开关磁阻电机

开关磁阻电机

SwitchReluctanceMachine开关磁阻电机及其发展

开关磁阻电机的工作原理开关磁阻电机的控制系统及其实现开关磁阻电机存在的问题及其发展方向

１开关磁阻电机及其发展1.1开关磁阻电机传动系统ＳＲＤ1.2开关磁阻电动机基本工作原理1.3开关磁阻电机传动系统的特点1.4开关磁阻电机发展概况1.1开关磁阻电机驱动系统ＳＲＤSRD（SwitchReluctanceDrive）系统的构成1.1.1开关磁阻电机凸极定子和转子沿直径方向两个定子上的绕组串联为“一相”转子齿数为极数四相8/6极SR电机由同步电机的功角特性可知，凸极电机的电磁功率:SR电机反应式同步磁阻电机定、转子均为凸极结构定子为齿、槽均匀分布的光滑内腔定子绕组为集中绕组定了嵌有多相绕组，近似正弦分布励磁是顺序施加在各相绕组上的电流脉冲。

励磁是一组多相平衡的正弦波电流各相磁链随转子位置作三角波或梯形波变化，不随电流改变各相自感随转子位置作正弦变化，不随电流改变。四相8/6极SR电机定转子实物1.1.2功率变换器能量提供者包括直流电源和开关器件1.1.3控制器和位置检测器控制器要求具有下述性能：（１）电流斩波控制（２）角度位置控制（３）起动，制动，停车及四象限运行（４）调速位置检测器提供转子位置信号，使控制器决定绕组导通和关断1.2开关磁阻电动机的基本工作原理V相通电W相通电U相通电R相通电连续不断按U-V-W-R-U的顺序分别通电，电动机内磁场沿U-V-W-R-U的顺序移动转子沿U-R’-W’-V’方向即逆序转动改变通电的顺序，转子旋转方向改变改变电流的方向，转子旋转方向不变每改变通电一次，定子磁场轴线移动2π/Ns空间角，转子则每次转过τ/m极距定子齿极数Ns=2m，转子齿极数为Nr,相数为m，转子旋转一周，即θ＝2π＝Nrτ，定子m相绕组需轮流通电Nr次。SR电动机的转速n(r/min)与电源输出频率f的关系1.3开关磁阻电机传动系统的特点SRM有较大的电机利用系数，可以是感应电机利用系数的1.2~1.4倍电动机结构简单，转子上没有绕组；定子上只有简单的集中绕组，没有相间跨接线。转矩与电流极性无关，单向电流激励。对转速限制小，可制成高速电动机通过对电流的通断、幅值控制，满足不同负载要求的机械特性SRD系统效率和功率密度在宽广的速度和负载范围内都较高优点有转据脉动转矩由一系列脉冲转矩叠加而成，且有双凸极结构和磁路非线性，合成转据不是恒定转据，有一定的谐波分量噪声与振动大出线头多缺点1.4开关磁阻电机发展概况1838年苏格兰Davidson蓄电池机车1980年英国P.J.Lawrenson1983年英国TASCDrives有限公司第一台SR电机（7.5kW，1500r/min），1984年4～22kW4个规格系列德国1984～1986年1kW、1.2kW、5kW我国1985年开始研制，目前已有350W～30kW等规格1.4.1开关磁阻电机的发展及应用电动车驱动系统家用电器(洗衣机食品加工机械)通用工业（风机泵压缩机龙门刨印花机器）伺服与调速系统牵引电机高转速电机（纺织机航空发动机电动工具离心传动）功率范围

10W(n=10000r/min)~5MW(n=50r/min)转速100000r/min英、美、加、前南斯拉夫、埃及、土耳其美空军和GE公司联合开发航空发动用SRD启动/发电机系统30kW270V52000r/min250kW270V23000r/min我国研制了50W~30kW20个规格SRD

北京纺织研究所、华工、南航、东南、浙大1.4.2开关磁阻电机的相数和结构2SR电机的基本电磁关系及运行原理2.1电感与转子位置角的关系2.2绕组磁链2.3磁化曲线2.4绕组电流2.5转矩与功率2.6开关磁阻电机中的能量关系2.7开关磁阻电机中的数学模型2.8SR电动机的运行状态与控制方式理想SR模型定子绕阻电感L与绕阻电流i无关极尖的磁通边缘效应忽略不计磁导率μ∞忽略所有功率损耗开关动作瞬时完成转子旋转角速度Ω=C2.1电感与转子位置角的关系βs表示定子齿极极弧宽度（角度）2.2绕组磁链“+”——绕组与电源接通“-”——电源断开后续流忽略绕组电阻得或一相电路电压方程又2.2.1一相绕组磁通令开关合闸瞬间（t=0）为初始状态得若关断角为θoff,则关断后磁链变化即整理得一相绕组在通电、断电的一个变化周期内2.2.2开关磁阻电机的磁路及磁链磁路可分为：定子齿极转子齿极定子轭（均匀8段）转子轭（均匀6段）每齿极磁通相位依次滞后τ/mV相通电时的磁链（1）定子齿极的磁通（2）定子轭中的磁通定子轭中磁通以顺时针方向为正齿极磁通以圆心向外为正2.3绕组电流由可得或由于L(θ）是分段函数，对应的在一定的电压和转速条件下，i=f(θ)也是一个分段函数。θ2～θ3θ1～θ2ii上升速度与u成正比，与Ω成反比减小θon，i幅值增大；调节θp，可以改变电流波形宽度θon当电机低速运行时，im很大，必须限幅电流斩波控制方式（CCC）得到SR电动机各部分的磁通、磁阻

不同转子位置角下的磁化曲线ψ＝f(i)。

在线性模型中，电感L仅是位置角θ的函数而与电流无关，因此对某一θ来讲，ψ＝Li为一直线。2.4ψ-i曲线SR电机线性模型2.5转矩与功率静态转矩轴线不重合的某一转子位置角固定不动时的电磁转矩，Ts＝f（i，θ)。静态矩角特性Ts=f(θ)|i=c通过磁场储能Wm或磁共能W’m对转子角位置θ求偏导，静态转矩2.6开关磁阻电机中的能量关系能量传递和能量比当开关导通，单位时间内输入电能ui

一部分增加磁场储能一部分转化为机械能当开关关断

一部分转化为机械能一部分磁场储能返回电源没有机械能输出磁场储能全部返回电源部分机械能变为电能返回电源（制动）磁场储能开关磁阻电机的数学模型2.7开关磁阻电机的数学模型2.8SR电动机的运行状态与控制方式SR电动机运行时，有下列物理状态：起动稳定运行制动运行2.8.1起动运行一相启动方式两相起动方式2.8.2开关磁阻电动机的稳态运行固有机械特性基速以下，φ及i均随n减小而增大，为限制φmax和i，需要调节电压Us和开关角θon，θoff。保持恒转矩，固定θon，θoff，斩波控制外加Us电流限制CCC

电流PWM控制电压PWM控制

Vg-VfUs（有效宽度）基速以上，开关器件导通时间短，i较小n，Φ或i以n－1，T以n－2

通过调节（增大）导通角θc＝

θoff－θon使n，Φ或i以n－1/2，T以n－1恒功率输出导通角θc增大有极限，一般不超过τ/2,即存在第二转速，超过此转速，T与n2成反比，即呈串励特性Φmax、imax下，临界转速n1，第一临界转速（基速），最大转矩时的最高速度u=umax，θc=π/Nr和最佳触发角θon条件下，能达到最大功率时的最高转速，第二临界转速n23开关磁阻电机存在的问题及其发展方向3.1减小SR的转矩脉动3.2SR电机的噪声及其抑制3.3SR发展方向3.1减小开关磁阻电机的转矩脉动原因:依序通电的开关性质双凸极磁饱和非线性措施:设计上：合理设计极弧宽度及磁路饱和运行上：合理控制策略3.2SR电机的噪声及其抑制电磁噪声最严重由3大类组成电磁噪声机械噪声轴承质量零部件加工质量转子动平衡和装配质量不良空气动力噪声由电机内的冷却风扇产生,主要由风扇的型式、叶片和通风道及进出口的结构设计决定3.2.1SR电机的噪声通电产生磁吸力切向力

脉动性转子运行不稳振动转轴和端盖发出噪声不是主要噪声源，只是潜在的噪声源，有可能引起负载系统的谐振径向力脉动的力波,在定、转子齿对槽位置时最小,齿对齿位置时最大转子是实心柱体,刚性,基本不受影响定子是壳体结构,不可避免地产生压缩形变而振动,发出噪声是主要的噪声源，一旦径向磁吸力的谐波频率与定子的固有频率重合,噪声将会十分严重.

3.2.2SR电机噪声的抑制方法防止径向磁吸力的谐波频率与定子固有频率谐振的现象加强定子的刚度和采取阻尼措施减小因绕组换流引起的瞬时冲击径向磁吸力防止电流斩波控制时,斩波频率与定子固有频率谐振采用斜极,减小径向磁吸力引起的机壳振动幅值减小电机的转矩波动,电机与负载间采用挠性联结,从而尽可能降低转子轴振动减小机械及空气动力噪声(1)进一步完善SR电机的设计理论，建立一套效率高、适用于工程设计要求的优化设计方法。结构形式电磁场分析电磁设计性能计算及参数优化SR电机的非线性性能分析和计算较为困难。采用二维非线性有限元方法分析SR电机内的饱和磁场具有局限性:

第一，对以磁路为基础的设计方法研究不够；第二，现有场的方法精度有待提高，应计及端部效应，开展SR电机三维场的研究。在此基础上，开展计算机辅助设计，向智能化方向发展。3.3SR发展方向(2)加强对铁心损耗理论的研究

供电电压及电流波形复杂，一般为单向脉动的非正弦波，定、转子各部分铁心中磁密变化规律也不相同，对定、转子铁心损耗的计算与测量困难。

多是通过实验数据将铁损、铜损及机械损耗进行分离的方法计算铁耗，所以，应寻找建立准确、实用的铁心损耗计算模型和分析测试手段。

(3)加强对转矩脉动及噪声的理论研究，提高SR电机的功率因数。减小SR电机的振动和噪声的关键在于如何减小作用在定子上的径向力。从SR电机自身的结构设计上，主要是合理设计磁场结构、定子磁轭强度和电机刚度，合理选择气隙、极弧参数及励磁方式，优化绕组的拓扑结构。从控制角度看，主要是优选导通角和关断角及调节脉冲宽度，调节好各相工作参数的对称性。(4)完善SR电机静态及动态性能仿真模型

SR电机的性能分析方法还处于探讨阶段，有待进一步完善。(5)完善SR电机、功率变换器及控制器三者之间的协调设计，使整体性能最优。(6)对实用无位置传感器方案的研究开关磁阻电机的设计控制方法的提高控制器的不断更新功率变换器的创新改进检测技术、传感器技术的进步谢谢！附录资料：不需要的可以自行删除2023/3/14甲醇合成工艺介绍一、课题的研究背景和意义甲醇是一种具有多种用途的基本有机化工产品，除了在化工方面的多种应用外，它还可以作为清洁燃料在汽车中代替汽油或与汽油掺混使用，以甲醇为燃料的燃料电池也即将投入商业运行。另外，甲醇在变压吸附制氢中作为裂解原料也得到了初步利用。另一方面，用甲醇制取微生物蛋白(SCP)作为饲料乃至食品添加剂有着巨大的市场潜力。二、甲醇的合成方法及流程

（1）木材干馏法

在1924年以前，甲醇几乎全部是用木材分解干馏来生产的。甲醇的世界产量当时只有4500t。用60－100kg木材干馏只能获得约1kg的甲醇，1m3白桦木只能制得5－6kg的甲醇，而1m3的针叶树木只能得到2－3kg的甲醇。这种“森林化学”的甲醇含有丙酮和其他杂质，要从甲醇中除去这些杂质比较困难。由于甲醇的需要量与日俱增，木材干馏法不能满足需要。因此人们开始采用化学合成的方法生产甲醇。（2）气相合成甲醇法气相合成甲醇的主要反应式为：CO+2H2＝CH3OH(g) △H=-90.8kJ/mol①当有CO2存在时，CO2按下列反应生成甲醇：CO2+H2＝CO+H2O(g) △H=+41.3kJ/mol ②CO+2H2＝CH3OH(g) △H=-90.8kJ/mol ③上述②、③两步的总反应式为：CO2+3H2＝CH3OH(g)+H2O(g)△H=-49.5kJ/mol副反应产物：成烃、高碳醇、醚、醛、酸、酯及单质碳等；反应特点：强放热反应；

以甲烷或者一氧化碳与氢气的混合气为原料气合成甲醇的方法有高压、中压和低压三种方法。高压法：即用二氧化碳与氢在高温（340－420℃）高压（30.0－50.0MPa）下用锌-铬氧化物催化剂合成甲醇。用此法生产甲醇已有七十多年的历史，这是八十年代以前世界各国生产甲醇的主要方法。高压法合成甲醇由于操作压力高，动力消耗大，设备复杂，产品质量差等缺点正在逐渐淘汰。2023/3/14高压法(25MPa~32MPa）甲醇合成工艺流程低压法：

即用一氧化碳与氢气为原料在低压（5.0MPa）和275℃左右的温度下，采用铜基催化剂（Cu-Zn-Cr）合成甲醇。低压法成功的关键是采用了铜基催化剂，它的活性和选择性比锌-铬催化剂活性好得多，使甲醇合成反应能在较低的压力和温度下进行。因此，消耗在副反应中原料气和粗甲醇中的杂质都比较少。低压法合成工艺主要有英国帝国化学公司（ICI）和德国鲁奇（Lurqi）的工艺

2023/3/14ICI法低压甲醇合成工艺流程

工艺流程特点：相对低的温度和压力下操作，节省能耗，同时抑制甲烷化反应及其他副反应；采用多段冷激式合成塔，结构简单，催化剂装卸方便，使用寿命长。

2023/3/14第二章液体燃料及其添加剂76ICI多段冷激型甲醇合成反应器ICI多段冷激塔结构特点：反应床层由若干绝热段组成，两段之间通入冷的原料气，使反应气体冷却，以使各段的温度维持在一定值；塔体是空筒，塔内无催化剂筐，催化剂不分层，由惰性材料支撑，冷激气体喷管直接插入床层，并有特殊设计的菱形冷却气体分布器；优点：单塔操作能力大，控温方便，冷激采用菱形分布器专利技术，催化剂层上下贯通，装卸方便，易于放大，目前普通塔的容量为2300t/d，高空隙率塔的容量达7600t/d；缺点：催化剂床层温差较大（轴向：～70℃，径向：～23℃）、有部分气体与未反应气体之间的返混、催化剂时空产率不高，用量较大、单程转化率较低（仅为15%～20%）。ICI多段冷激型甲醇合成反应器

2023/3/14Lurgi法低压甲醇合成工艺流程

2023/3/14第二章液体燃料及其添加剂78Lurgi管壳型甲醇合成反应器结构特点：形似列管式换热器，在塔内，列管中装填催化剂，管间为沸腾水；原料气与出塔气换热至230℃左右进入合成塔，反应放出的热经管壁传给管间的沸腾水，产生4MPa左右的饱和蒸汽，用来驱动透平压缩机。合成塔全系统的温度条件用蒸汽压来控制，从而保证催化剂床层大致为等温。优点：催化剂床层温差较小、单程转化率较高（可达50%）、催化剂使用寿命较长（4年～5年）、热能利用合理、设备紧凑，开停车方便，合成反应过程中副反应少，甲醇质量高。缺点：结构复杂、制作较困难、材料要求高、放大较困难。经典管壳塔的最大生产能力（经济型塔）为1500t/d。全世界现有Lurgi装置37套，甲醇总生产能力达1600万t/a以上。中压法：

中压法是在低压法研究基础上进一步发展起来的，由于低压法操作压力低，导致设备体积相当庞大，不利于甲醇生产的大型化。因此发展了压力为10MPa左右的甲醇中压合成法。它能更有效的降低建厂费用和甲醇生产成本。中压法的操作压力范围为一般为10~27MPa，温度为235~315℃。该法的关键在于使用了一种新型铜基催化剂（Cu-Zn-Al