開關磁阻電機淺析

1、開關磁阻電機淺析 2.1 SRM 傳動系統(tǒng)傳動系統(tǒng) 2.2 SRM 基本方程與性能分析基本方程與性能分析 2.3 SRD的的 控制原理控制原理 2.4 SRD 的功率變換器的功率變換器 2.5 SRD 傳動系統(tǒng)的反饋信號檢測傳動系統(tǒng)的反饋信號檢測 2.6 SRD 控制系統(tǒng)原理及其實現(xiàn)控制系統(tǒng)原理及其實現(xiàn) 2.7 基于單片機的基于單片機的SRD控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 2.8 基于基于DSP的的SRD控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 2.9 開關磁阻發(fā)電機開關磁阻發(fā)電機 開關磁阻電機淺析 位位置置檢檢測測 功功率率變變換換器器 SR電電動動機機 電電流流檢檢測測 控控制制信信號號 控控制制器器 電電 源源 負負 載載

2、開關磁阻電機淺析 開關磁阻電機淺析 1、雙凸極、雙凸極 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 2、定子集、定子集 中繞阻、繞中繞阻、繞 組為單方向組為單方向 通電通電 3、轉(zhuǎn)子無、轉(zhuǎn)子無 繞阻繞阻 開關磁阻電機淺析 電機原理演示電機原理演示 磁通總要沿著磁阻最小路徑閉合，一定形狀的鐵心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 磁場的軸線重合磁場的軸線重合 A-A 通電通電 1-1 與與A-A重合重合 B-B 通電通電 2-2 與與B-B重合重合 C-C 通電通電 3-3 與與C-C重合重合 D-D 通電通電 1-1 與與D-D重

3、合重合 開關磁阻電機淺析 12/8 極三相開關磁阻電動機極三相開關磁阻電動機 開關磁阻電機淺析 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 開關磁阻電機淺析 開關磁阻電機淺析 開關磁阻電機淺析 開關磁阻電機淺析 開關磁阻電機淺析 開關磁阻電機淺析 開關磁阻電機淺析 開關磁阻電機淺析 開關磁阻電機淺析 開關磁阻電機淺析 開關磁阻電機淺析 開關磁阻電機淺析 開關磁阻電機淺析 開關磁阻電機淺析 開關磁阻電機淺析 開關磁阻電機淺析 開關磁阻電機淺析 開關磁阻電機淺析 開關磁阻電機淺析 開關磁阻電機淺析 開關磁阻電機淺析 2 2 ) s rs Nkm NNk

4、= = 1 1、為了避免單邊磁拉力，徑向必須對稱，所以雙、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(zhuǎn)子齒槽數(shù)應為偶數(shù)。凸極的定子和轉(zhuǎn)子齒槽數(shù)應為偶數(shù)。 2 2、定子和轉(zhuǎn)子齒槽數(shù)不相等，但應盡量接近。、定子和轉(zhuǎn)子齒槽數(shù)不相等，但應盡量接近。 因為當定子和轉(zhuǎn)子齒槽數(shù)相近時，就可能加大定因為當定子和轉(zhuǎn)子齒槽數(shù)相近時，就可能加大定 子相繞組電感隨轉(zhuǎn)角的平均變化率，這是提高電子相繞組電感隨轉(zhuǎn)角的平均變化率，這是提高電 機出力的重要因素。機出力的重要因素。 開關磁阻電機淺析 開關磁阻電機淺析 相數(shù)相數(shù) 3 4 5 6 7 8 9 定子極數(shù)定子極數(shù) 6 8 10 12 14 16 18 轉(zhuǎn)子極

5、數(shù)轉(zhuǎn)子極數(shù) 4 6 8 10 12 14 16 步進角步進角(度度) 30 15 9 6 4.28 3.21 2.5 SR電機常用方案電機常用方案 相數(shù)越大，轉(zhuǎn)矩脈動越小，但成本越高，故常相數(shù)越大，轉(zhuǎn)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、單相用三相、四相，還有人在研究兩相、單相SRM 低于三相的低于三相的SRM 沒有自起動能力沒有自起動能力 開關磁阻電機淺析 開關磁阻電機淺析 PM PM 開關磁阻電機淺析 （1） 2-phase 4 stator pole/2 rotor pole（2） 4-phase 8 stator pole/6 rotor pole（3） 3-p

6、hase 6 stator pole/4 rotor pole（4） 5-phase 10 stator pole/8 rotor pole 開關磁阻電機淺析 1)1)電動機結(jié)構(gòu)簡單、成本低、適用于高速電動機結(jié)構(gòu)簡單、成本低、適用于高速, , 開關磁阻電動機的結(jié)構(gòu)比通常認為最簡開關磁阻電動機的結(jié)構(gòu)比通常認為最簡 單的鼠籠式感應電動機還要簡單。單的鼠籠式感應電動機還要簡單。 2)2)功率電路簡單可靠功率電路簡單可靠 因為電動機轉(zhuǎn)矩方因為電動機轉(zhuǎn)矩方 向與繞組電流方向無關，即只需單方向向與繞組電流方向無關，即只需單方向 繞組電流，故功率電路可以做到每相一繞組電流，故功率電路可以做到每相一 個功率開

7、關。個功率開關。 開關磁阻電機淺析 3)3)各相獨立工作，可構(gòu)成極高可靠性系統(tǒng)各相獨立工作，可構(gòu)成極高可靠性系統(tǒng) 從從 電動機的電磁結(jié)構(gòu)上看，各相繞組和磁路相電動機的電磁結(jié)構(gòu)上看，各相繞組和磁路相 互獨立，各自在一定軸角范圍內(nèi)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)互獨立，各自在一定軸角范圍內(nèi)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn) 矩。而不像在一般電動機中必須在各相繞組矩。而不像在一般電動機中必須在各相繞組 和磁路共同作用下產(chǎn)生一個圓形旋轉(zhuǎn)磁場，和磁路共同作用下產(chǎn)生一個圓形旋轉(zhuǎn)磁場， 電動機才能正常運轉(zhuǎn)。電動機才能正常運轉(zhuǎn)。 4)4)高起動轉(zhuǎn)矩，低起動電流高起動轉(zhuǎn)矩，低起動電流 控制器從電源側(cè)控制器從電源側(cè) 吸收較少的電流，在電機側(cè)得到較大的起動吸收

8、較少的電流，在電機側(cè)得到較大的起動 轉(zhuǎn)矩是本系統(tǒng)的一大特點。轉(zhuǎn)矩是本系統(tǒng)的一大特點。 （SR:0.4IN,1.4TN IM:6-7IN,2-3TN） 開關磁阻電機淺析 5)5)適用于頻繁起停及正反向轉(zhuǎn)運行適用于頻繁起停及正反向轉(zhuǎn)運行 SRDSRD 系統(tǒng)具有的高起動轉(zhuǎn)矩，低起動電流系統(tǒng)具有的高起動轉(zhuǎn)矩，低起動電流 的特點，使之在起動過程中電流沖擊的特點，使之在起動過程中電流沖擊 小，電動機和控制器發(fā)熱較連續(xù)額定小，電動機和控制器發(fā)熱較連續(xù)額定 運行時還小。運行時還小。 6)6)可控參數(shù)多，調(diào)速性能好可控參數(shù)多，調(diào)速性能好 控制開關控制開關 磁阻電動機的主要運行參數(shù)和常用方磁阻電動機的主要運行參數(shù)

9、和常用方 法至少有四種法至少有四種: :相開通角相開通角, ,相關斷角相關斷角, , 相電流幅值相電流幅值, ,相繞組電壓。相繞組電壓。 開關磁阻電機淺析 7)7)效率高，損耗小效率高，損耗小 SRDSRD系統(tǒng)是一種系統(tǒng)是一種 非常高效的調(diào)速系統(tǒng)。非常高效的調(diào)速系統(tǒng)。 8)8)可通過機和電的統(tǒng)一協(xié)調(diào)設計滿可通過機和電的統(tǒng)一協(xié)調(diào)設計滿 足各種特殊使用要求足各種特殊使用要求 。 9)9)缺點：轉(zhuǎn)矩脈動、振動、噪聲缺點：轉(zhuǎn)矩脈動、振動、噪聲 但但 可通過特殊設計克服可通過特殊設計克服 開關磁阻電機淺析 開關磁阻電機淺析 航空工業(yè)航空工業(yè) 家用電器家用電器 機械傳動機械傳動 精密伺服系統(tǒng)精密伺服系統(tǒng)

10、電動車電動車 開關磁阻電機淺析 SR電機設計研究：電機設計研究： 鐵心損耗計算、轉(zhuǎn)矩脈動、噪聲、優(yōu)化設計等理論鐵心損耗計算、轉(zhuǎn)矩脈動、噪聲、優(yōu)化設計等理論 SR電機的控制策略研究：電機的控制策略研究： 最優(yōu)控制，減小轉(zhuǎn)矩脈動、降低噪聲最優(yōu)控制，減小轉(zhuǎn)矩脈動、降低噪聲 具有較高動態(tài)性能、算法簡單、可抑制參數(shù)變化、擾動及具有較高動態(tài)性能、算法簡單、可抑制參數(shù)變化、擾動及 各種不確定性干擾的新型控制策略各種不確定性干擾的新型控制策略 智能控制策略智能控制策略 SR電機的無位置傳感器控制電機的無位置傳感器控制 SR電機的振動、噪聲研究電機的振動、噪聲研究 無軸承無軸承SR電機研究（磁懸?。╇姍C研究（磁

11、懸?。?SR電機應用研究：電動車、發(fā)電機、一體化電機等電機應用研究：電動車、發(fā)電機、一體化電機等 開關磁阻電機淺析 不計磁滯、渦流及繞組間互感時，不計磁滯、渦流及繞組間互感時，m相相SR電電 機系統(tǒng)示意圖機系統(tǒng)示意圖 J轉(zhuǎn)子與負載的轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)子與負載的轉(zhuǎn)動慣量 D粘性摩擦系數(shù)粘性摩擦系數(shù) TL負載轉(zhuǎn)矩負載轉(zhuǎn)矩 Te K J TL R1 d 1/dt t1 u1 + - . . . Rm d m/dt um + - 耦合磁場耦合磁場 i1 im 開關磁阻電機淺析 第第k相繞組的相電壓平衡方程相繞組的相電壓平衡方程: 開關磁阻電機淺析 所以：所以： 電阻壓降電阻壓降 kkk kk k k kkk

12、k kkkk k did UR i idtdt LdiL d R iLii idtdt q q q q Y Y =+ 抖 驏 抖 琪 =+ 琪 抖 桫 開關磁阻電機淺析 2 2 eL dd TJDT dtdt qq =+ 開關磁阻電機淺析 0 ( ,) i Wcidiq=Y Y-Y-i ( , ) c e Wi T q q = 2 / 0 ( , ) 2 r N r ave mN TT id p qq p = 開關磁阻電機淺析 不計磁路飽和，假定繞組電感與電流無關，不計磁路飽和，假定繞組電感與電流無關， 此時電感只與轉(zhuǎn)子位置有關此時電感只與轉(zhuǎn)子位置有關 1 0 2 3 0 4 5 SR電機相電

13、感隨轉(zhuǎn)子位置變化電機相電感隨轉(zhuǎn)子位置變化 開關磁阻電機淺析 stator = 1位置位置 rotor 轉(zhuǎn)子凹槽前沿與定子磁極前沿相遇位置轉(zhuǎn)子凹槽前沿與定子磁極前沿相遇位置 1 開關磁阻電機淺析 stator =0o位置位置 rotor 定子磁極軸線與轉(zhuǎn)子凹槽中心重合定子磁極軸線與轉(zhuǎn)子凹槽中心重合 =0o 開關磁阻電機淺析 stator = 2位置位置 rotor 轉(zhuǎn)子磁極前沿與定子磁極前沿相遇位置轉(zhuǎn)子磁極前沿與定子磁極前沿相遇位置 2 開關磁阻電機淺析 stator = 3位置位置轉(zhuǎn)子磁極前沿與定子磁極前沿重合位置轉(zhuǎn)子磁極前沿與定子磁極前沿重合位置 rotor 3 開關磁阻電機淺析 stato

14、r = 4位置位置 rotor 轉(zhuǎn)子凹槽前沿與定子磁極后沿重合位置轉(zhuǎn)子凹槽前沿與定子磁極后沿重合位置 4 開關磁阻電機淺析 stator = 5位置位置 rotor 轉(zhuǎn)子凹槽前沿與定子磁極前沿相遇位置轉(zhuǎn)子凹槽前沿與定子磁極前沿相遇位置 5 開關磁阻電機淺析 1 0 2 3 0 4 5 =0 定子磁極軸線與轉(zhuǎn)子凹槽中心重合定子磁極軸線與轉(zhuǎn)子凹槽中心重合 1( 5) 轉(zhuǎn)子凹槽前沿與定子磁極前沿相遇位置轉(zhuǎn)子凹槽前沿與定子磁極前沿相遇位置 2 轉(zhuǎn)子磁極前沿與定子磁極前沿相遇位置轉(zhuǎn)子磁極前沿與定子磁極前沿相遇位置 3 轉(zhuǎn)子磁極前沿與定子磁極前沿重合位置轉(zhuǎn)子磁極前沿與定子磁極前沿重合位置 4 轉(zhuǎn)子凹槽前沿

15、與定子磁極后沿重合位置轉(zhuǎn)子凹槽前沿與定子磁極后沿重合位置 開關磁阻電機淺析 SR電機繞組電感的分段線性解析式：電機繞組電感的分段線性解析式： min12 2min23 max34 max445 () ( ) () L KL L L LK qqq qqqqq q qqq qqqqq -+ = - K=(Lmax-Lmin)/(3-2)= (Lmax-Lmin)/s Lmin為定子磁極軸線對轉(zhuǎn)子凹槽中心時的電感為定子磁極軸線對轉(zhuǎn)子凹槽中心時的電感, Lmax 定子磁極軸線對轉(zhuǎn)子磁極軸線的電感定子磁極軸線對轉(zhuǎn)子磁極軸線的電感 。 開關磁阻電機淺析 相電流解析分析相電流解析分析 k u 0, sono

16、ff soffz onz U U qqq qqq qqqq + =- 開關磁阻電機淺析 忽略電阻，相繞組電壓方程：忽略電阻，相繞組電壓方程： 而：而： =L i S d U dt Y = didLdidL UsLiLi dtdtdtdq =+=+W 相電流解析分析相電流解析分析 同時可以同時可以 導出：導出： 2 2 23 34 2 45 00 00 0 T T Ki T Ki qq qqq qq qq = - KT為常數(shù)為常數(shù) 開關磁阻電機淺析 s didL ULi dtdq =+W s UdidL Li ddqq =+ W min s Udi L dq = W min ( ) son U

17、i L q q q - = W 開關磁阻電機淺析 min2 () s U CLKiqq q+=+- W min2 min2 min2 () () () () s UdidLdi LiLKiK ddd didi LKKiK dd did K i LK dd q q qqq qq qq q q qq =+=+-+ W =-+ =-+ 開關磁阻電機淺析 min2 () ( ) () son U i LK qq q qq - = W+- 開關磁阻電機淺析 min2 (2) ( ) () soffon U i LK qqq q qq - = W+- max (2) ( ) soffon U i L qq

18、q q - = W max4 (2) ( ) () soffon U i LK qqq q qq - = W- 開關磁阻電機淺析 12 min 2 min2 3 min2 34 max 45 max4 () () (2) ( ) () (2) (2) () son son off soffon off soffon soffon U L U LK U i LK U L U LK qq qqq qq qqq qq qqq qqqq qq qqq qqq qqq qqq qq - W - W+- - = W+- - W - W - 開通角開通角 關關 斷斷 角角 開關磁阻電機淺析 on 2 :電感上升，使繞組電感上升，使繞組電流下降電流下降 off 3 : 在電感達最大之前，繞組在電感達最大之前，繞組 關斷，繞組續(xù)流。關斷，繞組續(xù)流。 3 z 4 (zz=2=2off off- - on on) ) 在電感下降之前，續(xù)流結(jié)在電感下降之前，續(xù)流結(jié) 束。否則會產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩束。否則會產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩 典型電流波形典型電流波形 開關磁阻電機淺析 開關磁阻電機淺析 開