开关磁阻电机驱动系统的运行原理及应用

1、附录资料：不需要的可以自行删除开关磁阻电机驱动系统的运行原理及应用（低轴阻发电机参考资料）1 引言 开关磁阻电机驱动系统(SDR)具有一些很有特色的优点:电机结构简单、坚固、维护方便甚至免维护，启动及低速时转矩大、电流小;高速恒功率区范围宽、性能好，在宽广转速和功率访问内都具有高输出和高效率而且有很好的容错能力。这使得SR电机系统在家用电器、通用工业、伺服与调速系统、牵引电机、高转速电机、航空航天等领域得到广泛应用。 SR电机是一种机电能量转换装置。根据可逆原理，SR电机和传统电机一样，它既可将电能转换为机械能电动运行，在这方面的理论趋于成熟;也可将机械能转换为电能发电运行，其内部的能量转换关

2、系不能简单看成是SR电动机的逆过程。本文将从SR电机电动和发电运行这两个角度阐述SR电机的运行原理。2 电动运行原理 2.1 转矩产生原理 控制器根据位置检测器检测到的定转子间相对位置信息，结合给定的运行命令(正转或反转)，导通相应的定子相绕组的主开关元件。对应相绕组中有电流流过，产生磁场;磁场总是趋于“磁阻最小”而产生的磁阻性电磁转矩使转子转向“极对极”位置。当转子转到被吸引的转子磁极与定子激磁相相重合(平衡位置)时，电磁转矩消失。此时控制器根据新的位置信息，在定转子即将达到平衡位置时，向功率变换器发出命令，关断当前相的主开关元件，而导通下一相，则转子又会向下一个平衡位置转动;这样，控制器根

3、据相应的位置信息按一定的控制逻辑连续地导通和关断相应的相绕组的主开关，就可产生连续的同转向的电磁转矩，使转子在一定的转速下连续运行;再根据一定的控制策略控制各相绕组的通、断时刻以及绕组电流的大小，就可使系统在最隹状态下运行。 HYPERLINK /showpic.html l blogid=4c1b4a440100ln89&url=/orignal/4c1b4a44t914934e8e819 t _blank 图1 三相sr电动机剖面图 从上面的分析可见，电流的方向对转矩没有任何影响，电动机的转向与电流方向无关，而仅取决于相绕组的通电顺序。若通电顺序改变，则电机的转向也发生改变。为保证电机能连

4、续地旋转，位置检测器要能及时给出定转子极间相对位置，使控制器能及时和准确地控制定子各相绕组的通断，使srm能产生所要求的转矩和转速，达到预计的性能要求。 2.2 电路分析 图2中电源vcc是一直流电源，3个电感分别表示srm的三相绕组，igbt1igbt6为与绕组相连的可控开关元件，6个二极管为对应相的续流二极管。当第一相绕组的开关管导通时，电源给第一相励磁，电流的回路(即励磁阶段)是由电源正极上开关管绕组下开关管电源负极，如图2(a)所示。开关管关断时，由于绕组是一个电感，根据电工理论，电感的电流不允许突变，此时电流的续流回路(即去磁阶段)是绕组上续流二极管电源下续流二极管绕组，如图2(b)

5、所示。 HYPERLINK /showpic.html l blogid=4c1b4a440100ln89&url=/orignal/4c1b4a44t74edb8cd275d t _blank 图2 srm电路工作示意图 2.3 能量转换关系 当忽略铁耗和各种附加损耗时，srm工作时的能量转换过程为:通电相绕组的电感处在电感上升区域内(转子转向“极对极”位置)，当开关管导通时，输入的净电能一部分转化为磁场储能，一部分转化为机械能输出;当开关管关断时，绕组电流通过二极管和电源续流，存储的磁场储能一部分转化为电能回馈电源，另一部分则转化为机械能输出。 2.4 sr电动机的运行特性12 sr电动机

6、运行速度低于fc(第一临界速度)的范围内，为了保证max和i不超过允许值，采用改变电压、导通角和触发角三者中任一个或任两个，或三者同时配合控制。当sr电动机在高于fc范围运行时，在外加电压、导通角和触发角都一定的条件下，随着转速的增加，磁链和电流将下降，转矩则随着转速的平方下降(如图3中细实线)。为了得到恒功率特性，必须采用可控条件。但是外施电压最大值是由电源功率变换器决定的，而导通角又不能无限增加(一般不能超过半个转子极距)。因此，在电压和导通角都达最大时，能得到的最大功率的最高转速sc被称之为“第二临界转速”。当转速再增加时，由于可控条件都已经达到极限，转矩将随转速的二次方下降，如图3所示

7、。图3 sr电动机的运行特性 开关磁阻电机一般运行在恒转矩区和恒功率区。在这两个区域中，电机的实际运行特性可控。通过控制条件，可以实现在粗实线以下的任意实际运行特性。而在串励特性区，电机的可控条件都已达极限，电机的运行特性不再可控，电机呈现自然串励运行特性，故电机一般不会运行在此区域。 运行时存在着第一、第二两个临界运行点是开关磁阻电机的一个重要特点。采用不同的可控条件匹配可以得到两个临界点的不同配置，从而得到各种各样所需的机械特性，这就是开关磁阻电动机具有优良调速性能的原因之一。从设计的观点看，两个临界点的合理配置是保证sr电动机设计合理，满足给定技术指标要求的关键。 从控制角度看，在上述两

8、个区域采用不同的控制方法，在第一临界转速以下一般采用电流斩波控制方式(ccc方式)，在第一、第二临界转速之间采用角度位置控制方式(apc方式)。3 发电运行原理 3.1 开关磁阻发电机(switched reluctance generator)简介 开关磁阻发电机(srg)的研究始于20世纪80年代末。初期它是被用作飞机上的起动/发电机的，所以，又称为sr起动/发电机456。由于开关磁阻电机在航天飞机中的广阔应用前景，引起了一些国家政府部门和航天企业的高度重视。1990年美国空军(usaf)、wright实验室、wpafb联合与通用电气飞机发动机公司(general electric air

9、craft engine)签约，共同资助ge公司开展开关磁阻组合起动/发电机的研究。lucas航空公司(lucas aerospace)也开展了sr起动/发电机的研究，认为sr起动/发电机可以在飞机发动机熄火的紧急情况下，由风力发动机(windmilling engine)驱动为众多的机载设备提供更加可靠的应急电源。 我国在sr发电机的领域也开展了相关的研究活动。其中西北工业大学、西安交通大学在国家“九五”预研基金和国家教委博士点基金的资助下进行sr起动/发电机的相关研究，研制了4kw的sr起动/发电机3。南京航天航空大学也开展了sr发电机的研究工作。与其它发电机相比，开关磁阻发电机具有独特的

10、结构特点: (1) 结构简单其定、转子均为简单的叠片式双凸极结构，定子上绕有集中绕组，转子上无绕组及永磁体; (2) 容错能力强，无论从物理方面还是从电磁方面来讲，电机定子各相绕组间都是相互独立的，因而在一相甚至两相故障的情况下，仍然能有一定功率的电能输出; (3) 可以作成很高转速的发电装置，从而达到很高的能流密度。 3.2 转矩产生原理 如图4所示，与电动运行时不同，绕组在转子转离“极对极”位置(即电感下降区)时通电，产生的磁阻性电磁转矩趋使电机回到“极对极”位置，但原动机驱动转子克服电磁转矩继续逆时针旋转。此时电磁转矩与转子运动方向相反，阻碍转子运动，是阻转转矩性质。图4 三相sr发电机

11、剖面图 当转子转到下一相的“极对极”位置时，控制器根据新的位置信息向功率变换器发出命令，关断当前相的主开关元件，而导通下一相，则下一相绕组会在转子转离“极对极”位置通电。这样，控制器根据相应的位置信息按一定的控制逻辑连续地导通和关断相应的相绕组的主开关，就可产生连续的阻转转矩，在原动机的拖动下发电。 3.3 电路分析 根据法拉第电磁感应定律“运动导体在磁场中会产生电势”，而srg转子仅由叠片构成，没有任何带磁性的磁体。这就需要在srg发电前有电源提供给srg励磁，使其内部产生磁场。所以，srg的特点是首先要通过定子绕组对电机励磁。这一点和其它发电机有着很明显的区别。srg的工作原理如下: 图5

12、中电源vcc是一直流电源，既可以是电池，也可以是直流电机。三个电感分别表示srg的三相绕组，igbt1igbt6为与绕组相连的可控开关元件，6个二极管为对应相的续流二极管。当第一相绕组的开关管导通时(即励磁阶段)，电源给第一相励磁，电流的回路是由电源正极上开关管绕组下开关管电源负极，如图5(a)所示。开关管关断时，由于绕组是一个电感，根据电工理论，电感的电流不允许突变，电流的续流回路(即发电阶段)是绕组上续流二极管电源下续流二极管绕组，如图5(b)所示。 3.4 能量转换关系 当忽略铁耗和各种附加损耗时，srg工作时的能量转换过程为:通电相绕组的电感处在电感下降区域内(转子转离“极对极”位置)

13、，当开关管导通时，输入的净电能转化为磁场储能，同时原动机拖动转子克服srg产生的与旋转方向相反的转矩对srg做功使机械能也转化为磁场储能;当开关管关断时，srg绕组电流续流，磁场储能转化为电能回馈电源，并且机械能也转化为电能给电源充电。图5 srg电路工作示意图 3.5 sr发电机的运行特性 sr发电机的运行特性与sr电动机的运行特性类似，只不过将曲线沿速度轴翻转到转矩为负的第四象限，在此不再赘述。4 结束语 虽然srd系统的发展历程仅仅二十余年，但它取得了令人瞩目的成绩。其产品已在电动车用驱动系统、家用电器、工业应用、伺服系统、高速驱动、航空航天等众多领域得到成功应用，其功率范围也覆盖了从1

14、0w到5mw的宽广范围。它已成为现代调速系统中一支不可忽视的竞争力量。作为一种结构简单、鲁棒性能好、价格便宜的新型调速系统，开关磁阻电机及其调速系统引起各国电气传动界的广泛关注和浓厚兴趣，在世界范围内，正在形成理论研究和实际应用齐头并进的发展趋势。附录资料：不需要的可以自行删除 机械原理总复习第二章一基本概念：1机构的组成;2运动副的概念;3机构自由度的计算,注意复合铰链、局部自由度和虚约束的处理;4机构具有确定运动的条件 5何谓机构运动简图；它与实际机构有何异同。二填空题：1 根据机构的组成原理，任何机构都可以看作是由（机架）、（主动件）和（从动件）组成的。2 两构件之间线接触所组成的平面运

15、动副，称为（高） 副，它产生（1个）约束，而保留（2个）自由度。3机构具有确定运动的条件（原动件数目等于自由度数目）。三计算分析题：1 计算如图所示机构的自由度，并指出复合铰链、局部自由度和虚约束。2计算如图所示机构的自由度，并指出复合铰链、局部自由度和虚约束，如果以凸轮为原动件，该机构是否具有确定的运动？为什么?3如图所示为齿轮连杆机构，试分析： 1） 该机构自由度为多少？（要计算过程） 2） 试用瞬心法求齿轮1与3的传动比1/3 第三章一 基本概念：1连杆机构的传动特点；2平面四杆机构的类型；3有曲柄存在的条件，急回特性，传动角与压力角，死点及死点与自锁的区别等概念；4矢量方程图解法，瞬心

16、法，三心定理，怎样求瞬心，绝对瞬心与相对瞬心的区别。二 填空题：1 对心曲柄滑块机构以曲柄为原动件时，其最大传动角为（90）。2 3个彼此作平面平行运动的构件间共有( 3 )个速度瞬心,这几个瞬心必定位于(同一直线上 );3 含有6个构件的平面机构,其速度瞬心共有( 15)个,其中有( 5)个是绝对瞬心,有( 10)个是相对瞬心;4 一对心曲柄滑块机构中，若改为以曲柄为机架，则将演化为（回转导杆）机构。 5 在平面四杆机构中，能实现急回运动的机构有（曲柄摇杆机构）、（双曲柄机构）等。 6相对瞬心与绝对瞬心的相同点是（两构件上的同速点），不同点是（绝对速度为零及不为零），在有六个构件组成的机构中

17、，有（15）个瞬心。7图1三种四杆机构分别是：1）(曲柄摇杆) 、2）(双曲柄 )、3）(双摇杆) 三 简答题：1 铰链四杆机构在死点位置时，驱动力任意增加也不能使机构产生运动，这与机构的自锁现象是否相同？试加以说明。 答：不同。死点位置驱动力在驱动方向的分力为0；自锁是驱动力克服不了摩擦阻力所做的功。2 平面铰链四杆机构存在曲柄的条件是什么？ 答：最长杆最短杆之和小于等于其余两杆之和，机架或连架杆为最短杆。3 在对机构进行速度分析时，速度瞬心法一般适用于什么场合？能否利用速度瞬心法对机构进行加速度分析? 答：构件比较简单的场合，且各构件间的速度瞬心容易确定，且直观，不能对机构进行加速度分析。

18、4四杆机构中压力角与传动角有什么关系？它们对传动性能有何影响？ 答：压力角与传动角互余。压力角越大，传动越不利；传动角越大，传动越有利。5在曲柄滑块机构中，当以曲柄为原动件时，是否有死点位置？为什么？ 答：没有因为在曲柄滑杆机构的最小传动角始终大于0四 分析计算题：1 如图3所示铰链四杆机构中，各杆的长度为杆1为28mm，杆2为52mm,杆3为50mm，杆4为73mm，当取杆4为机架时，求机构的极为夹角，杆3的最大摆角max，机构的最小传动角min(结果可以作图量取)。2图示铰链四杆机构中，已知BC=50mm, DC =35mm, AD =30mm,试问： 若此机构为曲柄摇杆机构，且AB杆为曲

19、柄，AB的最大值为多少？ 若此机构为双曲柄机构，AB的最大值为多少？若此机构为双摇杆机构，AB应为多少？3 用图解法设计摆动导杆机构，已知行程速比系数K=1.5，曲柄长。求机架长。4 设计一铰链四杆机构，如图已知其摇杆CD的长度为75mm，极位夹角等于36，机架AD的长度为100mm，摇杆的一个极限位置与机架间的夹角=45。求曲柄AB 的长度，连杆BC的长度，及该机构的最小传动角min（不必求具体值，只需画出出现最小传动角min时的机构位置图并在图上标出min即可） T4 T5 5 图示机构运动简图中，l=1(mm/mm),AB杆的角速度为1，方向如图6所示，试用瞬心法求CD杆的角速度3的大小

20、及方向。第四章一基本概念：1 凸轮机构的分类;2常用的名词术语（如基圆、推程、推程压力角、回程、回程压力角等）；3推杆常用的运动规律及其特点;4凸轮机构的压力角有何要求；减小推程压力角可采用哪些措施？二 填空题：1在凸轮机构推杆的四种常用运动规律中(一次多项式) 运动规律有刚性冲击, (二次多项式) 运动规律有柔性冲击; (正弦) 运动规律无冲击;2 偏心直动凸轮机构的压力角过大时，可通过 （增大基圆半径）和 （增大凸轮远程运动角）来减小压力角。 3凸轮的基圆半径是从（凸轮回转轴心）到（凸轮）的最短距离。 三 分析题：1一对心直动尖顶推杆偏心圆凸轮机构，O为凸轮几何中心，O1为凸轮转动中心，O

21、1O=0.5OA，圆盘半径R=60mm。1)根据图a 及上述条件确定基圆半径r0、行程h，C点压力角c和D点接触时的位移SD及压力角D.2)若偏心圆凸轮几何尺寸不变，仅将推杆由尖顶改为滚子，见图b，滚子半径rT=15mm。试问上述参数r0、h、c和SD、D有否改变？如认为没有改变需说明理由，可不必计算数值；如有改变也需说明理由，并计算其数值。在图示的凸轮机构中，凸轮为原动件，其形状为一偏心轮，（1）画出基圆，并在图上指出其基圆半径rb; 画出机构在图示位置时推杆位移和压力角; 画出凸轮由图示位置沿逆时针方向转90后推杆位移和压力角.第五章一基本概念：1 齿廓啮合基本定律;2渐开线的特性;3渐开

22、线齿廓的啮合特点;4渐开线齿轮的基本参数和几何尺寸;5一对齿轮的正确啮合条件;6斜齿轮当量齿轮的含义；7什么叫齿轮传动的重合度？其意义何在？8渐开线齿轮变位修正的目的。二填空题：1内啮合斜齿圆柱齿轮传动的正确啮合条件是( 模数和压力角应分别相等且螺旋角相同 )，蜗轮蜗杆的正确啮合条件是（ 蜗杆的轴面模数和压力角分别等于涡轮的端面模数和压力角mx1=mt2，ax1=at2=a ） ; 2一对斜齿圆柱齿轮传动的重合度由( 端面重合度，轴向重合度 )两部分组成,斜齿轮的当量齿轮是指( 以法向压力角为压力角，以法向模数为模数作的 )的直齿轮;3渐开线齿轮的齿廓形状取决于（ 基圆 ）半径的大小，其值越大

23、齿廓形状越 （ 接近直线 ）。4采用（ 范成法 ）切制渐开线齿廓时发生根切的原因是（ 刀具的顶部会过多的切入轮齿根部，因而将齿根的渐开线切去一部分 ）。5斜齿轮的当量齿数ZV = （ z/cos3B ），圆锥齿轮的当量齿数ZV = （ z/cosa ）。6一个采取负变位修正的直齿圆柱齿轮与同样基本参数的标准齿轮相比较，其（ 齿顶 ）圆及（ 齿根 ）圆变小了；而（ 基 ）圆及（ 分度 ）圆有大小则没有变。三简答题：1简述渐开线的主要特性，并写出参数方程。 答：（1）发生线上BK线段长度等于基圆上被滚过的弧长AB，即BK=AB（2）发生线BK即为渐开线在K点的法线，又因发生线恒切于基圆，故知渐开线

24、上任意点的法线恒与其基圆相切（3）发生线与基圆的切点B也是渐开线在K点处的曲率中心，线段BK就是渐开线在K点处的曲率半径。（4）渐开线的形状取决于基圆的大小（5）基圆以内无渐开线，渐开线极坐标方程： Rk=Rb/cosk2对齿轮进行变位修正的目的是什么？ 答：由于标准齿轮可能会产生根切；可能无法安装；可能产生过大的尺侧间隙，影响传动的平稳性，重合度降低；一对相互啮合的标准齿轮中，由于小齿轮齿廓渐开线的曲率半径较小，齿根厚度也较薄，参与啮合的次数又较多，强度较低，影响到整个齿轮传动的承载能力。为了改善上述不足，故采用变位修正的方法进行修正。3一对标准齿轮传动的实际中心距 大于标准中心距 时，其传

25、动比有无变化？它们还能正确啮合吗？其重合度有无改变？ 答：无变化;能;减小4简述渐开线标准斜齿圆柱齿轮当量齿数Zv 的用途。 答：可求得渐开线标斜齿圆柱齿轮不发生根切的最少齿数，并根据换算的结果选择加工的标准齿轮刀具。5渐开线齿轮的基本参数有哪几个？其中哪些是有标准的？为什么说这些参数是齿轮的基本参数？ 答：齿数z,模数m,压力角 ，齿顶高系数ha*，顶隙系数c*压力角、齿顶高系数和顶隙系数是标准的，因为这些参数能够决定了齿轮的大小及齿轮齿廓的形状。 6 简述渐开线齿廓的啮合特点。 答：（1）能保证定传动比传动且具有可分性（2）渐开线齿廓之间的正压力方向不变7什么叫齿轮传动的重合度？其意义何在

26、？ 答：在一对轮齿的啮合传动过程中，实际啮合线段B1B2与法向齿距Pb的比值称为齿轮传动的重合度重合度的大小表示同时参与啮合的齿轮对数的平均值。重合度大，以为着同时参与啮合的齿轮对数多，对提高齿轮传动的平稳性和承载能力都有重要意义第六章一基本概念：1轮系传动比的计算，及各轮转向的判定;2轮系的功用.一填空题：1周转轮系中的基本构件( 中心轮，行星轮，行星架 );2周转轮系中，若自由度为2，则称其为（差动轮系），若自由度为1，则称其为（行星轮系）。二简答题:1什么叫周转轮系？ 答：传动时,轮系中至少有一个齿轮的几何轴线位置不固定，而是绕另一个齿轮的固定轴线回转,这种轮系被称为周转轮系。2简述轮系

27、的功用。 答：1 实现两轴间远距离的运动和动力的传动、2 实现变速传动、3 实现换向传动、4 实现差速作用。三计算题：1如图所示轮系中，已知各轮齿数为Z1Z225，Z2Z3=20，ZH=100，Z420。试求传动比i14。2如图2所示已知齿轮1的转速n1=200r/min，而Z1=40，Z2=20，Z3=80。求1)nH的大小及方向T2 3如图所示轮系中，已知各轮齿数为Z160，Z220，Z220，Z320，Z4=20，Z5=100，试求传动比i41。 第十一章一基本概念：1力的分类，驱动力与阻抗力的区别；2惯性力的确定方法；3运动副中摩擦力的确定；4总反力的概念及其判定方法。二分析题：1如图

28、所示定滑轮2的直径为D，虚线圆为转动副A中的摩擦圆，其半径为，F为驱动力，垂直向下。若不及绳与轮间的摩擦力，试求：1）在图上标出转动副A中的总反力FR12的位置和方向；2）使重物Q等速上升的驱动力F（用Q表示）；3）该滑轮的机械效率 在如图2所示机构中，已知各构件的尺寸及1为常数（逆时钟方向）。试确定：图示位置的瞬心P13及P14的位置及滑块4的速度v4（用1表示）；各运动副中的总反力R51、R12、R52、R23及R54的方位（不考虑各构件重量及惯性力；图中M及P为外力，虚线小圆为摩擦圆，运动副B和移动副E处摩擦角为=10；要求分别作图）。第十二章一基本概念：1机械效率的定义，机械效率的意义；2什么叫机构的自锁;3机械自锁的条件.二填空题：1设螺纹的升角为，接触面的当量摩擦系数为（ fv ）,则螺旋副自锁的条件为（2移动副的自锁条件是（ 驱动力作用于摩擦角内 ） ，转动副的自锁条件是（ 驱动力作用于摩擦角圆内 ） ，从效率的观点来看，机构的自锁条件是（ 驱动力做的功小于或等于由其引起摩擦力所做的功 ）。 三简答题：1何谓摩擦圆？为何要引进摩擦圆的概念？摩擦圆的大小与哪些因素有关？ 答：在转动副中，以轴颈中心为圆心，以 肉（密度符号）=fv*r为半径所作的圆称为摩擦圆。因轴承对轴径的总反力FR始终切于摩擦圆，引入摩擦圆有利于判定总反