前沿技术讲座(新型电机)

前沿技术讲座(新型电机)第一页，共117页。一级学科：0808电气工程

电机与电器（080801）、电力系统及其自动化、高电压与绝缘技术、电力电子与电气传动（080804）、电工理论与新技术五个二级学科.第二页，共117页。1.电机与电器主要研究电机电器及其控制系统的运行理论、电磁问题、设计和控制理论，涉及电机电器的基本理论、特种电机及其控制系统、电机计算机辅助设计及优化技术、电机电磁场数学模型与数值分析、电机的控制理论及方法、特种电机设计等研究领域。第三页，共117页。在不同的学校，研究方向略有不同，但主要研究方向如下：

（1）新型电机及机电一体化技术、能源变换技术

（2）电机控制（电机控制理论与高性能运动控制方法

）与电力电子应用技术

（3）智能电器及在线监测技术

（4）高频功率磁元件分析与应用

（5）电机电器智能测试技术（6）电气装备检测与故障诊断第四页，共117页。2、电力电子与电气传动电力电子与电力传动学科主要研究新型电力电子器件、电能的变换与控制、功率源、电力传动及其自动化等理论技术和应用。它是综合了电能变换、电磁学、自动控制、微电子及电子信息、计算机等技术的新成就而迅速发展起来的交叉学科，对电气工程学科的发展和社会进步具有广泛的影响和巨大的作用。第五页，共117页。研究方向:（1）谐波抑制与无功补偿（2）电力电子电路仿真与设计（3）计算机控制系统（4）电气系统智能控制技术（5）现代控制理论及其在电气传动中的应用（6）系统故障诊断技术及应用（7）现代交、直流电机调速技术（8）功率变换技术的研究第六页，共117页。(1)现代高品质电气驱动与智能控制，包括电动汽车、舰船推进、高性能电梯等使用的高品质电气驱动系统和全数字、智能化交流伺服系统的研究。(2)新型特种电机与新能源技术，包括各种新概念、新原理、新材料电机的理论、模型、控制及应用，新能源利用中所需特种电机及关键技术的研究。(3)电磁工程与电物理技术，包括电磁场分析技术、特种电磁装备等。第七页，共117页。第八页，共117页。2.1无刷直流电动机系统2.1.1基本组成无刷直流电机构成框图第九页，共117页。无刷直流电动机结构

(a)结构示意图

(b)定转子实际结构

1.电动机本体

第十页，共117页。表面式磁极

嵌入式磁极

环形磁极

内转子结构形式

第十一页，共117页。实际电机

结构示意图

外转子无刷直流电动机

第十二页，共117页。2.逆变器b)四相半桥主电路

a)三相半桥主电路1)非桥式（半桥式）——半控型第十三页，共117页。2.逆变器2)桥式——全控型c)星形联结三相桥式主电路第十四页，共117页。2.逆变器d)三角形联结三相桥式主电路

2)桥式——全控型第十五页，共117页。2.逆变器2)桥式——全控型e)正交两相全控型主电路第十六页，共117页。2.逆变器2)桥式——全控型f)

封闭形联结四相桥式主电路第十七页，共117页。主电路选择原则绕组利用率：三相绕组优于四相、五相绕组转矩脉动：相数越多，转矩脉动越小电路成本：相数越多，电路成本越高星形联接三相桥式主电路应用最多第十八页，共117页。3.位置检测器位置检测器有位置传感器检测无位置传感器检测磁敏式光电式电磁式接近开关式正余弦变压器编码器反电动势检测续流二极管工作状态检测定子三次谐波检测瞬时电压方程法第十九页，共117页。4.控制器控制器模拟控制系统

数字控制系统

分立元件加少量集成电路构成的模拟控制系统

基于专用集成电路的控制系统

数模混合控制系统

全数字控制系统

控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心

第二十页，共117页。控制电路对转子位置传感器检测的信号进行逻辑变换后产生脉宽调制PWM信号，经过驱动电路放大送至逆变器各功率开关管，从而控制电动机各相绕组按一定顺序工作，在电机气隙中产生跳跃式旋转磁场。2.1.2基本工作原理

第二十一页，共117页。磁极图示位置→位置信号→逻辑变换→V1、V6开通→A、B相导通→I:E+-A-B-E-→电机顺时针旋转磁极转过60o图示位置→位置信号→逻辑变换→V1、V2开通→A、C相导通→I:E+-A-C-E-→电机顺时针旋转转子每转过60o，逆变器开关管换流一次、定子磁状态改变一次，电机有6个磁状态，三相各导通120o——两相导通三相六状态转子磁场顺时针连续旋转、定子磁场隔60O跳跃旋转——自同步电机第二十二页，共117页。2.1.3无刷直流电动机与永磁同步电动机

由变频器供电的永磁同步电动机加上转子位置闭环控制系统后构成自同步永磁电动机，既具有永磁直流电动机的优异调速性能，又实现了无刷化。

无刷直流电动机与永磁同步电动机两种驱动模式的波形比较如下图所示。

无刷直流电动机出力大、控制简单、成本低，其调速性能已能达到低速转矩脉动小于3％、调速比大于1:10000的水平，因而越来越多地受到人们的青睐。

第二十三页，共117页。(a)无刷直流电动机

(b)永磁同步电动机

第二十四页，共117页。2.2无刷直流电动机的主电路及其工作方式

无刷直流电动机的主电路主要有星形联结三相半桥式、星形联结三相桥式和角形联结三相桥式三种形式。1.2.1星形连接三相半桥主电路

第二十五页，共117页。在三相半桥主电路中，位置信号有1/3周期为高电平、2/3周期为低电平，各传感器之间的相位差也是1/3周期，如图所示。

旋转磁场在360电角度范围内有三种磁状态，每种磁状态持续120电角度。我们把这种工作方式叫做单相导通星形三相三状态。第二十六页，共117页。2.2.2星形连接三相桥式主电路

位置检测器的三个输出信号通过逻辑电路控制这些开关管的导通和截止，其控制方式有两种：二二导通方式和三三导通方式。第二十七页，共117页。1.二二导通方式

电机的瞬时电磁转矩可由电枢绕组的电磁功率求得：

式中 Ea、Eb、Ec———A、B、C三相绕组的反电动势；

ia、ib、ic———A、B、C三相绕组的电流；

——转子的机械角速度。可见，电磁转矩取决于反电动势的大小。在一定的转速下，如果电流一定，反电动势越大，转矩越大。第二十八页，共117页。三相绕组的反电动势波形及其二二导通方式下的导通规律

第二十九页，共117页。2.三三导通方式

三相绕组的反电动势波形及其三三导通方式下的导通规律

第三十页，共117页。2.2.3角形连接三相桥式主电路

如图所示的角形联结三相桥式主电路的开关管也采用功率MOSFET。与星形联结一样，角形联结的控制方式也有二二导通和三三导通两种。

第三十一页，共117页。1.二二导通方式

电枢绕组的反电动势波形及其角形联结二二导通方式的导通规律

第三十二页，共117页。2.三三导通方式

电枢绕组的反电动势波形及其角形联结三三导通方式的导通规律

第三十三页，共117页。2.3无刷直流电动机的电枢反应电动机负载时电枢绕组产生的磁场对主磁场的影响称为电枢反应。

电枢绕组的合成磁动势变化如下图所示如图所示，电枢磁动势的直轴分量Fad对转子主磁极产生最大去磁作用

第三十四页，共117页。如图所示，电枢磁动势的直轴分量Fad对转子主磁极产生最大增磁作用。

可见，在一个磁状态范围内，电枢磁动势在刚开始为最大去磁，然后去磁磁动势逐渐减小；在1/2磁状态时既不去磁也不增磁；在后半个磁状态内增磁逐渐增大，最后达到最大值。增磁和去磁磁动势的大小等于电枢合成磁动势Fa在转子磁极轴线上的投影，其最大值为第三十五页，共117页。式中 F

——每相绕组的磁动势；

W——每相绕组的串联匝数；

Kw——绕组系数。

由于在无刷直流电动机中磁状态角比较大，直轴电枢反应磁动势可以达到相当大的数值，为了避免使永磁体发生永久失磁，在设计时必须予以注意。

第三十六页，共117页。无刷直流电机的磁场、电势、电流波形方波电动机——梯形波反电势与方波电流第三十七页，共117页。2.4.1无刷直流电动机的数学模型

假设

(1)电动机的气隙磁感应强度在空间呈梯形(近似为方波)分布；(2)定子齿槽的影响忽略不计；(3)电枢反应对气隙磁通的影响忽略不计；(4)忽略电机中的磁滞和涡流损耗；

(5)三相绕组完全对称。

直接利用电动机本身的相变量来建立数学模型

第三十八页，共117页。三相绕组的电压平衡方程为定子相绕组电压定子相绕组电流定子相绕组自感、互感定子相绕组电动势微分算子第三十九页，共117页。当三相绕组为Y连接，且没有中线，则：ia+ib+ic=0Mia+Mib=-MicMib+Mic=-MiaMia+Mic=-Mib所以得电压方程：第四十页，共117页。无刷直流电动机的等效电路如图所示

第四十一页，共117页。2.4.2无刷直流电动机的反电动势

无刷直流电动机气隙磁密及反电动势波形如下图所示

第四十二页，共117页。设电枢绕组导体的有效长度为La，导体的线速度为v，则单根导体在气隙磁场中感应的电动势为

(V)(m/s)如电枢绕组每相串联匝数为W，则每相绕组的感应电动势幅值为

第四十三页，共117页。2.4.3无刷直流电动机稳态性能的动态模拟

依据基尔霍夫定律，可得换相过程中的电路方程为续流结束后，换相完成，电路方程变为：

以上两式构成了无刷直流电动机的线电压模型

第四十四页，共117页。2.4.4无刷直流电动机稳态性能的简化分析

为了简化分析，假设不考虑开关器件动作的过渡过程，并忽略电枢绕组的电感。这样，无刷直流电动机的电压方程可以简化为：

式中 UT——开关器件的管压降；

Ia——电枢电流；

E——线电动势，即电机的反电动势。

第四十五页，共117页。对于三相六状态无刷直流电动机，任一时刻都有两相绕组导通，故电机的反电动势为

式中

Ce——电机的电动势常数，

电枢绕组的电流为

在任一时刻，电机的电磁转矩由两相绕组的合成磁场和转子磁场相互作用产生，则

第四十六页，共117页。电机的转速为

空载转速为电动势系数为转矩系数为第四十七页，共117页。2.5无刷直流电动机的运行特性2.5.1机械特性机械特性曲线

堵转转矩为

第四十八页，共117页。调节特性2.5.2调节特性调节特性的始动电压和斜率分别为第四十九页，共117页。2.5.3工作特性工作特性

120W样机效率特性

第五十页，共117页。2.6无刷直流电动机的转矩脉动2.6.1转矩脉动的定义及引起转矩脉动的原因转矩脉动定义为

转矩脉动的主要原因（1）电磁因素引起的转矩脉动；（2）换相引起的转矩脉动；（3）定子齿槽引起的转矩脉动；（4）电枢反应的影响；（5）机械工艺引起的转矩脉动。

第五十一页，共117页。2.6.2换相与转矩脉动1.换相过程中的相电流和转矩换相过程中电路方程为由于又得第五十二页，共117页。整理，得换向过程中各相电流变化公式：第五十三页，共117页。解上述微分方程组，并考虑各相电流的初值和终值为换相前后各相电流的稳态值，得第五十四页，共117页。2.电机转速对换相的影响(三种情况)1）ia与ib变化率相等，即ia降为0的同时,ib达到稳态值I令ia(tf)=0，可得换相时间为令ib(tf)=I，可得换相时间为所以：U=4E上式反应了在该换相条件下，外加电压与电机绕组反电势(也即转速)之间的相应关系第五十五页，共117页。换相过程中的电磁转矩：因ia十ib十ic＝0，则有:换向期间电磁转矩与非换向相绕组中的电流成正比第五十六页，共117页。对于情形1：U＝4E,T保持恒定对于情形2：U<4E,T减少对于情形3：U>4E,T增加在非换相时，即每个导通状态内，电机的电磁转矩为当U<4E时：换向转矩脉动为：第五十七页，共117页。当U>4E时：换向转矩脉动为:结论1、换相转矩脉动决定于绕组反电势，也就是电机的转速，而与电枢稳态电流无关。2、当转速很低或堵转时，E0,Tr＝50％；3、当转速很高时，U＝2E,Tr=-50％；4、当转速满足时，U＝4E,Tr=0。第五十八页，共117页。新型无位置传感器检测方法与控制全数字、高性能控制系统特殊结构电机及其准确分析应用研究(电动车、电梯曳引电机、智能家电)第五十九页，共117页。

可以承受很高机械强度和离心力，高速性能优异，对高温等恶劣运行环境适应性好。绕组间耦合弱，缺相故障运行能力强，系统可靠性高、容错能力强。控制灵活，方便实现四象限运行。电机启动电流小、启动转矩大，加速性能好。转矩脉动和噪声相对较大。第六十页，共117页。3.1SRD传动系统3.1.1SRD传动系统的组成第六十一页，共117页。SR电动机定、转子实际结构

第六十二页，共117页。结构特点：1、双凸极结构2、定子集中绕阻、绕组为单方向通电3、转子无绕阻第六十三页，共117页。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第六十四页，共117页。12/8极三相开关磁阻电动机第六十五页，共117页。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：第六十六页，共117页。3.1.3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。第六十七页，共117页。SR电动机常用的相数与极数组合

第六十八页，共117页。

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没有自起动能力第六十九页，共117页。利用永磁体辅助起动的单相SR电动机

第七十页，共117页。（1）2-phase4statorpole/2rotorpole（2）4-phase8statorpole/6rotorpole（3）3-phase6statorpole/4rotorpole（4）5-phase10statorpole/8rotorpole第七十一页，共117页。1)电动机结构简单、成本低、适用于高速,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单。2)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，即只需单方向绕组电流，故功率电路可以做到每相一个功率开关。第七十二页，共117页。3)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圆形旋转磁场，电动机才能正常运转。4)高起动转矩，低起动电流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。

（SR:0.4IN,1.4TNIM:6-7IN,2-3TN）第七十三页，共117页。5)适用于频繁起停及正反向转运行

SRD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小。6)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:相开通角,相关断角,相电流幅值,相绕组电压。第七十四页，共117页。7)效率高，损耗小

SRD系统是一种非常高效的调速系统。8)可通过机和电的统一协调设计满足各种特殊使用要求。9)缺点：转矩脉动、振动、噪声但可通过特殊设计克服SRD特点：第七十五页，共117页。3.1.5SRD发展概况7.5kW、1500r/min几种调速系统性能比较

第七十六页，共117页。航空工业

家用电器

机械传动

精密伺服系统

电动车

3.1.6SRD的应用与研究动向应用第七十七页，共117页。SR电机设计研究：铁心损耗计算、转矩脉动、噪声、优化设计等理论SR电机的控制策略研究：最优控制，减小转矩脉动、降低噪声具有较高动态性能、算法简单、可抑制参数变化、扰动及各种不确定性干扰的新型控制策略智能控制策略SR电机的无位置传感器控制SR电机的振动、噪声研究无轴承SR电机研究（磁悬浮）SR电机应用研究：电动车、发电机、一体化电机等第七十八页，共117页。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

D—粘性摩擦系数

TL—负载转矩第七十九页，共117页。第k相绕组的相电压平衡方程:第八十页，共117页。所以：电阻压降变压器电动势运动电动势(转子位置改变)第八十一页，共117页。式中 Te——电磁转矩；

J——系统的转动惯量；

K——摩擦系数；

TL——负载转矩。

第八十二页，共117页。磁共能的表达式为：Y-iSR电机的瞬时电磁转矩Te可由磁共能Wc导出：SR电机的平均电磁转矩Tav第八十三页，共117页。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/2 P=k/第八十四页，共117页。SR电动机的基本机械特性

第八十五页，共117页。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。第八十六页，共117页。*基速以下，电流斩波控制(CCC)，输出恒转矩可控量为：Us、on

、off控制法1：固定on,off，通过电流斩波限制电流，得到恒转矩控制法2：固定on,off，由速度设定值和实际值之差调制Us，进而改变转矩第八十七页，共117页。电流斩波控制在低速时，旋转电势很小，绕组导电周期长，电流峰值和有效值大，为保护电机和主开关器件，必须限制电流峰值。常用的控制方式是保持开通角和关断角不变，通过调节主开关器件的开通和关断，使电流限制在一个给定的范围内。第八十八页，共117页。控制方式的合理选择

*基速以上，角度位置控制(APC)，输出恒功率第八十九页，共117页。角度位置控制通过控制开通角和关断角，可以改变绕组电流波形，实现对相电流性质、大小和波形的控制，从而可有效调节电机的转速、转矩以及转向。采用角度位置控制，电流变化范围较宽，因此转矩调节范围较宽；通过角度优化，能使电动机在不同负载下保持较高的效率。适用于较高转速。第九十页，共117页。第九十一页，共117页。电流斩波的最高限速Cmax

(on≤<2)

电流斩波的最高限速为

第九十二页，共117页。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。第九十三页，共117页。（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。第九十四页，共117页。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。第九十五页，共117页。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

第九十六页，共117页。双开关型主电路又称为不对称半桥型主电路第九十七页，共117页。双绕组型电路特点主开关S1导通时，电源对主绕组A供电；当其关断时，靠磁耦合将主绕组A的电流转移到副绕组，通过二极管D1续流，向电源回馈电能，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。第九十八页，共117页。2、双绕组型

缺点：1）由于主、副绕组之间不可能完全耦合，在S1关断的瞬间，因漏磁及漏感作用，其上会形成较高的尖峰电压，故S1需要有良好的吸收回路。2）由于采用主、副两个绕组，因而电机槽及铜线利用率低。铜耗增加、体积增大。优点：适用于任何相数的SRM，尤其适宜于低压直流电源供电场合第九十九页，共117页。两个相串联的电容C1和C2将电源电压一分为二,构成中点电位。每相只有一个主开关S和一只续流二极管D。

当S1导通时，上侧电容C1对A相绕组放电，电源对A相供电；当S1关断时，A相电流经D1续流，向下侧电容C2充电。

第一百页，共117页。1）只适用于偶数相SR电机2）主开关数较少3）相控独立性：不独立4）电源利用率低，每相电压为电源电压的1/2。5）需限制中点电位漂移第一百零一页，共117页。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。它要求每一瞬间必须上、下各有一相导通。工作制：AB-BC-CD-DA第一百零二页，共117页。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第一百零三页，共117页。SRD控制系统原理图第一百零四页，共117页。第一百零五页，共117页。3.7

基于DSP的SRD控制器第一百零六页，共117页。控制策略框图为简化起见，采用PID算法进行速度闭环调节，由于SR电机具有较好的动态性能，实际只需PI调节。第一百零七页，共117页。1）双闭环：转速外环、电流内环速度反馈信号取自位置传感器的转子信号，被给定转速相减后作为电流指令值;电流指令值与检测到的实际电流值比较，形成电流偏差，控制PWM信号的脉宽。闭环调节：PID或模糊控制、ANN控制等2）控制方式：低速时，固定开关角，电流PWM斩波(CCC)高速时,角