開關磁阻電機課件20116整理

電機可以根據轉矩產生的機理粗略的分為兩大類：一類是由電磁作用原理產生轉矩；另一類是由磁阻變化原理產生轉矩。在第一類電機中，運動是定、轉子兩個磁場相互作用的結果。這種相互作用產生使兩個磁場趨于同向的電磁轉矩，這類似于兩個磁鐵的同極性相排斥、異極性相吸引的現象。目前大部分電機都是遵循這一原理，例如一般的直流電機和交流電機。第二類的電機，運動是由定、轉子間氣隙磁阻的變化產生的。當定子繞組通電時，產坐一個單相磁場，其分鈾要遵循“磁阻最小原則”，即磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合。因此，當轉子軸線與定子磁極的軸線不重合時，便公有磁阻力作用在轉子上并產生轉矩使其趨向于磁阻最小的位置。即兩軸線重合位置，這類似于磁鐵吸引鐵質物質的現象。開關磁阻電機就是屬于這一類型的電機。兩類不同機理的電動機開關磁阻電機的最早文獻卻可追溯到1838年，英格蘭學者Davidson制造了一臺用以推動蓄電池機車的驅動系統(tǒng)。70年代左右，英國Leeds大學步進電機和磁阻電機研究小組首創(chuàng)了一臺現代開關磁阻電機的雛形。1980年，Lawrenson及其同事在ICEM會議上，發(fā)表著名論文“開關磁阻調速電動機”，系統(tǒng)地介紹了他們的工作成果，闡述了SR電機的原理及設計特點，在國際上奠定了現代SR電機的地位，這也標志著SRD正式得到國際認證。從此，世界上大批學者投入到SR電機的研究領域。到日前為止，在SRD系統(tǒng)的開發(fā)研制方面，英國一直處于國際領先地位。除英國外，美國、中國、加拿大、印度、韓國等國家也都開展了SRD系統(tǒng)的研究工作。通過20多年的研究和改進，SRD的性能不斷提高，目前已能在數百瓦到數百千瓦的功率范圍內使其性能不低于其他形式的電機。開關磁阻電機發(fā)展歷史2.1SRD傳動系統(tǒng)2.1.1SRD傳動系統(tǒng)的組成SR電動機定、轉子實際結構

工作機理開關磁阻電機的工作機理基于磁通總是沿磁導最大的路徑閉合的原理。當定、轉子齒中心線不重合、磁導不為最大時，磁場就會產生磁拉力，形成磁阻轉矩，使轉子轉到磁導最大的位置。當向定子各相繞組中依次通入電流時，電機轉子將一步一步地沿著通電相序相反的方向轉動。如果改變定子各相的通電次序，電機將改變轉向。但相電流通流方向的改變是不會影響轉子的轉向的。一、開關磁阻電機（SwitchedReluctanceMotor)

1.結構特點1定子和轉子均為凸極結構；2定子上空間相對的兩個極上的線圈串聯或并聯構成一相繞組3定子集中繞阻、繞組為單方向通電4轉子上無繞組5最常見的組合為6/4極，8/6極或12/8極。2.1.2運行原理：磁阻最小原理磁通總要沿著磁阻最小路徑閉合，一定形狀的鐵心在移動到最小磁阻位置時，必定使自己的軸線與主磁場的軸線重合A-A’通電?

1-1‘與A-A’重合B-B’通電?

2-2‘與B-B’重合C-C’通電?

3-3‘與C-C’重合D-D’通電?

1-1‘與D-D’重合依次給A-B-C-D繞組通電，轉子逆勵磁順序方向連續(xù)旋轉例：12/8極三相開關磁阻電動機以不同的顏色表示磁場強弱，藍色磁場最弱，綠色強當某一相通電時，磁極極尖處磁場強轉速的計算設：定子繞組為m相，定子齒數Ns=2m，轉子齒數為Nr。當定子繞組輪流通電一次時，轉子轉過一個轉子齒距。這樣定子需輪流通電Nr次轉子才轉過一周，故電機轉速n(r/min)與相繞組電壓的開關頻率fph之間的關系為給定子相繞組供電的功率變換器輸出電流脈動頻率則為

1、依次給A-B-C-A繞組通電，轉子逆勵磁順序方向連續(xù)旋轉。改變繞組導通順序，就可改變電機的轉向。2、通電一周期，轉過一個轉子極距tr=360/Nr3、步距角qb=tr/m=360/(mNr)4、轉矩方向與電流無關,但轉矩存在脈動。5、需要根據定、轉子相對位置投入激勵。不能像普通異步電機一樣直接投入電網運行，需要與控制器一同使用。結論：2.1.3開關磁阻電動機的相數與結構

相數與級數關系1、為了避免單邊磁拉力，徑向必須對稱，所以雙凸極的定子和轉子齒槽數應為偶數。2、定子和轉子齒槽數不相等，但應盡量接近。因為當定子和轉子齒槽數相近時，就可能加大定子相繞組電感隨轉角的平均變化率，這是提高電機出力的重要因素。SR電動機常用的相數與極數組合

相數3456789定子極數681012141618轉子極數46810121416步進角(度)3015964.283.212.5SR電機常用方案相數與轉矩、性能關系：相數越大，轉矩脈動越小，但成本越高，故常用三相、四相，還有人在研究兩相、單相SRM低于三相的SRM沒有自起動能力2.2SR電機基本方程與性能分析不計磁滯、渦流及繞組間互感時，m相SR電機系統(tǒng)示意圖

J—轉子與負載的轉動慣量

TL—負載轉矩由轉矩公式可知：開關磁阻電機的轉矩大小與電流平方成正比，因此轉矩方向與電流方向無關，故可以采用單極性電流供電。轉矩與繞組電感對轉子位置角的變化率成正比，因此，只有當繞組電感隨轉子位置角而增大時，給繞組通電才能產生正向電動轉矩。當電感隨轉子位置角而下降時，如繞組中仍有電流，則將產生制動轉矩。相繞組關斷后繞組電流不能突變?yōu)榱?，有一個延續(xù)過程。為防止繞組電流延續(xù)到負轉矩區(qū)，必須在繞組電感開始下降之前提前關斷繞組。機械運動方程：式中Te——電磁轉矩；

J——系統(tǒng)的轉動慣量；

KΩ——摩擦系數；

TL——負載轉矩。

2.2.2基于理想線性模型的SR電動機分析

線性模型：不計磁路飽和，假定繞組電感與電流無關，此時電感只與轉子位置有關1023045

SR電機相電感隨轉子位置變化=1位置轉子凹槽前沿與定子磁極前沿相遇位置statorrotor1stator=0o位置rotor定子磁極軸線與轉子凹槽中心重合=0ostator=2位置rotor轉子磁極前沿與定子磁極前沿相遇位置2stator=3位置轉子磁極前沿與定子磁極前沿重合位置rotor3stator=4位置rotor轉子凹槽前沿與定子磁極后沿重合位置4stator=5位置rotor轉子凹槽前沿與定子磁極前沿相遇位置5相電流解析分析第k相繞組模型續(xù)流結束角on<2:在電感上升前開通，迅速建立電流，以獲得足夠轉矩>2:電感上升，使繞組電流下降off<3:在電感達最大之前，繞組關斷，繞組續(xù)流。3<z<4(θz=2θoff-θon)在電感下降之前，續(xù)流結束。否則會產生反向轉矩典型電流波形不同開通角下電流波形特點：開通角越小，電流幅值越大，續(xù)流時間越長。不同關斷角下電流波形1)on

是控制轉矩的重要參數：一定時，若開通角on較小，相電流直線上升時間較長，從而增大電流，提高轉矩。2)在on一定時，增大off,平均轉矩也相應增大。但導通角c=off-on有一個最佳值，超過此值，c增大，平均轉矩反而減小。討論：2.3SR電機的控制原理SR電機固有機械特性：F為以電機結構參數(m，Nr，2，Lmax，Lmin)和控制參數(on,off)為變量的函數整理得：對一定電機，結構參數一定。如Us、on

、off一定，則電機的固有機械特性為：

Tav=k/2P=k/

基本控制策略A.低速時的電流斬波控制（Currentchoppingcontrol-CCC)在電感很小時使繞組開通，電流快速上升。為防止電流過大而損壞電機，當電流達到最大值Imax時，使繞組關斷，電流開始衰減，當電流衰減咸至Imin時，繞組重新開通。在最大電感出現之前必須將繞組關斷，以免電流延續(xù)到負轉矩區(qū)。B.高速時的角度位置控制（Angularpositioncontrol-APC)高速時，由于反電勢大，電流受到限制，上升較慢。當到達最大值后，因電感的增加，電流返而下降。同樣，為避免電流延續(xù)到負轉矩區(qū)，繞組要在電感到達最大值之前關斷。速度越高，要關斷的越早。

SR電動機的基本機械特性

SR電機的基速SR電機的固有機械特性類似與直流電機的串勵特性。對給定SR電機，在最高電壓Us和最大允許電流條件下，存在一個臨界角速度。即SR電機得到最大轉矩的最高角速度，稱為基速。2.4SRM功率變換器功率變換器是直流電源和SRM的接口，起著將電能分配到SRM繞組中的作用，同時接受控制器的控制。

由于SRM遵循“最小磁阻原理”工作，因此只需要單極性供電的功率變換器。功率變換器應能迅速從電源接受電能，又能迅速向電源回饋能量。對功率變換器主電路的要求

（1）較少數量的主開關元件；（2）可將全部電源電壓加給電動機相繞組；（3）主開關器件的電壓額定值與電動機接近；（4）具備迅速增加相繞組電流的能力；（5）可通過主開關器件調制，有效地控制相電流；（6）能將能量回饋給電源。2.4.1主電路常見形式1、雙開關型每相有兩只主開關和兩只續(xù)流二極管。當兩只主開關VT1和VT2同時導通時，電源US

向電機相繞組供電；當VT1和VT2同時關斷時，將電機的磁場儲能以電能形式迅速回饋電源，實現強迫換相。。雙開關型電路特點：1）適用于任意相數SR電機2）相控獨立性：獨立3）相電壓=電源電壓4）器件數量多

三相SR電機常采用雙開關型主電路雙開關型主電路又稱為不對稱半橋型主電路2、H橋型

換相相的磁能以電能形式一部分回饋電源，另一部分注入導通相繞組，引起中點電位的較大浮動。它要求每一瞬間必須上、下各有一相導通。工作制：AB-BC-CD-DAH橋型電路的特點1）只適用于4的倍數相SR電機2）主開關數較少3）相控獨立性：不獨立4）相繞組電壓浮動5）本電路特有的優(yōu)點:可以實現零壓續(xù)流，提高系統(tǒng)的控制性能。H橋型電路為4相SR電機最常用的主電路形式4相SR電機主電路工作方式4相8/6極SR電機主電路方式1：單管斬波方式，需增加一個公共開關V0,PWM斬波由V0完成，V1-V4只負責換相.V0導通V0關斷AB兩相導通時工作情況方式2：四相斬波方式V1-V4不僅擔負換相任務，還要進行PWM斬波兩導通相對應的開關V1、V2同時開通或關斷主電路續(xù)流方式3：兩相斬波方式主電路同方式2，V1和V3進行PWM斬波控制，工作情況較復雜斬波：V1關斷，續(xù)流換相：V2關斷，V1導通換相：V1關斷，V2導通

主電路設計實例

系統(tǒng)的主要技術指標

額定功率：30kW；額定轉速：1500r/min；轉速范圍：50~2000r/min電源：三相交流380V/50Hz；雙向運行，停車制動；起動轉矩：1.5190Nm；過載能力：120%。功率變換器主電路

器件的選用

IGBT模塊結構圖

EXB841原理圖

IGBT驅動電路

EXB841典型應用電路

2.5SRM傳動系統(tǒng)的反饋信號檢測2.5.1位置檢測與換相邏輯光電傳感器靜止部分運動部分紅外發(fā)光二極管、光敏三極管、輔助電路與SRM轉子同軸安裝的遮光盤、遮光盤有6個30o間隔的齒位置檢測位置信號檢測電路原理圖VG為光耦，R1、R2限流電阻，兩個非門對輸出信號進行整形，以消除毛刺和上升沿、下降沿。光電耦合器件4相SR電機位置傳感器安裝示意圖定子上安裝兩個相距75o的光敏器件S、P,分別與定子極中心線成37.5o夾角。可輸出兩路相差15o、占空比為50%的方波信號將其組合為4種不同狀態(tài)，代表定子繞組4種不同參考位置位置1：0o導通相分析：令轉向為逆時針旋轉，則應為A、B兩相導通位置傳感器信號：S未遮，輸出高電平，持續(xù)15o。P被遮，輸出低電平，持續(xù)30o。位置2：轉過15o導通相分析：令轉向為逆時針旋轉，則應為B、C兩相導通位置傳感器信號：S被遮，輸出低電平，持續(xù)30o。P被遮，輸出低電平，持續(xù)15o。位置3：轉過30o導通相分析：令轉向為逆時針旋轉，則應為C、D兩相導通位置傳感器信號：S被遮，輸出低電平，持續(xù)15o。P未遮，輸出高電平，持續(xù)30o。位置4：轉過45o導通相分析：令轉向為逆時針旋轉，則應為D、A兩相導通位置傳感器信號：S未遮，輸出高電平，持續(xù)