主电路（一相） 单绕组双开关型功率变换器主电路单绕组双开关型功率变换器主电路 单绕组双开关型功率变换器每相有两只主开关和两只续单绕组双开关型功率变换器每相有两只主开关和两只续流二极管。当两只主开关流二极管。当两只主开关S1S1和和S2S2同时导通时，电源同时导通时，电源UsUs向向电机相绕组电机相绕组A A供电；当供电；当S1S1和和S2S2同对关断时，相电流沿图中同对关断时，相电流沿图中箭头方向经续流二极管箭头方向经续流二极管VD1VD1和和VD2VD2续流，绕组两端的电压

16、续流，绕组两端的电压近似为近似为-Us-Us，将电机磁场储能以电能形式迅速回馈电源，将电机磁场储能以电能形式迅速回馈电源，实现强迫换相。当主开关实现强迫换相。当主开关S1S1和和S2S2中一个开通另一个关断，中一个开通另一个关断，相电流不经电源续流，而通过其中一个二极管续流，在相电流不经电源续流，而通过其中一个二极管续流，在续流段，绕组两端的电压近似为续流段，绕组两端的电压近似为0 0，无能量回馈。，无能量回馈。静止部分静止部分运动部分运动部分定子上安装两个相距定子上安装两个相距75o的光敏器件的光敏器件S、P,分别与定子极中心线分别与定子极中心线成成37.5o夹角。夹角。将其组合为将其组合为

17、4种不同种不同状态，代表定子绕组状态，代表定子绕组4种不同参考位置种不同参考位置S P1 00 00 11 1 1 0S P导通相导通相0 0AD1 0DC1 1CB0 1 BA0 0ADR5 R4 C4 + R7 R6 C3 S +5V Q VIN 16 3 4 14 6 7 13 9 11 12 5 8 CD4046 CD4040 8 11 10 12 16 14 4 3 13 15 S 信号信号 6 7 300pF 4046 10k 47k 1M 0.22 F OUT1 CLK1 8253 CS A0 A1 D0 D7 WR RD 8 8 P0 P2.4 P2.5 P2.6 P2.7 A

18、LE RD WR MCU A1 A0 D0 D7 8253 CLK0 GATE0 P1.0 CS RD WR 373 154 INT1 测测 S、 P跳跳变变 f0 CPU 80C196KC HSI.0 HSI.1 S P 60nNfrp + - - R2 R1 +15V R3 R4 UCC C2 C1 + - Uout 充电泵充电泵 2 3 4 1 5 8 10 11 S LM2907 cNTpmn160fmT2 定时器定时器 计数器计数器 总线总线 位置脉冲信号位置脉冲信号 记数器记数器 接口接口 总线总线 时钟脉冲时钟脉冲 位置脉冲信号位置脉冲信号 1260Nm fnp m D 触发器触

19、发器 D CP Q Tc HSO.0 HSI.0 HSI.1 SP Td Tc Td m1 m2 SRSR电动机电动机电阻采样电阻采样电流检测电路电流检测电路 R R1 R2 Uo IL +UCC V _ _ Uo Ui Uoffset is Re R1 R2 R3 Rf IL +15V -15V LEM VT1 VT3 VD3 VD1 VD2 VD4 VT2 VT4 + + US - - + U0 A B C D C2 C1 LEM1 LEM2 + US - - VD1 VD4 VT1 VT4 VD2 VD5 VT2 VT5 VD3 VD6 VT3 VT6 A B C LEM 有限元法是目前

20、工程技术领域中实用性最强，有限元法是目前工程技术领域中实用性最强，应用最为广泛的数值模拟方法有限元方法的基应用最为广泛的数值模拟方法有限元方法的基本思想是离散化，就是将实际结构假想地离散为本思想是离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体实际结构的物理性有限数目的规则单元组合体实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来代替对实际结构的分析这样可度的近似结果来代替对实际结构的分析这样可以解决很多实际工程需要解决但理论分析又无法以解决很多实际工程需要解决但理论分析又无法实现的复杂问题实现的复杂问题 。 对于开关

21、磁阻电机的电磁场分析，我们主要对于开关磁阻电机的电磁场分析，我们主要采用采用Ansoft或是或是Ansys等有限元软件进行。等有限元软件进行。下表给出了一台功率为下表给出了一台功率为1 kW，额定转速为，额定转速为55000 r/min的的6/4极开关磁阻电机样机参数。极开关磁阻电机样机参数。额定功率/kW1额定转速/rmin-155000定子极数6转子级数4定子外径/mm70转子内经/mm16定子内径/mm40 转子极弧/32 定子极弧/30转子轭高/mm6定子极高/mm9铁心长度/mm45气隙长度/mm0.5每相绕组匝数53下图给出样机在单相通电时二维磁场的等磁位线分布图，相绕组电流均为1

22、0A。 =0 下图给出样机在单相通电时二维磁场的等磁位线分布图，相绕组电流均为10A。 =15 下图给出样机在单相通电时二维磁场的等磁位线分布图，相绕组电流均为10A。 =30 下图给出样机在单相通电时二维磁场的等磁位线分布图，相绕组电流均为10A。 =45 磁化曲线族磁化曲线族 电感特性曲线电感特性曲线 二维矩角特性曲线二维矩角特性曲线 三维矩角特性三维矩角特性diiWci0),(-idiW0),(ciemWTiW21iLddLiTem221 emT ddLmaxLminLi i emTemTddLemTddL emT iemT iUonoff 开关磁阻电动机（开关磁阻电动机（Switche

23、d Reluctance Drive ：SRD）是）是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统之后发展起来的继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统之后发展起来的最最新一代无级调速系统新一代无级调速系统，是集现代微电子技术、数字技术、电力，是集现代微电子技术、数字技术、电力电子技术、红外光电技术及现代电磁理论、设计和制作技术为电子技术、红外光电技术及现代电磁理论、设计和制作技术为一体的光、机、电一体化高新技术。一体的光、机、电一体化高新技术。它具有调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点。它具有调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点。英、美等经济发达国家对开关磁阻电动机调速系统的研英、美等经济发

24、达国家对开关磁阻电动机调速系统的研究起步较早，并已取得显著效果，产品功率等级从数究起步较早，并已取得显著效果，产品功率等级从数w直到数直到数百百kw，广泛应用于，广泛应用于家用电器、航空、航天、电子、机械及电动家用电器、航空、航天、电子、机械及电动车辆车辆等领域。等领域。 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/dtt1 u1 + - . . . Rm d m/dt um + - 耦合磁场耦合磁场 i1 im 第第k相绕组的相电压平衡方

25、程相绕组的相电压平衡方程:所以：所以：电阻压降电阻压降dtdLidtdiiLiLiRdtddtdiiiRUkkkkkkkkkkkkkkkkddidLuLidtdtdt22212222112211112222rdidLddLPuiiLiLiidtdtdtdtddL dddLLiiLiidtddtdtdddLiTe221refTdtdW为电磁转矩Wf为磁场储能，r为转子机械角速度如果忽略绕组电阻如果忽略绕组电阻R，则上面的方程可写为：，则上面的方程可写为：22eLddTJKTdtdt 线性模型有利于对线性模型有利于对SR电机的定性分析，电机的定性分析，了解其运动的物理状况、内部各物理量的基了解其运

26、动的物理状况、内部各物理量的基本特点和相互关系；本特点和相互关系； 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置statorrotor 1stator =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 =0ostator = 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

27、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 3stator = 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 4stator = 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置 5 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

28、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：-544max43max32min221min)()()(KLLLKLLK=(Lmax-Lmin)/(3-2)= (Lmax-Lmin)/sLmin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 。相电流解析分析相电流解析分析-zonzoffsoffonsUU,0uk忽略电阻，相绕组电压方程：忽略电阻，

29、相绕组电压方程：而：而： =L idtdUSdidLdidLUsLiLidtdtdtd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：-54243322200000iKiKTTTKT为常数为常数sdidLULidtdsUdidLLiddminsUdiLdmin( )sonUiL -min2()sUCLKi-min2min2min2()()()()sUdidLdiLiLKiKddddidiLKKiKdddid K iLKdd-min2()( )()sonUiLK-min2(2)( )()soffonUiLK-max(2)( )soffonUiL-max4(2)( )()soffonUiL

30、K-12min2min23min234max45max4()()(2)()()(2)(2)()sonsonoffsoffonoffsoffonsoffonULULKUiLKULULK- 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=2offoff- -onon) ) 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结构一定，在结构一定，在onon和和offoff不变时，不变时，绕组电流随外加电压的增

31、大而增大，随转速绕组电流随外加电压的增大而增大，随转速的升高而减小；通过调整开关角和关断角也的升高而减小；通过调整开关角和关断角也可以影响绕组电流，从而就间接地使电动机可以影响绕组电流，从而就间接地使电动机的电磁转矩增大。的电磁转矩增大。 ：外加电源电压外加电源电压UsUs、角、角速度速度r r、开通角、开通角onon、关断角、关断角offoff、最大电、最大电感感Lmaxmax、最小电感、最小电感Lminmin、定子极弧、定子极弧s s等。等。 线性模型忽略了许多因素，计算结果误差很大，只线性模型忽略了许多因素，计算结果误差很大，只能定性地说明影响电流、转矩的因素。能定性地说明影响电流、转矩的因素。 SRM 功功 率率 变变 换换 器器 - - US + 位位 置置 传传 感感 器器 转转 速速 计计 算算 逻逻 辑辑 控控 制制 ASR 控控 制制 模模式式 选选 择择 正正 反反 转转 指指 令令 ACR PW M 逻逻 辑辑 “与与 ” 放放 大大 驱驱 动动 * - - + + T* i* - - i on , off DSP 具具有有PWM发生单