开关磁阻电机课件.ppt

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1、 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。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，在第一类电机中，运动是定、转子两个磁场相互作用的结果。运动是定、转子两个磁场相互作用的结果。这种相这种相互作用产生互作用产生使两个磁场趋于同向使两个磁场趋于同向的电磁转矩，这的电磁转矩，这类似于两个磁铁的同极性类似于两个磁铁的同极性相排斥、异极性相吸引的现象相排斥、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。目前大部分电机都是遵循这一原理，例如一般的直流

2、电机和交流电机。一般的直流电机和交流电机。第二类的电机，第二类的电机，运动是由定、转子间气隙磁阻的变化产生的。运动是由定、转子间气隙磁阻的变化产生的。当定子当定子绕组通电时，产坐一个单相磁场，其分铀要遵循绕组通电时，产坐一个单相磁场，其分铀要遵循“磁阻最小原则磁阻最小原则”，即磁，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，这置。即两轴线重合位置，这类似于磁铁

3、吸引铁质物质的现象类似于磁铁吸引铁质物质的现象。开关磁阻电。开关磁阻电机就是属于这一类型的电机。机就是属于这一类型的电机。两类不同机理的电动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开关磁阻电机的最早文献却可追溯到1838年，英格兰学者年，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。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。一台现代开关磁阻电机的雏形。1980年，年，Lawrenson及其同事在及其同事在ICEM会议上，发

4、表著名论文会议上，发表著名论文“开开关磁阻调速电动机关磁阻调速电动机”，系统地介绍了他们的工作成果，阐述了，系统地介绍了他们的工作成果，阐述了SR电电机的原理及设计特点，在国际上奠定了现代机的原理及设计特点，在国际上奠定了现代SR电机的地位，这也标电机的地位，这也标志着志着SRD正式得到国际认证。正式得到国际认证。从此，世界上大批学者投入到从此，世界上大批学者投入到SR电机的研究领域。电机的研究领域。到日前为止，在到日前为止，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、韩国等国家也都开地位。除英国外，美国、中

5、国、加拿大、印度、韩国等国家也都开展了展了SRD系统的研究工作。系统的研究工作。通过通过20多年的研究和改进，多年的研究和改进，SRD的性能不断提高，目前已能的性能不断提高，目前已能在数百在数百瓦到数百千瓦的功率范围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。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开关磁阻电机发展历史2.1 SRD2.1 SRD传动系统传动系统2.1.1 SRDSRD传动系统的组成传动系统的组成2.1.1 SRDSRD传动系统的组成传动系统的组成SR电动机定、转子实际结构电动机定、转子实际结构 SR电动机定、转子实际结构电动机定、转子实际结构 工作机理v

6、开关磁阻电机的工作机理基于磁通总是沿磁导最大的路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。径闭合的原理。v当定、转子齿中心线不重合、磁导不为最大时，磁场就当定、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会产生磁拉力，形成磁阻转矩，使转子转到磁导最大的位置。位置。v当向定子各相绕组中依次通入电流时，电机转子将一步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。一步地沿着通电相序相反的方向转动。v如果改变定子各相的通电次序，电机将改变转向。但相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

7、流方向的改变是不会影响转子的转向的。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（Switched Reluctance Motor)1.结构特点结构特点1 定子和转子均为凸极定子和转子均为凸极结构；结构；2 定子上空间相对的两定子上空间相对的两个极上的线圈串联或个极上的线圈串联或并联构成一相绕组并联构成一相绕组3 定子集中绕阻、绕组定子集中绕阻、绕组为单方向通电为单方向通电 4 转子上无绕组转子上无绕组5 最常见的组合为最常见的组合为6/4极，极，8/6极或极或12/8极。极。2.1.2 运行原理：运行原理：磁阻最小原理磁阻最小原理电机原理演示电机原理演示磁通总要沿着磁阻最小路

8、径闭合，一定形状的铁心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磁场的轴线重合A-A 通电通电 1-1 与与A-A重合重合B-B 通电通电 2-2 与与B-B重合重合C-C 通电通电 3-3 与与C-C重合重合D-D 通电通电 1-1 与与D-D重合重合依次给依次给依次给依次给A-B-C-DA-B-C-D绕组通电，转绕组通电，转绕组通电，转绕组通电，转子逆励磁顺序方向连续旋转子逆励磁顺序方向连续旋转子逆励磁顺序方向连续旋转子逆励磁顺序方向连续旋转下面通过一个开关磁阻电动机原理模型来介绍工作原

9、理。下面通过一个开关磁阻电动机原理模型来介绍工作原理。电机的定子铁芯有六个齿极，电机的定子铁芯有六个齿极，由导磁良好的硅钢片冲制。由导磁良好的硅钢片冲制。电机的转子铁芯有四个齿极，电机的转子铁芯有四个齿极，由导磁良好的硅钢片冲制。由导磁良好的硅钢片冲制。由于定子与转子都有凸起的齿极，这种形式也称为双凸极结由于定子与转子都有凸起的齿极，这种形式也称为双凸极结构。在定子齿极上绕有线圈（定子绕组），用来向电机提供工构。在定子齿极上绕有线圈（定子绕组），用来向电机提供工作磁场。在转子上没有线圈，这是磁阻电机的主要特点。作磁场。在转子上没有线圈，这是磁阻电机的主要特点。在讲电动机工作原理时常用通电导线在

10、磁场中在讲电动机工作原理时常用通电导线在磁场中受力来解释电动机旋转的道理，磁阻电机转子上没受力来解释电动机旋转的道理，磁阻电机转子上没有绕组，那是靠什么力推动转子转动呢？有绕组，那是靠什么力推动转子转动呢？磁阻电动机是利用磁阻最小原理，也就是磁通磁阻电动机是利用磁阻最小原理，也就是磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，利用磁引力拉动转子总是沿磁阻最小的路径闭合，利用磁引力拉动转子旋转。旋转。下面通过图示来说明转子的工作原理，下面是磁阻电动机的正视图，定子六下面通过图示来说明转子的工作原理，下面是磁阻电动机的正视图，定子六个齿极上绕有线圈，径向相对的两个线圈是连接在一起的，组成一个齿极上绕有线圈，径向相

11、对的两个线圈是连接在一起的，组成一“相相”，该电机有该电机有3相，结合定子与转子的极数就称该电机为三相相，结合定子与转子的极数就称该电机为三相6/4结构。在下图标结构。在下图标注的注的A、B、C相线圈仅为后面分析磁路带来方便，并不是连接三相交流电。相线圈仅为后面分析磁路带来方便，并不是连接三相交流电。在下面有一组磁阻电动机运转原理动画的截图，从中我们将看到磁阻电动机是如何转在下面有一组磁阻电动机运转原理动画的截图，从中我们将看到磁阻电动机是如何转动起来的，图中红色的线圈是通电线圈，黄色的线圈没有电流通过；通过定子与转子动起来的，图中红色的线圈是通电线圈，黄色的线圈没有电流通过；通过定子与转子的

12、深蓝色线是磁力线；把转子启动前的转角定为的深蓝色线是磁力线；把转子启动前的转角定为0度。度。从左面图起，从左面图起，A相线圈接通电源产生磁通，磁力线从最近的转子齿极通过转子铁芯，相线圈接通电源产生磁通，磁力线从最近的转子齿极通过转子铁芯，磁力线可看成极有弹力的线，在磁力的牵引下转子开始逆时针转动；中间图是转子转磁力线可看成极有弹力的线，在磁力的牵引下转子开始逆时针转动；中间图是转子转了了10度的图，右面图是转到度的图，右面图是转到20度的图，磁力一直牵引转子转到度的图，磁力一直牵引转子转到30度为止，到了度为止，到了30度转度转子不再转动，此时磁路最短。子不再转动，此时磁路最短。为了使转子继续

13、转动，在转子转到为了使转子继续转动，在转子转到30度前已切断度前已切断A相电源在相电源在30度接通度接通B相电源，相电源，磁通从最近的转子齿极通过转子铁芯，见下左图，于是转子继续转动。中间磁通从最近的转子齿极通过转子铁芯，见下左图，于是转子继续转动。中间图是转子转到图是转子转到40度的图，右面图是转到度的图，右面图是转到50度的图，磁力一直牵引转子转到度的图，磁力一直牵引转子转到60度为止。度为止。在转子转到在转子转到60度前切断度前切断B相电源在相电源在60度时接通度时接通C相电源，磁通从最近的转子相电源，磁通从最近的转子齿极通过转子铁芯，见下左图。转子继续转动，中间图是转子转到齿极通过转子

14、铁芯，见下左图。转子继续转动，中间图是转子转到70度的度的图，右面图是转到图，右面图是转到80度的图，磁力一直牵引转子转到度的图，磁力一直牵引转子转到90度为止。度为止。当转子转到当转子转到90度前切断度前切断C相电源，转子在相电源，转子在90度的状态与前面度的状态与前面0度开始时一样，重度开始时一样，重复前面过程，接通复前面过程，接通A相电源，转子继续转动，这样不停的重复下去，转子就会不相电源，转子继续转动，这样不停的重复下去，转子就会不停的旋转。这就是磁阻电动机的工作原理。停的旋转。这就是磁阻电动机的工作原理。由于是运用了利用磁阻最小原理，故称为磁阻电动机，又由于线圈电流通断、由于是运用了

15、利用磁阻最小原理，故称为磁阻电动机，又由于线圈电流通断、磁通状态直接受开关控制，故称为磁通状态直接受开关控制，故称为开关磁阻电动机开关磁阻电动机。向线圈供电的开关是用开关晶体管进行的，下面就是三相线圈与开关晶体管向线圈供电的开关是用开关晶体管进行的，下面就是三相线圈与开关晶体管的连接示意图，的连接示意图，BG1、BG2、BG3是三个开关晶体管，分别控制三相线圈是三个开关晶体管，分别控制三相线圈A、B、C的电流通断，三极管旁边并联的二极管是用来续流的。的电流通断，三极管旁边并联的二极管是用来续流的。由于电机靠磁阻工作，跟磁通方向无关，即跟电流方向无关，故在上面运行图中没有由于电机靠磁阻工作，跟磁

16、通方向无关，即跟电流方向无关，故在上面运行图中没有标明磁力线的方向。标明磁力线的方向。A、B、C各相线圈轮流通电视乎简单，实际情况要复杂些，线圈切断电源后产生的自各相线圈轮流通电视乎简单，实际情况要复杂些，线圈切断电源后产生的自感电流不会立即消失，要提前关断电源进行续流；为加大力矩相邻相线圈有电流的时感电流不会立即消失，要提前关断电源进行续流；为加大力矩相邻相线圈有电流的时间会有部分重合；调节电动机的转速、转矩也要调整开关时间，各相线圈开通与关断间会有部分重合；调节电动机的转速、转矩也要调整开关时间，各相线圈开通与关断时间与转子定子间的相对位置直接相关，故电机还装有转子位置检测装置为准时开关时

17、间与转子定子间的相对位置直接相关，故电机还装有转子位置检测装置为准时开关各相线圈电流提供依据，何相线圈何时通断必须根据转子转到的位置与控制参数决定。各相线圈电流提供依据，何相线圈何时通断必须根据转子转到的位置与控制参数决定。开关磁阻电机运行原理开关磁阻电机运行原理动画演示动画演示例：例：12/8 极三相开关磁阻电动机极三相开关磁阻电动机v以不同的颜色表示磁场强弱，蓝色磁场最弱，绿色强v当某一相通电时，磁极极尖处磁场强转速的计算设：设：定子绕组为定子绕组为m相，定子齿数相，定子齿数 Ns=2m，转子齿数为转子齿数为Nr。当定子绕组轮流通电一次时，转子转过一个转子齿距。这当定子绕组轮流通电一次时，

18、转子转过一个转子齿距。这样定子需轮流通电样定子需轮流通电 Nr次转子才转过一周，故电机转速次转子才转过一周，故电机转速 n(r/min)与相绕组电压的开关频率与相绕组电压的开关频率 fph之间的关系为之间的关系为 给定子相绕组供电的功率变换器输出电流脉动频率给定子相绕组供电的功率变换器输出电流脉动频率 则为则为 1 1、依次给、依次给、依次给、依次给A-B-C-AA-B-C-A绕组通电，转子逆励磁顺序方绕组通电，转子逆励磁顺序方绕组通电，转子逆励磁顺序方绕组通电，转子逆励磁顺序方向连续旋转。向连续旋转。向连续旋转。向连续旋转。改变绕组导通顺序改变绕组导通顺序改变绕组导通顺序改变绕组导通顺序，就

19、可改变电机，就可改变电机，就可改变电机，就可改变电机的转向。的转向。的转向。的转向。2 2、通电一周期，转过一个转子极距通电一周期，转过一个转子极距通电一周期，转过一个转子极距通电一周期，转过一个转子极距t t t tr r=360/N=360/Nr r3 3、步距角步距角步距角步距角 b b=t t t tr r/m=360/(mN/m=360/(mNr r)4 4、转矩方向与电流无关、转矩方向与电流无关、转矩方向与电流无关、转矩方向与电流无关,但转矩存在脉动。但转矩存在脉动。但转矩存在脉动。但转矩存在脉动。5 5、需要根据定、转子相对位置投入激励。不能像、需要根据定、转子相对位置投入激励。

20、不能像、需要根据定、转子相对位置投入激励。不能像、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，普通异步电机一样直接投入电网运行，普通异步电机一样直接投入电网运行，普通异步电机一样直接投入电网运行，需要与控需要与控需要与控需要与控制器一同使用制器一同使用制器一同使用制器一同使用。结结 论：论：2.1.3 开关磁阻电动机的相数与结构开关磁阻电动机的相数与结构 相数与级数关系相数与级数关系1 1、为了避免单边磁拉力，径向必须对称，所以双、为了避免单边磁拉力，径向必须对称，所以双凸极的凸极的定子和转子齿槽数应为偶数。定子和转子齿槽数应为偶数。2 2、定子和转子齿槽数不相等

21、，但应尽量接近。、定子和转子齿槽数不相等，但应尽量接近。因因为当定子和转子齿槽数相近时，就可能加大定子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。出力的重要因素。SR电动机常用的相数与极数组合电动机常用的相数与极数组合 相数相数 3 4 5 6 7 8 9定子极数定子极数 6 8 10 12 14 16 18转子极数转子极数 4 6 8 10 12 14 16步进角步进角(度度)30 15 9 6 4.28 3.21 2.5 SR电机常用方案电机常用方案相数与转矩、性能关系：相数与转矩、性能关系：

22、相数越大，转矩脉动越小，但成本越高，故常相数越大，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、单相用三相、四相，还有人在研究两相、单相SRM低于三相的低于三相的SRM 没有自起动能力没有自起动能力（1）2-phase 4 stator pole/2 rotor pole（2）4-phase 8 stator pole/6 rotor pole（3）3-phase 6 stator pole/4 rotor pole（4）5-phase 10 stator pole/8 rotor pole利用永磁体辅助起动的单相利用永磁体辅助起动的单相SR电动机电动机 开关磁阻电机的优缺点开

23、关磁阻电机的优缺点vSR电机转子上没有任何形式的绕组、永磁体、滑环等，定子上只有简单的集中绕组，绕组电机转子上没有任何形式的绕组、永磁体、滑环等，定子上只有简单的集中绕组，绕组端部较短，没有相间跨接线，因此端部较短，没有相间跨接线，因此SR电机的结构比鼠笼式感应电动机还要简单。电机的结构比鼠笼式感应电动机还要简单。vSR电机的材料利用系数高，与直流电机甚至感应电机相比，体积小、坚固、维护量小。电机的材料利用系数高，与直流电机甚至感应电机相比，体积小、坚固、维护量小。v由于由于SR电机的转矩与电流极性无关，只需要单方向的电流激励，因此在理论上功率变换器电机的转矩与电流极性无关，只需要单方向的电流

24、激励，因此在理论上功率变换器电路中每相可以只用一个可控开关元件，而且每个可控开关元件都与电机绕组串联，不会电路中每相可以只用一个可控开关元件，而且每个可控开关元件都与电机绕组串联，不会出现像交流电机出现像交流电机PWM逆变器那样有电源直通短路的危险，所以功率变换器电路简单，可靠逆变器那样有电源直通短路的危险，所以功率变换器电路简单，可靠性高。性高。vSR电机转子上无绕组，系统在低速运行时，不仅转矩大，而且转子发热不严重。电机转子上无绕组，系统在低速运行时，不仅转矩大，而且转子发热不严重。vSRD系统可以通过对电流的导通、断开以及电流幅值等的控制，易于实现系统的软启动，系统可以通过对电流的导通、

25、断开以及电流幅值等的控制，易于实现系统的软启动，四象限运行和宽广的恒功率范围。四象限运行和宽广的恒功率范围。vSRD系统的容错能力强，在缺相的情况下仍然能可靠运行。系统的容错能力强，在缺相的情况下仍然能可靠运行。vSR电机原有的转矩脉动大、噪声大的缺点通过技术的进步也已经可以解决。电机原有的转矩脉动大、噪声大的缺点通过技术的进步也已经可以解决。2.1.4 SRD特点特点1)1)电动机结构简单、成本低、适用于高速电动机结构简单、成本低、适用于高速 SRSR电机转子上没有任何形式的绕组、永磁电机转子上没有任何形式的绕组、永磁体、滑环等，定子上只有简单的集中绕组，绕体、滑环等，定子上只有简单的集中绕

26、组，绕组端部较短，没有相间跨接线，因此组端部较短，没有相间跨接线，因此SRSR电机的电机的结构比鼠笼式感应电动机还要简单。结构比鼠笼式感应电动机还要简单。2)2)功率电路简单可靠功率电路简单可靠 因为电动机转矩方向与绕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。功率电路可以做到每相一个功率开关。SRD特点：特点：3)3)各相独立工作，可构成极高可靠性系统各相独立工作，可构成极高可靠性系统 从电动机从电动机的电磁结构上看，各相绕组和磁路相互独立，各自的电磁结构上看，各相绕组和磁路相互独立，各自在一定轴角范

27、围内产生电磁转矩。而不像在一般电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。圆形旋转磁场，电动机才能正常运转。4)4)高起动转矩，低起动电流高起动转矩，低起动电流 控制器从电源侧吸收较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。的一大特点。（SR:0.4IN,1.4TN IM:6-7IN,2-3TN）SRD特点：特点：5)5)适用于频繁起停及正反向转运行适用于频繁起停及正反向转运行 SRDSRD系统

28、系统具有的高起动转矩，低起动电流的特点，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。控制器发热较连续额定运行时还小。6)6)可控参数多，调速性能好可控参数多，调速性能好 控制开关磁阻电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动机的主要运行参数和常用方法至少有四种种:相开通角相开通角,相关断角相关断角,相电流幅值相电流幅值,相绕相绕组电压。组电压。7)7)效率高，损耗小效率高，损耗小 SRDSRD系统是一种非常系统是一种非常高效的调速系统。高效的调速系统。8)8)可通过机和电的统一协调设计满

29、足各可通过机和电的统一协调设计满足各种特殊使用要求种特殊使用要求 。9)9)缺点：转矩脉动、振动、噪声缺点：转矩脉动、振动、噪声 但可通但可通过特殊设计克服过特殊设计克服 SRD特点：特点：54SRD的特点vSR电机结构简单、坚固、维护量小v功率变换器电路简单、可靠性高v可以在宽广的速度和负载范围内高效率运行v控制方便、灵活，易于实现四象限运行v起动电流小，启动转矩大v容错能力强，在缺相情况下仍能可靠运行v转矩脉动大v振动与噪声大2.1.5 SRD发展概况发展概况7.5 kW 7.5 kW、1500 r/min1500 r/min几种调速系统性能比较几种调速系统性能比较几种调速系统性能比较几种

30、调速系统性能比较 2.1.6 SRD的应用与研究动向的应用与研究动向 开关磁阻电动机（开关磁阻电动机（Switched Reluctance Drive：SRD）是）是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统之后发展起来的继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统之后发展起来的最最新一代无级调速系统新一代无级调速系统，是集现代微电子技术、数字技术、电力，是集现代微电子技术、数字技术、电力电子技术、红外光电技术及现代电磁理论、设计和制作技术为电子技术、红外光电技术及现代电磁理论、设计和制作技术为一体的光、机、电一体化高新技术。一体的光、机、电一体化高新技术。它具有调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优

31、点。它具有调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点。英、美等经济发达国家对开关磁阻电动机调速系统的研英、美等经济发达国家对开关磁阻电动机调速系统的研究起步较早，并已取得显著效果，产品功率等级从数究起步较早，并已取得显著效果，产品功率等级从数w直到数直到数百百kw，广泛应用于，广泛应用于家用电器、航空、航天、电子、机械及电动家用电器、航空、航天、电子、机械及电动车辆车辆等领域。等领域。71电动汽车用开关磁阻电机72开关磁阻电机驱动的纯电动汽车 五相SRM三相SRM73于于2004年年6月投入了武月投入了武汉汉市的市的510公汽公汽线线路上运行至今。路上运行至今。课题成果目前的应用情况 74200

32、2年年12月月50/100kW开关磁阻开关磁阻电电机在机在东风东风技技术术中心的装中心的装车车照片照片 SRD的研究方向的研究方向vSR电机设计研究：电机设计研究：铁心损耗计算、转矩脉动、噪声、优化设计等理论铁心损耗计算、转矩脉动、噪声、优化设计等理论vSR电机的控制策略研究：电机的控制策略研究：最优控制，减小转矩脉动、降低噪声最优控制，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各种不确定性干扰的新型控制策略智能控制策略智能控制策略vSR电机的无位置传感器控制电机的无位置传感器控制vS

33、R电机的振动、噪声研究电机的振动、噪声研究v无轴承无轴承SR电机研究（磁悬浮）电机研究（磁悬浮）vSR电机应用研究：电动车、发电机、一体化电机等电机应用研究：电动车、发电机、一体化电机等2.2 SR电机基本方程与性能分析电机基本方程与性能分析不计磁滞、涡流及绕组间互感时，不计磁滞、涡流及绕组间互感时，m相相SR电电机系统示意图机系统示意图 J转转子与负载的转动惯量子与负载的转动惯量 TL负负载转矩载转矩电路方程电路方程第第k相绕组的相电压平衡方程相绕组的相电压平衡方程:磁链方程磁链方程所以：所以：电阻压降电阻压降变压器电动势变压器电动势变压器电动势变压器电动势运动电动势运动电动势运动电动势运动

34、电动势(转子位置改变转子位置改变转子位置改变转子位置改变)为电磁转矩Wf为磁场储能，wr为转子机械角速度如果忽略绕组电阻如果忽略绕组电阻R，则上面的方程可写为：，则上面的方程可写为：由转矩公式可知：由转矩公式可知：1.开关磁阻电机的转矩大小与电流平方成正比，因此开关磁阻电机的转矩大小与电流平方成正比，因此转矩转矩方向与电流方向无关，故可以采用单极性电流供电方向与电流方向无关，故可以采用单极性电流供电。2.转矩与绕组电感对转子位置角的变化率成正比，因此，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，给绕组通电才只有当绕组电感随转子位置角而增大时，给绕组通电才

35、能产生正向电动转矩。能产生正向电动转矩。当电感随转子位置角而下降时，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。如绕组中仍有电流，则将产生制动转矩。3.相绕组关断后绕组电流不能突变为零，有一个延续过程。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。下降之前提前关断绕组。线性模型有利于对线性模型有利于对SR电机的定性分析，了解电机的定性分析，了解其运动的物理状况、内部各物理量的基本特点和相其运动的物理状况、内部各物理量的基本特点和相互关系；互关系；准线性模

36、型具有一定的计算精度，多用于分析准线性模型具有一定的计算精度，多用于分析和设计功率变换器和制定控制策略；和设计功率变换器和制定控制策略；非线性模型则用于电机性能计算、仿真，是电非线性模型则用于电机性能计算、仿真，是电机设计的必需手段。机设计的必需手段。基本控制策略A.低速时的电流斩波控制（Current chopping control-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（Angul

37、ar position control-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。典型机械特性机械运动方程：机械运动方程：式中式中T Te e电磁转矩；电磁转矩；J J 系统的转动惯量；系统的转动惯量；K K摩擦系数；摩擦系数；TL负载转矩。负载转矩。开关磁阻电机的非线性特性 以上分析都是在线性条件下进行的。实际电机磁路为非线性。磁场分布 电磁转矩：电磁转矩：磁共能的表达式为：磁共能的表达式为：-iSRSR电机的瞬时电磁转矩电机的瞬时电磁转矩T Te

38、e可由磁共能可由磁共能W Wc c导出：导出：SRSR电机的平均电磁转矩电机的平均电磁转矩T Tavav2.2.2基于理想线性模型的基于理想线性模型的SR电动机分析电动机分析 线性模型线性模型线性模型线性模型：不计磁路饱和，假定绕组电感与电流无关，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此时电感只与转子位置有关 1 0 2 3 0 4 5 SR电机相电感随转子位置变化电机相电感随转子位置变化 =1位置位置转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置statorrotor 1stator=0o位置位置rotor定子磁极轴线与转子凹槽中心重合定子磁极轴

39、线与转子凹槽中心重合=0ostator =2位位置置rotor转子磁极前沿与定子磁极前沿相遇位置转子磁极前沿与定子磁极前沿相遇位置 2stator =3位置位置转子磁极前沿与定子磁极前沿重合位置转子磁极前沿与定子磁极前沿重合位置rotor 3stator =4位位置置rotor转子凹槽前沿与定子磁极后沿重合位置转子凹槽前沿与定子磁极后沿重合位置 4stator =5位位置置rotor转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置 5 1 0 2 3 0 4 5 =0 定子磁极轴线与转子凹槽中心重合定子磁极轴线与转子凹槽中心重合 1(5)转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置转

40、子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置 2 转子磁极前沿与定子磁极前沿相遇位置转子磁极前沿与定子磁极前沿相遇位置 3 转子磁极前沿与定子磁极前沿重合位置转子磁极前沿与定子磁极前沿重合位置 4 转子凹槽前沿与定子磁极后沿重合位置转子凹槽前沿与定子磁极后沿重合位置SR电机绕组电感的分段线性解析式：电机绕组电感的分段线性解析式：K=(Lmax-Lmin)/(3-2)=(Lmax-Lmin)/s特征：特征：特征：特征：随定、转子磁极重叠的增加和减少，相电感随定、转子磁极重叠的增加和减少，相电感随定、转子磁极重叠的增加和减少，相电感随定、转子磁极重叠的增加和减少，相电感在在在在L Lmax max 和和和和L

41、 Lminmin之间线性地变化之间线性地变化之间线性地变化之间线性地变化 。Lmin为定子磁极轴线对转子凹槽中心时的电感为定子磁极轴线对转子凹槽中心时的电感,Lmax定子磁极轴线对转子磁极轴线的电感定子磁极轴线对转子磁极轴线的电感。相电流解析分析相电流解析分析第第k k相绕组模型相绕组模型续流结束角续流结束角续流结束角续流结束角忽略电阻，相绕组电压方程：忽略电阻，相绕组电压方程：所以：所以：所以：所以：而：而：=L i相电流解析分析相电流解析分析同时可以同时可以导出：导出：KT为常数为常数1)当当 1 2,L=Lmin,Us为为+因：因：L=Lmin,Us取取+,则：则：又：又：i(on)=0

42、,所以，所以，当当 1 2时，时，2)当当 2 off,L=Lmin+K(-2)，Us为为+积分得：积分得：由初始条件：由初始条件：i(2)=Us(2-on)/(Lmin)确定确定 C=Us on/，所以，所以,2)当当 2 off时时在在 2 off 期间期间3)当当 off 3,L=Lmin+K(-2)，Us为为-4)当当 3 4,L=Lmax，Us为为-5)当当 4 2 off-on5,L=Lmax-K(-4)，Us为为-on 2:电感上升，使绕组电感上升，使绕组电流下降电流下降 off 3:在电感达最大之前，绕组在电感达最大之前，绕组关断，绕组续流。关断，绕组续流。3 z 4(zz=2

43、=2offoff-onon)在电感下降之前，续流结在电感下降之前，续流结束。否则会产生反向转矩束。否则会产生反向转矩典型电流波形典型电流波形不同开通角下电流波形特点：特点：开通角越开通角越小，电流小，电流幅值越大，幅值越大，续流时间续流时间越长。越长。不同关断角下电流波形变化趋势：变化趋势：结构一定，在结构一定，在onon和和offoff不变时，不变时，绕组电流随外加电压的增大而增大，随转速绕组电流随外加电压的增大而增大，随转速的升高而减小；通过调整开关角和关断角也的升高而减小；通过调整开关角和关断角也可以影响绕组电流，从而就间接地使电动机可以影响绕组电流，从而就间接地使电动机的电磁转矩增大。

44、的电磁转矩增大。影响绕组电流的因素影响绕组电流的因素：外加电源电压外加电源电压UsUs、角、角速度速度r r、开通角、开通角onon、关断角、关断角offoff、最大电、最大电感感Lmaxmax、最小电感、最小电感Lminmin、定子极弧、定子极弧s s等。等。线性模型忽略了许多因素，计算结果误差很大，只线性模型忽略了许多因素，计算结果误差很大，只能定性地说明影响电流、转矩的因素。能定性地说明影响电流、转矩的因素。为避免繁琐计算，又近似考虑磁路的饱和效应，常为避免繁琐计算，又近似考虑磁路的饱和效应，常借助准线性模型：将实际非线性磁化曲线分段线性，借助准线性模型：将实际非线性磁化曲线分段线性，且

45、不考虑磁耦合且不考虑磁耦合两段线性处理：两段线性处理：两段线性处理：两段线性处理：一段为饱和段，视为与一段为饱和段，视为与=0的位置的磁的位置的磁化曲线平行化曲线平行,斜率为斜率为Lmin；一段为非饱和段，为；一段为非饱和段，为L(,i)的的 不饱和段。不饱和段。准线性模型分析准线性模型分析实际磁化曲线实际磁化曲线分段线性磁化曲线分段线性磁化曲线i1准线性模型绕阻电感准线性模型绕阻电感L(i,):基于准线性模型，基于准线性模型，L(i,)是可解析的，可以是可解析的，可以分别求出绕阻磁链与磁共能的分段解析式，由分别求出绕阻磁链与磁共能的分段解析式，由此得到此得到SR电机的瞬时转矩的分段解析式：电

46、机的瞬时转矩的分段解析式：在相电流为理想平顶波的情况下，在相电流为理想平顶波的情况下，SR电机平电机平均电磁转矩均电磁转矩Tav的解析式的解析式 当当当当SRSRSRSR电电电电动动动动机机机机运运运运行行行行在在在在电电电电流流流流值值值值很很很很小小小小的的的的情情情情况况况况下下下下，磁磁磁磁路路路路不不不不饱和，电磁转矩与电流平方成正比；饱和，电磁转矩与电流平方成正比；饱和，电磁转矩与电流平方成正比；饱和，电磁转矩与电流平方成正比；当当当当运运运运行行行行在在在在饱饱饱饱和和和和情情情情况况况况下下下下，电电电电磁磁磁磁转转转转矩矩矩矩与与与与电电电电流流流流的的的的一一一一次次次次方

47、方方方成正比。这个结论可以作为制定控制策略的依据。成正比。这个结论可以作为制定控制策略的依据。成正比。这个结论可以作为制定控制策略的依据。成正比。这个结论可以作为制定控制策略的依据。1)on 是控制转矩的重要参数：是控制转矩的重要参数：一定时，若一定时，若开通角开通角 on较小，相电流直线上升时间较长，较小，相电流直线上升时间较长，从而增大电流，提高转矩从而增大电流，提高转矩。2)在在 on一定时，增大一定时，增大 off,平均转矩也相应增大。平均转矩也相应增大。但导通角但导通角 c=off-on有一个最佳值，超过此值，有一个最佳值，超过此值，c 增大，平均转矩反而减小。增大，平均转矩反而减小

48、。讨论：讨论：2.3 SR电机的控制原理电机的控制原理SR电机固有机械特性：电机固有机械特性：F为以电机结构参数为以电机结构参数(m，Nr，2，Lmax，Lmin)和和控制参数控制参数(on,off)为变量的函数为变量的函数整理得：整理得：对一定电机，结构参数一定。如对一定电机，结构参数一定。如Us、on、off一定，则一定，则电机的固有机械特性电机的固有机械特性为：为：Tav=k/2 P=k/SR电动机的基本机械特性电动机的基本机械特性 SR电机的基速电机的基速vSR电机的固有机械特性类似与直流电机电机的固有机械特性类似与直流电机的串励特性。的串励特性。v对给定对给定SR电机，在最高电压电机

49、，在最高电压Us和最大允和最大允许电流条件下，存在一个临界角速度。即许电流条件下，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，称电机得到最大转矩的最高角速度，称为为基速基速。SR电机控制策略：电机控制策略：*基速以下，电流斩波控制基速以下，电流斩波控制(CCC)，输出恒转矩，输出恒转矩可控量为：可控量为：Us、on、off控制法控制法1：固定：固定 on,off，通过电流斩波限，通过电流斩波限制电流，得到恒转矩制电流，得到恒转矩控制法控制法2：固定：固定 on,off，由速度设定值和，由速度设定值和实际值之差调制实际值之差调制Us，进而改变转矩，进而改变转矩*基速以上，角度位置控制

50、基速以上，角度位置控制(APC)，输出恒功率，输出恒功率设定电流上、下幅值的斩波图设定电流上、下幅值的斩波图 设定电流上限和关断时间斩波图设定电流上限和关断时间斩波图 PWM斩波调压控制的电流波形斩波调压控制的电流波形 APC运行时运行时Tav与与 on、off的关系的关系 控制方式的合理选择控制方式的合理选择 电流斩波的最高限速电流斩波的最高限速 Cmax (on 2)电流斩波的最高限速为电流斩波的最高限速为 SR电动机的起动运行电动机的起动运行 四相四相四相四相SRSR电动机的矩角特性电动机的矩角特性电动机的矩角特性电动机的矩角特性 两相起动时合成转矩波形两相起动时合成转矩波形 SR电动机