开关磁阻电机课件20116整理

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。在第一类电机中，运动是定、转子两个磁场相互作用的结果。这种相互作用产生使两个磁场趋于同向的电磁转矩，这类似于两个磁铁的同极性相排斥、异极性相吸引的现象。目前大部分电机都是遵循这一原理，例如一般的直流电机和交流电机。第二类的电机，运动是由定、转子间气隙磁阻的变化产生的。当定子绕组通电时，产坐一个单相磁场，其分铀要遵循“磁阻最小原则”，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，这类似于磁铁吸引铁质物质的现象。开关磁阻电机就是属于这一类型的电机。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1838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。70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一台现代开关磁阻电机的雏形。1980年，Lawrenson及其同事在ICEM会议上，发表著名论文“开关磁阻调速电动机”，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SR电机的地位，这也标志着SRD正式得到国际认证。从此，世界上大批学者投入到SR电机的研究领域。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SRD系统的研究工作。通过20多年的研究和改进，SRD的性能不断提高，目前已能在数百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。开关磁阻电机发展历史2.1SRD传动系统2.1.1SRD传动系统的组成SR电动机定、转子实际结构

工作机理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。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。一、开关磁阻电机（SwitchedReluctanceMotor)

1.结构特点1定子和转子均为凸极结构；2定子上空间相对的两个极上的线圈串联或并联构成一相绕组3定子集中绕阻、绕组为单方向通电4转子上无绕组5最常见的组合为6/4极，8/6极或12/8极。2.1.2运行原理：磁阻最小原理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磁场的轴线重合A-A’通电⃗

1-1‘与A-A’重合B-B’通电⃗

2-2‘与B-B’重合C-C’通电⃗

3-3‘与C-C’重合D-D’通电⃗

1-1‘与D-D’重合依次给A-B-C-D绕组通电，转子逆励磁顺序方向连续旋转例：12/8极三相开关磁阻电动机以不同的颜色表示磁场强弱，蓝色磁场最弱，绿色强当某一相通电时，磁极极尖处磁场强转速的计算设：定子绕组为m相，定子齿数Ns=2m，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。这样定子需轮流通电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fph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则为

1、依次给A-B-C-A绕组通电，转子逆励磁顺序方向连续旋转。改变绕组导通顺序，就可改变电机的转向。2、通电一周期，转过一个转子极距tr=360/Nr3、步距角qb=tr/m=360/(mNr)4、转矩方向与电流无关,但转矩存在脉动。5、需要根据定、转子相对位置投入激励。不能像普通异步电机一样直接投入电网运行，需要与控制器一同使用。结论：2.1.3开关磁阻电动机的相数与结构

相数与级数关系1、为了避免单边磁拉力，径向必须对称，所以双凸极的定子和转子齿槽数应为偶数。2、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。SR电动机常用的相数与极数组合

相数3456789定子极数681012141618转子极数46810121416步进角(度)3015964.283.212.5SR电机常用方案相数与转矩、性能关系：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SRM低于三相的SRM没有自起动能力2.2SR电机基本方程与性能分析不计磁滞、涡流及绕组间互感时，m相SR电机系统示意图

J—转子与负载的转动惯量

TL—负载转矩由转矩公式可知：开关磁阻电机的转矩大小与电流平方成正比，因此转矩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，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。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。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下降之前提前关断绕组。机械运动方程：式中Te——电磁转矩；

J——系统的转动惯量；

KΩ——摩擦系数；

TL——负载转矩。

2.2.2基于理想线性模型的SR电动机分析

线性模型：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1023045

SR电机相电感随转子位置变化=1位置转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置statorrotor1stator=0o位置rotor定子磁极轴线与转子凹槽中心重合=0ostator=2位置rotor转子磁极前沿与定子磁极前沿相遇位置2stator=3位置转子磁极前沿与定子磁极前沿重合位置rotor3stator=4位置rotor转子凹槽前沿与定子磁极后沿重合位置4stator=5位置rotor转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置5相电流解析分析第k相绕组模型续流结束角on<2:在电感上升前开通，迅速建立电流，以获得足够转矩>2:电感上升，使绕组电流下降off<3:在电感达最大之前，绕组关断，绕组续流。3<z<4(θz=2θoff-θon)在电感下降之前，续流结束。否则会产生反向转矩典型电流波形不同开通角下电流波形特点：开通角越小，电流幅值越大，续流时间越长。不同关断角下电流波形1)on

是控制转矩的重要参数：一定时，若开通角on较小，相电流直线上升时间较长，从而增大电流，提高转矩。2)在on一定时，增大off,平均转矩也相应增大。但导通角c=off-on有一个最佳值，超过此值，c增大，平均转矩反而减小。讨论：2.3SR电机的控制原理SR电机固有机械特性：F为以电机结构参数(m，Nr，2，Lmax，Lmin)和控制参数(on,off)为变量的函数整理得：对一定电机，结构参数一定。如Us、on

、off一定，则电机的固有机械特性为：

Tav=k/2P=k/

基本控制策略A.低速时的电流斩波控制（Currentchoppingcontrol-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.高速时的角度位置控制（Angularpositioncontrol-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。

SR电动机的基本机械特性

SR电机的基速SR电机的固有机械特性类似与直流电机的串励特性。对给定SR电机，在最高电压Us和最大允许电流条件下，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，称为基速。2.4SRM功率变换器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。

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。对功率变换器主电路的要求

（1）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组；（3）主开关器件的电压额定值与电动机接近；（4）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，有效地控制相电流；（6）能将能量回馈给电源。2.4.1主电路常见形式1、双开关型每相有两只主开关和两只续流二极管。当两只主开关VT1和VT2同时导通时，电源US

向电机相绕组供电；当VT1和VT2同时关断时，将电机的磁场储能以电能形式迅速回馈电源，实现强迫换相。。双开关型电路特点：1）适用于任意相数SR电机2）相控独立性：独立3）相电压=电源电压4）器件数量多

三相SR电机常采用双开关型主电路双开关型主电路又称为不对称半桥型主电路2、H桥型

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。它要求每一瞬间必须上、下各有一相导通。工作制：AB-BC-CD-DAH桥型电路的特点1）只适用于4的倍数相SR电机2）主开关数较少3）相控独立性：不独立4）相绕组电压浮动5）本电路特有的优点:可以实现零压续流，提高系统的控制性能。H桥型电路为4相SR电机最常用的主电路形式4相SR电机主电路工作方式4相8/6极SR电机主电路方式1：单管斩波方式，需增加一个公共开关V0,PWM斩波由V0完成，V1-V4只负责换相.V0导通V0关断AB两相导通时工作情况方式2：四相斩波方式V1-V4不仅担负换相任务，还要进行PWM斩波两导通相对应的开关V1、V2同时开通或关断主电路续流方式3：两相斩波方式主电路同方式2，V1和V3进行PWM斩波控制，工作情况较复杂斩波：V1关断，续流换相：V2关断，V1导通换相：V1关断，V2导通

主电路设计实例

系统的主要技术指标

额定功率：30kW；额定转速：1500r/min；转速范围：50~2000r/min电源：三相交流380V/50Hz；双向运行，停车制动；起动转矩：1.5190Nm；过载能力：120%。功率变换器主电路

器件的选用

IGBT模块结构图

EXB841原理图

IGBT驱动电路

EXB841典型应用电路

2.5SRM传动系统的反馈信号检测2.5.1位置检测与换相逻辑光电传感器静止部分运动部分红外发光二极管、光敏三极管、辅助电路与SRM转子同轴安装的遮光盘、遮光盘有6个30o间隔的齿位置检测位置信号检测电路原理图VG为光耦，R1、R2限流电阻，两个非门对输出信号进行整形，以消除毛刺和上升沿、下降沿。光电耦合器件4相SR电机位置传感器安装示意图定子上安装两个相距75o的光敏器件S、P,分别与定子极中心线成37.5o夹角。可输出两路相差15o、占空比为50%的方波信号将其组合为4种不同状态，代表定子绕组4种不同参考位置位置1：0o导通相分析：令转向为逆时针旋转，则应为A、B两相导通位置传感器信号：S未遮，输出高电平，持续15o。P被遮，输出低电平，持续30o。位置2：转过15o导通相分析：令转向为逆时针旋转，则应为B、C两相导通位置传感器信号：S被遮，输出低电平，持续30o。P被遮，输出低电平，持续15o。位置3：转过30o导通相分析：令转向为逆时针旋转，则应为C、D两相导通位置传感器信号：S被遮，输出低电平，持续15o。P未遮，输出高电平，持续30o。位置4：转过45o导通相分析：令转向为逆时针旋转，则应为D、A两相导通位置传感器信号：S未遮，输出高电平，持续