开关磁阻电机地基本了解.docx

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开关磁阻电机地基本了解

开关磁阻电机的基本学习内容

1开关磁阻电机的基本原理以及结构

开关磁阻电动机（SwitchedReluctanceMotor，简称SRM）定转子为双凸极结构，铁心均由普通硅钢片叠压而成，其定子极上有集中绕组，径向相对的两个绕组串联构成一相，转子非永磁体，其上也无绕组[1,3]。

SRM的定转子极数必须满足如下约束关系：

（1-1）

其中，Ns，Nr分别为电机定、转子数；m为电机相数值减1；k为一常数。

以下图1-1所示一个典型四相8/6极SRM为例，相数为4，因而m=3，取k=1，则Ns=6，Nr=8。

m及k值越高，越利于高控制性能控制，但相应成本越高，结构越复杂。

目前技术较为成熟，发展较为迅速的产品多为三、四相SRM[2]。

图1-1即为一典型四相8/6结构的SRM电机本体及其不对称功率变换器主电路的示意图（图1-1在末尾手画）。

为表述清晰，图中仅画出不对称半桥电路的一相，其他各相均与该相相同，并省略了相应的驱动及检测电路。

完整的开关磁阻电机调速系统（SwitchedReluctanceMotorDrive，简称SRD）则由SRM、功率变换器、控制器、位置检测器等四大部分组成，如下图1-2示。

SRM可以认为是同步电机的一个分支，它运行时遵循磁阻最小原理，同步进电机较为类似[2,30]。

其具体运行原理如下：

首先要保证励磁相的定子凸极和最近的转子凹极中心线不重合，也即初始位移不能位于磁阻最小位置。

通以交流电后，经过一个整流桥变为直流电源，当开关S1和S2开通时，AA’相通电励磁，产生一个磁拉力。

在该电磁力的轴向分量作用下，产生电磁转矩，凸极转子铁心趋向于旋转到定转子极轴线B-B’与A-A’重合的位置；而电磁力的径向力分量则造成定子的“变形”，这也是产生转矩脉动和电机噪声的根本原因之一。

在该过程中电机吸收电能。

关断S1和S2，开通BB’相，此时AA’相经续流二极管VD1、VD2将电能回馈给电源，同时BB’相趋向运行到定转子极轴线C-C’与B-B’重合的位置。

以此类推，顺次给A→B→C→D相循环励磁，在惯性和轴向力的作用下，转子将一直逆着励磁顺序旋转，从而完成自同步运行。

同理若改变励磁顺序为C→B→A→D，则转子沿顺时针方向转动。

由此可以看出，SRM与直流电机不同，其运行方向与相电流方向无关，而仅与相绕组通电顺序有关。

图1-2开关磁阻电机调速系统构成

初次以外，我还搜集了几种不同结构的SR电机，分别有涡轮转子两相SR电机，可控饱和两相SR电机、常规结构三相6/4级SR电机、三相6/8SR电机、三相12/10级SR电机、三相6/2级SR电机、三相12/8级SR电机、三相24/32极外转子SR电机、五项10/8级短磁SR电机、七相14/12极短磁路SR电机，具体配图见报告末尾备注。

二．SRD的物理方程与控制分析

SRM的双凸极结构及整个磁路的脉振性、高饱和、涡流、磁滞等非线性因素的存在，加上运行时的开关性，使得的SRM精确分析极为困难【41,44】。

在此问题上，适度的简化模型显示了强大的优势。

首先，基于简化模型的假设如下【28，102】：

主开关电源的直流电压（±Us）不变；

忽略铁耗及相间互感；

忽略功率开关自身的功耗，视为理想开关器件；

认为电机各相参数完全对称；

磁场不饱和。

在此基础上，我们可以得到SRM运行的本质电磁和力学关系，写出其严密的物理方程[1,2,3,7]。

1.电路方程

（1-2）

式中，Uk：

第k相绕组端电压；Rk、ik、k：

第k相绕组的电阻、电流和磁链。

2.磁链方程

相绕组磁链可用相电感和相电流表示，即：

（1-3）

式中，：

转子位置角。

3.机械方程

　　（1-4）

其中：

（1-5）

　　　　　　　　（1-6）

式中，

：

角速度；Te：

电磁转矩；

：

负载转矩；J：

转动惯量；D：

摩擦系数。

4.机电联系方程

单相单独工作时电机产生的电磁转矩为：

（1-7）

且：

　　　　　　（1-8）

式中，

：

相绕组磁共能。

由电路方程，可求得简化模型下的相电流解析式为：

（1-9）

其中，f（

）为电机本体参数、开通范围及转子位置角的函数。

因此，可得到m相电机的平均电磁转矩为：

（1-10）

5.机械特性方程

如果开通区间和给定电压固定，则式（1-10）中积分部分为定值，由此得到SRM固有机械特性为：

（1-11）

式中，k为比例系数。

将式1-11变形可得：

（1-12）

由此可明显看出，SRM可调速参数较多，分别为：

相绕组电压Us、开通角

和关断角

。

根据调节参数的不同，可将SRD常见调速方式分为三种[1,53,58,59]

斩波控制方式（CurrentChoppingControl，简称CCC）；角度位置控制方式（AngularPositionControl，简称APC）；和电压控制（VoltageControl，简称VC），其中VC常采用电压PWM（PulseWidthModulation，简称PWM）方式，如图1-3所示。

三种调速方式中，CCC常用于基速以下的恒转矩区，通过电流斩波限来限制其启动电流。

APC则适用于基速以上的恒功率区，因旋转电动势较大，开关器件导通的时间较短，电流较小，可通过APC方式增大

来补偿电磁转矩。

电压PWM方式通过调节绕组电压平均值，间接调节并限制绕组电流，适用于整个调速范围。

下图1-4a）-c）分别为各调速方式的控制框图。

图1-3SRD常见调速方式应用

为使SRD工作于最佳状态，需结合不同的调速方式选择合适的控制策略。

目前较常用的有传统PI控制[17]、模糊控制【4,30】、滑模控制【33】及其组合控制【34,35】等。

由于其电机的强耦合和非线性等特性，传统控制无法满足系统高性能的要求，智能控制正逐步应用于SR电机控制领域，很多学者致力于该方面的研究，如自适应控制【27,28，31】、反馈线性化控制【59】、人工神经网络控制【43，45】等。

三．SRD的控制方式以及运行状态

开关磁阻电机在运行时，有三种物理状态：

1．起动

2．稳态运行

3．制动控制

开关磁阻电机稳态运行时,控制方式有三种,分别是电流限制CCC控制/电流PWM控制、电压PWM控制，其三种手画图分别为图a、图b、图c。

图a

图b

图c

四．SRD电机的优缺点

优点：

1.SRD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

2.电机结构简单，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。

3.转矩与电流极性无关，单向电流激励。

4.对转速限制小，可以制成高速电动机

5.通过对电流的通段、幅值控制，满足不同服在要求的机械特性

6.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

缺点：

1.有转矩脉动

转矩由一系列脉冲转矩叠加而成，切有双凸级结构和磁路非线性，合成转矩不是恒定转矩，有一定的谐波分量

2.噪声与振动大

3.出线头多

五．SRD电机性能、应用以及研究现状与发展前景

自1842年，英国的Aberdeen和Davidson的开关磁阻电机运行理念诞生以来，经过100多年的技术准备，1967-1970年出现了世界上第一台SRM的雏形[28]与传统交直流电机相比，整体效率高10％以上；功率因数空载时可达0.995，满载时可达0.98，结构简单、性价比高、性能可靠、调速范围宽、运行效率高、可控参数多，控制灵活方便，允许频繁起停，起停次数可达1000次/小时，转速不受负载大小变化的影响，具有很高的效率[17,18]。

因而上世纪80年代以后，开关磁阻电机得到迅速发展，日新月异【5~8,10~11】。

目前国内外已有许多公司分别推出了其商品化的开关磁阻电机产品，代表性产品如下表1-1所示【28,36,60,73,87,88】。

表1-1SRD代表性产品或样机

Table1-1RepresentativeProductsoftheSRD

研制单位

相关产品

技术参数

优势优点

美国GE

高速SRD样机

90kw，105r/min

有效材料仅10kg，5MW，1*106N.m

中国

SRM采煤机，牵引电机

100kw，180kw

防爆，适用于恶劣工作环境，可频繁起制动

南京航空航天大学

高速SRD样机

1kW，1.5kW，105r/min

可超高速运行，工作转速可达130,000r/min；

英国SRDLtd.

第二代SRD通用产品

100w~100Kw50~5000r/min

效率比第一代OULTON电机高2%以上

英国ALLENWEST

SRD产品通用系列

7.5~22KW

功率范围大

英国BJD公司

密闭水冷式SRD

35KW

防爆，耐高温

意SICMEMOTOR和英国SRDLtd.

XMC、XMP、XME3系列SRD

80~180m，4Kw~140Kw，3000rpm，

转速的60~140%范围内的效率都高于90%，即使在20%额定转速的低速下，其效率仍可达40%.

英国Nottingham

开关磁阻风力发电机

可变速风力发电机

加拿大semifusion

开关磁阻伺服系统

双轴、四象限，调速平稳

中国于1984年跟踪英国的研究成果，在借鉴国外经验的基础上，开关磁阻电机的研究进展很快【13,14】。

目前华中科技大学在“九五”项目中研制出了SRD电动车，“十五”项目中将SRD应用到混合动力城市公交车，南京调速电机厂已与与北京纺织机械研究所合作研制成功3kW的SRM。

近年来，我国已研制了50W-50KW、20多个规格的工业产品样机，应用于刨床、煤矿牵引、纺织、冶金、机械、运输、电动车驱动、航空、和家用电器等领域【5~8,10~11】。

现已开始新型SRM电机的研究【101】如DSPM电机、电励磁双凸极发电机、磁浮开关磁阻电机【22】、无轴承开关磁阻电机【93】等，并取得了一定研究成果。

在SR电机的理论研究上，主要集中于控制、仿真、设计理论和电磁数值分析等方面，代表单位有南京航空航天大学、华中科技大学，华中理工大学、华南理工大学、东南大学、西安交通大学、浙江大学、清华大学、中国矿业大学、北京纺织机械研究所，上海电科院、西安微电机研究所等[39,42,47,52,57]。

作为一新型电机调速系统，SRD涵盖了电力电子、电机、微机、控制工程、控制机械等知识领域。

目前SRD还存在转矩波动大、噪声大、需要位置检测器、系统非线性等缺点【55,56】，在理论和应用上仍需进行深入研究，主要有以下方面：

SRM仿真模型的建立【52】；SRD现代控制理论及控制参数优化研究【29,41,81,102,106】；转矩脉动及振动噪声问题研究【15,50,69,82】；实用无位置传感器方案的研究【65,66,97】；新型电机结构的研究【85,86】；电机优化设计【37,67,68,107】；电机铁耗、效率分析【70,71,96】；SRD中电机、功率变换器及控制器三者之间的总体优化设计等【72,99】。

由此可见开关磁阻电机的发展前景还是十分广阔的。

备注：