開關(guān)磁阻電機(jī)的基本了解

1、開關(guān)磁阻電機(jī)的基本學(xué)習(xí)內(nèi)容1 開關(guān)磁阻電機(jī)的基本原理以及結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(Switched Reluctance Motor，簡稱SRM) 定轉(zhuǎn)子為雙凸極結(jié)構(gòu)，鐵心均由普通硅鋼片疊壓而成，其定子極上有集中繞組，徑向相對的兩個(gè)繞組串聯(lián)構(gòu)成一相，轉(zhuǎn)子非永磁體，其上也無繞組1,3。SRM的定轉(zhuǎn)子極數(shù)必須滿足如下約束關(guān)系： (1-1) 其中，Ns，Nr分別為電機(jī)定、轉(zhuǎn)子數(shù)；m為電機(jī)相數(shù)值減1；k為一常數(shù)。以下圖1-1所示一個(gè)典型四相8/6極SRM為例，相數(shù)為4，因而m=3，取k=1，則Ns=6，Nr=8。m及k值越高，越利于高控制性能控制，但相應(yīng)成本越高，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。目前技術(shù)較為成熟，發(fā)展較為迅速的

2、產(chǎn)品多為三、四相SRM2。圖1-1即為一典型四相8/6結(jié)構(gòu)的SRM電機(jī)本體及其不對稱功率變換器主電路的示意圖（圖1-1在末尾手畫）。為表述清晰，圖中僅畫出不對稱半橋電路的一相，其他各相均與該相相同，并省略了相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)及檢測電路。完整的開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（Switched Reluctance Motor Drive，簡稱SRD）則由SRM、功率變換器、控制器、位置檢測器等四大部分組成，如下圖1-2示。SRM可以認(rèn)為是同步電機(jī)的一個(gè)分支，它運(yùn)行時(shí)遵循磁阻最小原理，同步進(jìn)電機(jī)較為類似2,30。其具體運(yùn)行原理如下：首先要保證勵(lì)磁相的定子凸極和最近的轉(zhuǎn)子凹極中心線不重合，也即初始位移不能位于磁阻最小

3、位置。通以交流電后，經(jīng)過一個(gè)整流橋變?yōu)橹绷麟娫?，?dāng)開關(guān)S1和S2開通時(shí)，AA相通電勵(lì)磁，產(chǎn)生一個(gè)磁拉力。在該電磁力的軸向分量作用下，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，凸極轉(zhuǎn)子鐵心趨向于旋轉(zhuǎn)到定轉(zhuǎn)子極軸線B-B與A-A重合的位置；而電磁力的徑向力分量則造成定子的“變形”，這也是產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和電機(jī)噪聲的根本原因之一。在該過程中電機(jī)吸收電能。關(guān)斷S1和S2，開通BB相，此時(shí)AA相經(jīng)續(xù)流二極管VD1、VD2將電能回饋給電源，同時(shí)BB相趨向運(yùn)行到定轉(zhuǎn)子極軸線C-C與B-B重合的位置。以此類推，順次給ABCD相循環(huán)勵(lì)磁，在慣性和軸向力的作用下，轉(zhuǎn)子將一直逆著勵(lì)磁順序旋轉(zhuǎn)，從而完成自同步運(yùn)行。同理若改變勵(lì)磁順序?yàn)镃BAD，則轉(zhuǎn)

4、子沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。由此可以看出， SRM與直流電機(jī)不同，其運(yùn)行方向與相電流方向無關(guān)，而僅與相繞組通電順序有關(guān)。圖1-2開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成初次以外，我還搜集了幾種不同結(jié)構(gòu)的SR電機(jī)，分別有渦輪轉(zhuǎn)子兩相SR電機(jī)，可控飽和兩相SR電機(jī)、常規(guī)結(jié)構(gòu)三相6/4級SR電機(jī)、三相6/8SR電機(jī)、三相12/10級SR電機(jī)、三相6/2級SR電機(jī)、三相12/8級SR電機(jī)、三相24/32極外轉(zhuǎn)子SR電機(jī)、五項(xiàng)10/8級短磁SR電機(jī)、七相14/12極短磁路SR電機(jī)，具體配圖見報(bào)告末尾備注。二 SRD的物理方程與控制分析SRM的雙凸極結(jié)構(gòu)及整個(gè)磁路的脈振性、高飽和、渦流、磁滯等非線性因素的存在，加上運(yùn)行時(shí)的開關(guān)性

5、，使得的SRM精確分析極為困難【41,44】。在此問題上，適度的簡化模型顯示了強(qiáng)大的優(yōu)勢。首先，基于簡化模型的假設(shè)如下【28，102】：主開關(guān)電源的直流電壓(±Us)不變；忽略鐵耗及相間互感；忽略功率開關(guān)自身的功耗，視為理想開關(guān)器件；認(rèn)為電機(jī)各相參數(shù)完全對稱；磁場不飽和。在此基礎(chǔ)上，我們可以得到SRM運(yùn)行的本質(zhì)電磁和力學(xué)關(guān)系，寫出其嚴(yán)密的物理方程1,2,3,7。1.電路方程 (1-2)式中，Uk：第k相繞組端電壓；Rk、ik、yk：第k相繞組的電阻、電流和磁鏈。2.磁鏈方程相繞組磁鏈可用相電感和相電流表示，即： (1-3)式中，q：轉(zhuǎn)子位置角。3.機(jī)械方程 (1-4)其中： (1-5

6、) (1-6)式中，：角速度；Te：電磁轉(zhuǎn)矩；：負(fù)載轉(zhuǎn)矩；J：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；D：摩擦系數(shù)。4.機(jī)電聯(lián)系方程單相單獨(dú)工作時(shí)電機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為：(1-7)且 ： (1-8)式中，：相繞組磁共能。由電路方程，可求得簡化模型下的相電流解析式為：(1-9)其中，f( )為電機(jī)本體參數(shù)、開通范圍及轉(zhuǎn)子位置角的函數(shù)。因此，可得到m相電機(jī)的平均電磁轉(zhuǎn)矩為：(1-10)5. 機(jī)械特性方程如果開通區(qū)間和給定電壓固定，則式(1-10)中積分部分為定值，由此得到SRM固有機(jī)械特性為：(1-11)式中，k為比例系數(shù)。將式1-11變形可得： (1-12)由此可明顯看出，SRM可調(diào)速參數(shù)較多，分別為：相繞組電壓Us、開通角和

7、關(guān)斷角。根據(jù)調(diào)節(jié)參數(shù)的不同，可將SRD常見調(diào)速方式分為三種1,53,58,59斬波控制方式(Current Chopping Control，簡稱CCC)；角度位置控制方式(Angular Position Control，簡稱APC)；和電壓控制(VoltageControl，簡稱VC)，其中VC常采用電壓PWM（Pulse Width Modulation，簡稱PWM）方式，如圖1-3所示。三種調(diào)速方式中，CCC常用于基速以下的恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，通過電流斬波限來限制其啟動(dòng)電流。APC則適用于基速以上的恒功率區(qū)，因旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢較大，開關(guān)器件導(dǎo)通的時(shí)間較短，電流較小，可通過APC方式增大來補(bǔ)償電磁轉(zhuǎn)矩。

8、電壓PWM方式通過調(diào)節(jié)繞組電壓平均值，間接調(diào)節(jié)并限制繞組電流，適用于整個(gè)調(diào)速范圍。下圖 1-4 a)- c)分別為各調(diào)速方式的控制框圖。圖1-3 SRD常見調(diào)速方式應(yīng)用為使SRD工作于最佳狀態(tài)，需結(jié)合不同的調(diào)速方式選擇合適的控制策略。目前較常用的有傳統(tǒng)PI控制17、模糊控制【4,30】、滑?？刂啤?3】及其組合控制【34,35】等。由于其電機(jī)的強(qiáng)耦合和非線性等特性，傳統(tǒng)控制無法滿足系統(tǒng)高性能的要求，智能控制正逐步應(yīng)用于SR電機(jī)控制領(lǐng)域，很多學(xué)者致力于該方面的研究，如自適應(yīng)控制【27,28，31】、反饋線性化控制【59】、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制【43，45】等。三SRD的控制方式以及運(yùn)行狀態(tài) 開關(guān)磁阻

9、電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，有三種物理狀態(tài)：1 起動(dòng)2 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行3 制動(dòng)控制開關(guān)磁阻電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),控制方式有三種,分別是電流限制CCC控制/電流PWM控制、電壓PWM控制，其三種手畫圖分別為圖a、圖b、圖c。 圖a圖b圖c四SRD電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1. SRD有較大的電機(jī)利用系數(shù)，可以是感應(yīng)電機(jī)利用系數(shù)的1.21.4倍2. 電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)子上沒有繞組；定子上只有簡單的集中繞組，沒有相間跨接線。3. 轉(zhuǎn)矩與電流極性無關(guān)，單向電流激勵(lì)。4. 對轉(zhuǎn)速限制小，可以制成高速電動(dòng)機(jī)5. 通過對電流的通段、幅值控制，滿足不同服在要求的機(jī)械特性6. SRD系統(tǒng)效率和功率密度在寬廣的速度和負(fù)載范圍內(nèi)都較高缺點(diǎn)：1. 有轉(zhuǎn)

10、矩脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩由一系列脈沖轉(zhuǎn)矩疊加而成，切有雙凸級結(jié)構(gòu)和磁路非線性，合成轉(zhuǎn)矩不是恒定轉(zhuǎn)矩，有一定的諧波分量2. 噪聲與振動(dòng)大3. 出線頭多五SRD電機(jī)性能、應(yīng)用以及研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景自1842年，英國的Aberdeen和Davidson的開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行理念誕生以來，經(jīng)過100多年的技術(shù)準(zhǔn)備，1967-1970年出現(xiàn)了世界上第一臺SRM的雛形28與傳統(tǒng)交直流電機(jī)相比，整體效率高10以上；功率因數(shù)空載時(shí)可達(dá)0.995，滿載時(shí)可達(dá)0.98，結(jié)構(gòu)簡單、性價(jià)比高、性能可靠、調(diào)速范圍寬、運(yùn)行效率高、可控參數(shù)多，控制靈活方便，允許頻繁起停，起停次數(shù)可達(dá)1000次/小時(shí)，轉(zhuǎn)速不受負(fù)載大小變化的影響，具有很高的效

11、率17,18。因而上世紀(jì)80年代以后，開關(guān)磁阻電機(jī)得到迅速發(fā)展，日新月異【58,1011】。目前國內(nèi)外已有許多公司分別推出了其商品化的開關(guān)磁阻電機(jī)產(chǎn)品，代表性產(chǎn)品如下表1-1所示【28,36,60,73,87,88】。表1-1 SRD代表性產(chǎn)品或樣機(jī)Table 1-1 Representative Products of the SRD研制單位相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)優(yōu)勢優(yōu)點(diǎn)美國GE高速SRD樣機(jī)90 kw ，105r/min有效材料僅10kg， 5MW， 1*106N.m中國SRM采煤機(jī)，牽引電機(jī)100kw，180kw防爆，適用于惡劣工作環(huán)境，可頻繁起制動(dòng)南京航空航天大學(xué)高速SRD樣機(jī)1kW，1.5

12、kW， 105r/min可超高速運(yùn)行，工作轉(zhuǎn)速可達(dá)130,000r/min；英國SRD Ltd.第二代SRD通用產(chǎn)品100w100Kw 505000 r/min效率比第一代OULTON電機(jī)高2%以上英國ALLENWESTSRD產(chǎn)品通用系列7.522KW功率范圍大英國BJD公司密閉水冷式SRD35KW防爆，耐高溫意SICME MOTOR和英國SRD Ltd.XMC、XMP、XME3系列SRD80 180m， 4Kw140Kw，3000rpm，轉(zhuǎn)速的60140%范圍內(nèi)的效率都高于90%，即使在20%額定轉(zhuǎn)速的低速下，其效率仍可達(dá)40%.英國Nottingham開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電機(jī)可變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)加拿

13、大semifusion開關(guān)磁阻伺服系統(tǒng)雙軸、四象限，調(diào)速平穩(wěn)中國于1984年跟蹤英國的研究成果，在借鑒國外經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開關(guān)磁阻電機(jī)的研究進(jìn)展很快【13,14】。目前華中科技大學(xué)在“九五”項(xiàng)目中研制出了SRD電動(dòng)車，“十五”項(xiàng)目中將SRD應(yīng)用到混合動(dòng)力城市公交車，南京調(diào)速電機(jī)廠已與與北京紡織機(jī)械研究所合作研制成功3kW的SRM。近年來，我國已研制了50W-50KW、20多個(gè)規(guī)格的工業(yè)產(chǎn)品樣機(jī)，應(yīng)用于刨床、煤礦牽引、紡織、冶金、機(jī)械、運(yùn)輸、電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)、航空、和家用電器等領(lǐng)域【58,1011】?，F(xiàn)已開始新型SRM電機(jī)的研究【101】如DSPM電機(jī)、電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)、磁浮開關(guān)磁阻電機(jī)【22】、無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)【93】等，并取得了一定研究成果。在SR電機(jī)的理論研究上，主要集中于控制、仿真、設(shè)計(jì)理論和電磁數(shù)值分析等方面，代表單位有南京航空航天大學(xué)、華中科技大學(xué)，華中理工大學(xué)、華南理工大學(xué)、東南大學(xué)、西安交通大學(xué)、浙江大學(xué)、清華大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)、北京紡織機(jī)械研究所，上海電科院、西安微電機(jī)研究所等39,42,47,52,57。作為一新型電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，SRD涵蓋了電力電子、電機(jī)、微機(jī)、控制工程、控制機(jī)械等知識領(lǐng)域。目前SRD還存在轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大、噪聲大、需要位置檢測器、系統(tǒng)非線性等缺點(diǎn)【55,56】，在理論和應(yīng)用上仍需進(jìn)行深入研究，主要有以下方面： SRM仿真