开关磁阻电动机

1、7-1 SRM 结构与基本原理结构与基本原理7-2 SRM 的简单分析及控制策略的简单分析及控制策略7-3 SRD 功率变换器基础功率变换器基础7-4 SRD 位置传感器位置传感器7-5 SRD 控制器简介控制器简介7-6 SRD 研究概况研究概况1、双凸极结构、双凸极结构2、定子集中绕、定子集中绕组、绕组为单组、绕组为单方向通电方向通电 3、转子无绕组、转子无绕组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

2、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12/8 极三相开关磁阻电动机极三相开关磁阻电动机SR电机：实现机电能量转换，可以为单相、两相、三电机：实现机电能量转换，可以为单相、两相、三相、四相，相、四相，.功率变换器：向电机提供所需电能，由蓄电池或整流功率变换器：向电机提供所需电能，由蓄电池或整流电源供电。电源供电。 SR电机的功率变换器不仅简单，且是与相电机的功率变换器不仅简单，且是与相绕阻串联的，可以防止短路；可以选择具有最少开关绕阻串联的，可以防止短路；可以选择具有最少开关器件的电路

3、，降低成本。器件的电路，降低成本。控制器控制器调速系统的中枢调速系统的中枢1 根据转子位置信号确定导通相，给出触发信号，控制根据转子位置信号确定导通相，给出触发信号，控制功率变换器开关功率变换器开关2 比较给定与反馈信号比较给定与反馈信号(I,n)，采取一定的控制方式，调，采取一定的控制方式，调节转矩、转速节转矩、转速电流检测：斩波控制、过流保护电流检测：斩波控制、过流保护位置检测：确定定、转子相对位置，然后将位置信号反位置检测：确定定、转子相对位置，然后将位置信号反馈到控制电路，决定对应相绕组的通断。馈到控制电路，决定对应相绕组的通断。1 1、为了避免单边磁拉力，径向必须对称，所以、为了避免

4、单边磁拉力，径向必须对称，所以双凸极的双凸极的定子和转子齿槽数定子和转子齿槽数Zs 和和Zr 应为偶数。应为偶数。2 2、ZsZr，但应尽量接近。，但应尽量接近。因为当定子和转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，这是提高电机出力的重随转角的平均变化率，这是提高电机出力的重要因素。要因素。常用极数关系：常用极数关系：Zs=Zr+2相数关系：相数关系：m=Zs/2 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

5、度) 30 15 9 6 4.28 3.21 2.5 SR电机常用方案电机常用方案 相数越多，转矩脉动越小，但成本越高，相数越多，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、单相故常用三相、四相，还有人在研究两相、单相SRM1)1)电动机结构简单、成本低、适用于高电动机结构简单、成本低、适用于高速速, , 开关磁阻电动机的结构比通常认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为最简单的鼠笼式感应电动机还要简单。单。2)2)功率电路简单可靠功率电路简单可靠 因为电动机转矩因为电动机转矩方向与绕组电流方向无关，即只需单方向与绕组电流方向无关，即只需单方向绕组电流

6、，故功率电路可以做到方向绕组电流，故功率电路可以做到每相一个功率开关。每相一个功率开关。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 从电动机的电磁结构上看，各相绕组和磁路从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圆形旋转磁场，组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 控制器从电源控制器从电源侧吸收较少

7、的电流，在电机侧得到较大的起侧吸收较少的电流，在电机侧得到较大的起动转矩是本系统的一大特点。动转矩是本系统的一大特点。 （SR:0.4IN,1.4TN IM:6-7IN,2-3TN）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

8、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。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 7-2 SRM 的分析及其控制策略的分析及其控制策略不计磁滞、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

9、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:所以：所以：电阻压降电阻压降dtdLidtdiiLiLiRdtddtdiiiRUkkkkkkkkkkkkkkkkLeTdtdDdtdJT22diiWci0),(-i),(iWTcediTmNTrNerav/20),(27-2-2 简化线性模型简化线性模型不计磁路饱和，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

10、子位置变化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 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 2stator = 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

11、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)()()(KLLLKL

12、LK=(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 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

13、向转矩典型电流波形典型电流波形为避免繁琐计算，又近似考虑磁路的饱和效应，常为避免繁琐计算，又近似考虑磁路的饱和效应，常借助准线性模型：将实际非线性磁化曲线分段线性，借助准线性模型：将实际非线性磁化曲线分段线性，且不考虑磁耦合且不考虑磁耦合一段为饱和段，视为与一段为饱和段，视为与 =0的位置的的位置的磁化曲线平行磁化曲线平行,斜率为斜率为Lmin；一段为非饱和段，为；一段为非饱和段，为L( ,i)的的 不饱和段。不饱和段。7-2-3 准线性模型分析准线性模型分析实际磁化曲线实际磁化曲线分段线性磁化曲线分段线性磁化曲线i1SR电机控制策略：电机控制策略：可控量为：可控量为：Us、 on 、 off

14、控制法控制法1：固定：固定 on , off，通过电流斩波限，通过电流斩波限制电流，得到恒转矩制电流，得到恒转矩控制法控制法2：固定：固定 on , off，由速度设定值和，由速度设定值和实际值之差调制实际值之差调制Us，进而改变转矩，进而改变转矩*基速以上，角度位置控制基速以上，角度位置控制(APC)，输出恒功率，输出恒功率SRSR电机的典型转矩电机的典型转矩- -转速特性转速特性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

15、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；（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。当当S S和和S1S1同时导通同时导通时，电源时，电源UsUs向电机向电机相绕组相绕组

16、A A供电；供电；当当S S和和S1S1同时关断时，同时关断时，电流经电流经VD1VD1和和VD2VD2续续流，将磁场储能以流，将磁场储能以电能形式迅速回馈电能形式迅速回馈电源，实现强迫换电源，实现强迫换相。相。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 双绕组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；电；当其关断时，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

17、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。 2 2、双绕组型、双绕组型 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

18、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

19、容C2充电。充电。 1）只适用于偶数）只适用于偶数相相SR电机电机2）主开关数较少）主开关数较少3）相控独立性：）相控独立性：不独立不独立4）电源利用率低，）电源利用率低，每相电压为电源电每相电压为电源电压的压的1/2。5）需限制中点电）需限制中点电位漂移位漂移该变换器比四相电容分压型功率变换器主电路少了两个串联的分压电容，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）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