新型电机大作业(共15页)

1、精选优质文档-倾情为你奉上开关磁阻电动机 摘要：永磁同步电机伺服系统具有运行效率高,低速运行性能好,转矩脉动小,转动惯量小,能高速运行,性价比高等特点,在诸多高性能领域得到了广泛应用,逐渐成为交流伺服系统的主流。本文介绍了开关磁阻电机的基本原理与工作方式，并对其转速等特性进行了MATLAB仿真。关键词：开关磁阻电机 基本原理 工作方式 MATLAB仿真1. 开关磁阻电动机原理动机传动系统(简称 SRD系统)是最近20年来开发成功的一种新型电气传动系统，它由开关磁阻电动机(简称 SR电机或 SRM)、功率变换器、转子位置检测器和控制器所组成，如图 5-21所示。图1开关磁阻电动机传动系统结构1.

2、 2基本结构电机定子和转子呈凸极形状，极数互不相等，转子由叠片构成，定子绕组可根据需要采用串联、并联或串并联结合的形式在相应的极上得到径向磁场，转子带有位置检测器以提供转子位置信号，使定子绕组按一定的顺序通断，保持电机的连续运行。电机磁阻随着转子磁极与定子磁极的中心线对准或错开而变化，因为电感与磁阻成反比，当转子磁极在定子磁极中心线位置时，相绕组电感最大，当转子极间中心线对准定子磁极中心线时，相绕组电感最小。图2 开关磁阻电动机的基本结构 图3磁阻电机结构图1.3工作原理开关磁阻电机的工作机理与磁阻(反应)式步进电动机一样，基于磁通总是沿磁导最大的路径闭合的原理。当定、转子齿中心线不重合、磁导

3、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位置。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。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。1.4转速的计算定子绕组为m相，定子齿数 Ns=2m，转子齿数为Nr。当定子绕组换流通电一次时，转子转过一个转子齿距。这样定子需切换通电 Nr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 f之间的关系为 （1） （2） 给定子相绕组供电的功率变换器输出电流脉动频率 则为 （3）1.5磁阻电机的优点开关磁阻电机由于转子上没有绕组，定

4、子线圈的端部又很短，不但制造方便，而且线圈的发热量小且容易散热，从而电磁负荷可以提高，电机利用系数可达异步电机利用系数的 1.4倍，电机制造成本大为降低。由于转子上无线圈，转动惯量小，具有较高的转矩/惯量比，所以特别适合于高速运行。由于开关磁阻电机的转矩是靠定、转子的凸极效应产生，与绕组中所通电流极性无关，因此每相绕组中通入的可以是单方向的电流(脉冲)，无须交变。这样不但可使控制每相电流的功率开关元件数量减少一半，而且可以避免一般电压型逆变器中最危险的上、下桥臂元件直通的故障，不但显著降低控制装置的成本，而且大大提高了系统的安全可靠性。1.6运行分析开关磁阻电动机依靠定转子的凸极效应产生电磁转

5、矩，其机理可以用相绕组电感 L随转子位置变化的关系来说明。如果忽略电机磁路饱和的影响，则相绕组电感与电流大小无关；如不计磁场边缘扩散效应，则相绕组电感随转子位置 的变化规律 L()将如图 5-24所示，近似为一梯形波。图4相绕组电感变化规律1.7转矩特性当开关磁阻电机由图 5-23所示的电源供电时，如果电动机匀速旋转，可得 （4） 式中，等号右边第一项为平衡绕组中变压器电势的压降；第二项为电阻压降；第三项为旋转电势所引起的压降，它只有在电感随转子位置而变时才存在，其方向与电感随转子位置的变化率有关：当电感随 角的增大而增大时为正，当电感随角的增大而减小时为负。旋转电势引起的压降为正表示吸收电功

6、率，产生驱动转矩，输出机械功当旋转电势引起的压降为负则表示是发出电功率，产生制动转矩所以在开关磁阻电机中，为获得较大的有效转矩应避免产生制动转矩，在绕组电感开始随转子位置角的增大而减少时应尽快使绕组中电流衰减到零。2开关磁阻电机的基本控制2.1电流控制 从图 5-28可见，功率开关的导通角对电机电流的影响很大，它是控制开关磁阻电机电流和转矩的主要手段。随着 1的减小，电流直线上升阶段的时间 电流就显著增大，电机转矩相应增加。功率开关的关断角 2 则影响电源对电机相绕组的供电时间的长短和续流的过程，它对电机的转矩有直接的影响。实用中多采用保持 2恒定而改变1角的办法来控制开关磁阻电机的电流和转矩

7、。图5定子相电流有效值与1 、2 的关系2.2转矩控制在实际电机中，当定、转子齿相互对齐气隙比较小时磁路较饱和，需要将电机饱和磁化特性曲线作分段线性化，用所谓准线性化模型来计算电感，据此可较准确地求得开关磁阻电机的平均转矩 （5）及电机输出功率 （6）在开关角 1 、2不变的情况下，开关磁阻电机的转矩和输入电压Us 的平方成正比，和转速的平方成反比，具有与串激直流电动机相仿的机械特性在一定转速下提前导通功率开关，即减小1 角，可增加相电流直线上升时间，增大了电机的转矩在 1一定的情况下，增加2 ，使产生电磁转矩的区间增加， 也可以使平均转矩增大。但是 2过大时续流阶段可能会产生制动转矩，这是不

8、利的一面。2.3单四拍运行(每相通电14周期)在这种运行方式中，电源向绕组供电的时间在 1/4周期左右，再加上续流时间，整个通电过程中相绕组有可能均处在电感随转角而增长的环境中，电流能有效地产生电磁转矩。图6开关磁阻电动机单四拍运行转矩脉动2.3 机械特性开关磁阻电机低速运行时通电周期比较长，通常采用斩波 (PWM)控制，通过改变设定电流的大小来控制输出转矩，实现恒转矩运行。当电机进入较高速度后，功率开关导通时间缩短，电机达不到限流值，此时主要靠控制 1 角实现恒功率特性。当电机转速进一步升高后1 和2已达到极限值，电机就进入恒定 1 和2的运行方式，电动机的转矩与转速平方成反比，呈现出串励电

9、动机的机械特性。开关磁阻电动机完整的机械特性如图所示图7开关磁阻电动机机械特性3.开关磁阻电动机的控制系统开关磁阻电动机由于运行模式比较复杂，一般多采用微机数字控制，其结构框图如图 5-34所示，其中较为特殊的部分是它的位置检测系统和功率变换器。图8开关磁阻电机控制系统结构框图3.1位置检测系统开关磁阻电动机中为准确地控制定子绕组通电时刻(相位)，需要在电机轴端安装一个转子位置检测器，作为相位控制的定位基准信号。图 是A、B、C、D四相绕组的功率开关正、反序通电时P、Q两个转子位置传感元件的输出信号波形图9位置检测信号及组合逻辑3.2 功率变换器功率变换器在系统中的作用主要有：（1） 起开关作

10、用使相绕组及时通、断，保证电机产生预期的转矩（2） 为电机系统提供能源（3） 组储能提供回馈路径3.3主电路主电路每组只用一个功率开关和一个续流二极管，但它的电源电压为电机相电压的二倍，致使开关元件的电压定额成倍提高。图10四相开关磁阻电动机原理接线图4. 开关磁阻电机的特点及应用前景开关磁组电动机调速系统之所以能在现代调速系统中异军突起，主要是因为它卓越的系统性能，主要表现在：l 结构简单；电动机结构简单、成本低、可用于高速运转。l 电路可靠；功率电路简单可靠。因为电动机转矩方向与绕组电流方向无关，即只需单方相绕组电流，故功率电路可以做到每相一个功率开关。对比异步电动机绕组需流过双向电流，向

11、其供电的PWM变频器功率电路每相需两个功率器件。因此，开关磁阻电动机调速系统较PWM变频器功率电路中所需的功率元件少，电路结构简单。l 系统可靠性高；系统可靠性高。从电动机的电磁结构上看，各项绕组和磁路相互独立，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和磁路共同作用下产生一个旋转磁场，电动机才能正常运转。l 起动优点；起动转矩大，起动电流低。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转矩是本系统的一大特点。l 频繁起停；适用于频繁起停及正反向转换运行。本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小，电动机和控制器发热较连续额定运行时还

12、要小。l 性能好；可控参数多，调速性能好。控制开关磁阻电动机的主要运行参数和常用方法至少有四种：相导通角、相关断角、相电流幅值、相绕组电压。l 效率高损耗小；效率高，损耗小。本系统是一种非常高效的调速系统。这是因为一方面电动机绕组无铜损；另一方面电动机可控参数多，灵活方便，易于在宽转速范围和不同负载下实现高效优化控制。由于 SR电动机的调速性能好、调速范围宽、效率高、成本低等优点，性能上可以与变频调速感应电动机媲美，在性能价格比上可以与无刷电流调速电动机竞争。因此，开关磁阻电动机可以当通用调速电机使用，诸如在纺织、染整、食品机械、鼓风机、机床及自动生产线等行业应用5。此外，开关磁阻电动机还可以

13、应用于电动车驱动、家用电器。在船只驱动上使用开关磁阻电动机可以避免机油、汽油、柴油对水域的污染，还可以减少噪声污染。开关磁阻电动机及其调速系统正处于快速发展阶段，虽然在一些理论和实践问题上还有待深化，但随着电子、微电子技术的发展，开关磁阻电动机一定会展现越来越强大的生命力，应用在更多的领域。5.仿真开关磁阻电动机图11MATLAB仿真图 位置-时间曲线（*=0） 转速-时间曲线（*=0） 位置-时间曲线（*=0.2） 转速-时间曲线（*=0.2） 位置-时间曲线（*=0.5） 转速-时间曲线（*=0.5） 位置-时间曲线（*=1） 转速-时间曲线（*=1） 位置-时间曲线（*=2） 转速-时间

14、曲线（*=2）位置-时间曲线（*=3） 转速-时间曲线（*=3） 位置-时间曲线（*=4） 转速-时间曲线（*=4） 位置-时间曲线（*=5） 转速-时间曲线（*=5） 位置-时间曲线（*=6） 转速-时间曲线（*=6） 位置-时间曲线（*=7） 转速-时间曲线（*=7）位置-时间曲线（*=10） 转速-时间曲线（*=10）6. 结论通过以上MATLAB对电机得仿真研究，我们可以知道，开关磁阻电机的反应速度较快，最终能达到我们需要的转速，可靠性较高。参考文献1 微特电机及系统M. 中国电力出版社, 2004.2 辜承林, 陈乔夫, 熊永前, 等. 华中科技大学出版, 2003J. P319,

15、333. 3 电力电子学M. 高等教育出版社, 2002.4 马志源. 电力拖动控制系统M. 科学出版社, 2004.5 范宏才，盛伯浩多轴联动机床AC转轴镗铣头结构J功能部件，2007，26(2)：1001026 王志永. 摆线齿锥齿轮数控加工装备及其数字化制造关键技术的研究 DD. 中南大学, 2010.7 林剑峰, 闫明, 郑鹏, 等. 直驱式 A/C 轴双摆角铣头模态分析J. 机械传动, 2010, 34(004): 61-63.8 王卫朝. 力矩电动机直驱技术在双摆角铣头中的应用J. 制造技术与机床, 2013 (2).9 李新兵, 张继勇. 高性能永磁同步电机交流伺服系统的研究J.

16、 机电工程, 2005, 22(4): 30-32.5 Pollock H, Pollock C, Walter R T, et al. Low cost, high power density, flux switching machines and drives for power toolsC. IEEE IAS Annual Meeting, 2003: 132-137. 6 Wu Hongxing, Li Liyi, Kou Baoquan. Research for the diver of hybrid excitation switched reluctance motorJ.

17、11th International Conference on Electrical Machines and Systems, Wuhan, 2008: 3668-3672. 7 Cailleux H, Mouchoux J C, Multon B. Comparison of measurement methods to determine the electroma-gnetic characteristic of switched reluctance motorsJ. Electric Drive Design and Applications, 1994, 19(20): 639-644. 8 Li Y, Lipo T A. A doubly salient permanent magnet motor capa