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2011sin()sin22emdqdmEUUPmXXX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UU’VV’WW’RR’11'22'UU’VV’WW’RR’11'33'UU’VV’WW’RR’11'UU’VV’WW’RR’11'22'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60DrnfmN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.Lawrenson1983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min111min12max23max134()()()LKLLLLKmaxmin21maxmin()/()()/sKLLLL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duirdtddudtd忽略绕组电阻ddt得udd或一相电路电压方程又2.2.1一相绕组磁通udd0onudd令开关合闸瞬间（t=0）为初始状态000,(on触发角)得()onu若关断角为θoff,则关断后磁链变化offoffudd即()offoffu整理得(2)offonu一相绕组在通电、断电的一个变化周期内()(2)20022/onoffonoffonoffoffononoffonruuN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UU’VV’WW’RR’11'22'（1）定子齿极的磁通()()()()()412()()()263()()()44UUrVUUrWUUrRUUN（2）定子轭中的磁通''''''''1()()[()()()()]21()()[()()()()]21()()[()()()()]21()()[()()()()]2UVUVUVWRVWVWUVWRWRWRUVWRRURUUVWR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duirdt由可得()ddLididLuLidtdtdtdt或udidLLidd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。()uifdddLdθ2～θ3mindiudtLθ1～θ2ii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θonddidLLidtdtdt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。φi2.4ψ-i曲线SR电机线性模型φi2.5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'miconstWT'211()22mmWWiiL'21()2mWLTiminmin22min1max32min1()()(,)()LLKKLiLiiLKLii111100iiiiiiii122334'00(,)(,)(,)iimWiiLiidi21102(,)()20emKiTiKiii110iiii1223342.6开关磁阻电机中的能量关系能量传递和能量比ddiduLidtdtdt2diduiiLidtdt2211()22ddidLLiiLidtdtdt2211()22ddLuiLiidtdt2211()22ddLuiLiidd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21()2dLid21()2Li0dLd0dLd0dLd2211()22ddLuiLiidd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耦合磁场e1i1u1R1+-emimumRm+-...TLJTeKW+-+-+-dθ/dt+-2.7开关磁阻电机的数学模型kkkkduRidt12(,,...,,...,,)kkmiiii'12(,,...,,...,,)mkmemWiiiiTemwLdTJKTdtddt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-VfUs（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