開關(guān)磁阻電機(jī)設(shè)計(jì)和應(yīng)用

開關(guān)磁阻電機(jī)設(shè)計(jì)和應(yīng)用第一頁，共一百零五頁，2022年，8月28日

電機(jī)品種規(guī)格數(shù)以萬計(jì)，科技愈進(jìn)步，生產(chǎn)力愈發(fā)展，所需電機(jī)愈多。

自100多年前電機(jī)問世以來，電機(jī)在人類文明發(fā)展史上起著十分重要的作用。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步、原材料性能的提高和制造工藝的改進(jìn)，各類電機(jī)品種規(guī)格數(shù)以萬計(jì)，功率等級(jí)從百萬分之幾瓦到1000MW以上。發(fā)電機(jī)和其它相關(guān)設(shè)備，使人們能利用熱能、水能、核能、風(fēng)能、地?zé)崮?、潮汐能、太陽能等能源發(fā)電，提供國民經(jīng)濟(jì)及人民生活所必需的電能；電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國民經(jīng)濟(jì)和人民生活，作為驅(qū)動(dòng)各種機(jī)械設(shè)備的動(dòng)力。電機(jī)落伍了嗎？一、概述第二頁，共一百零五頁，2022年，8月28日

典型的電機(jī)是依據(jù)電磁感應(yīng)原理而運(yùn)行的旋轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動(dòng)電磁機(jī)械，用于實(shí)現(xiàn)電能和機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換。電機(jī)運(yùn)行原理:電磁感應(yīng)定律和電磁力定律第三頁，共一百零五頁，2022年，8月28日

電機(jī)運(yùn)行原理基于電磁感應(yīng)定律和電磁力定律。電機(jī)在實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換時(shí)，應(yīng)具備能作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩大部件：建立勵(lì)磁磁場的部件，感生電動(dòng)勢并流過工作電流的被感應(yīng)部件。兩個(gè)部件中，靜止的稱為定子，運(yùn)動(dòng)的稱為轉(zhuǎn)子或動(dòng)子。定子轉(zhuǎn)子第四頁，共一百零五頁，2022年，8月28日

電磁轉(zhuǎn)矩由氣隙中的勵(lì)磁磁場與被感應(yīng)部件中電流所建立的磁場相互作用而產(chǎn)生。建立兩個(gè)磁場的方式不同，形成不同類型的電機(jī)。例如兩個(gè)磁場均由直流電流產(chǎn)生，則形成直流電機(jī)；兩個(gè)磁場分別由不同頻率的交流電產(chǎn)生，則形成異步電機(jī)；一個(gè)磁場由直流電流產(chǎn)生，另一個(gè)磁場由交流電流產(chǎn)生，則形成同步電機(jī)。直流電機(jī)異步電機(jī)同步電機(jī)第五頁，共一百零五頁，2022年，8月28日

開關(guān)磁阻電機(jī)(SR電機(jī))結(jié)構(gòu)和工作原理與傳統(tǒng)的交直流電機(jī)有著很大的差別，定轉(zhuǎn)子均由硅鋼片疊壓而成，轉(zhuǎn)子既無繞組也無永磁體，定子各極上繞有集中繞組，一般徑向相對(duì)極的繞組串聯(lián)，構(gòu)成一組。第六頁，共一百零五頁，2022年，8月28日三相6/4極開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行第七頁，共一百零五頁，2022年，8月28日現(xiàn)代開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展，始于20世紀(jì)80年代，得力于英國學(xué)者LawrensonPJ及其同事們杰出貢獻(xiàn)。目前SR電機(jī)系統(tǒng)得到較大的發(fā)展，產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用于電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，家用電器（洗衣機(jī)、食品加工機(jī)械、電動(dòng)工具等），通用工業(yè)（風(fēng)機(jī)、泵、油田、煤礦等），伺服與調(diào)速系統(tǒng)，牽引電機(jī)，高轉(zhuǎn)速電機(jī)（用于紡織機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)工具、離心機(jī)傳動(dòng)等）。功率范圍從10W（轉(zhuǎn)速10000r／min）到5MW（轉(zhuǎn)速50r／min），速度上限高達(dá)100000r/min。我國也有不少科研院校開展SR電機(jī)系統(tǒng)研究，一些企業(yè)亦有產(chǎn)品量產(chǎn)。第八頁，共一百零五頁，2022年，8月28日

SR電機(jī)運(yùn)行原理遵循“磁阻最小原理”----磁通總是要沿磁阻最小的路徑閉合，因磁場扭曲產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。其電磁轉(zhuǎn)矩是磁阻轉(zhuǎn)矩。式中，

轉(zhuǎn)子位移角；W磁共能；i相繞組電流。第九頁，共一百零五頁，2022年，8月28日單相開關(guān)磁阻電機(jī)，用于吸塵器電機(jī)，美國仙童（Fairchild）公司為此專門開發(fā)了單相開關(guān)磁阻電機(jī)用的功率模塊。第十頁，共一百零五頁，2022年，8月28日基本開關(guān)磁阻電機(jī)利用虛位移法，SR電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩可寫為：第十一頁，共一百零五頁，2022年，8月28日當(dāng)不考慮磁路飽和，SR電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩可寫為：第十二頁，共一百零五頁，2022年，8月28日開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(SRD)是調(diào)速電機(jī)，主要由開關(guān)磁阻電機(jī)（SR電機(jī)）、功率變換器、控制器和檢測器四部分組成。第十三頁，共一百零五頁，2022年，8月28日對(duì)SRD系統(tǒng)的理論研究和實(shí)踐證明，該系統(tǒng)具有許多明顯的特點(diǎn)：電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固，制造工藝簡單，成本低，轉(zhuǎn)子僅由硅鋼片疊壓而成，可工作于極高轉(zhuǎn)速；定子線圈為集中繞組，嵌放容易，端部短而牢固，工作可靠，能適用于各種惡劣、高溫甚至強(qiáng)振動(dòng)環(huán)境。損耗主要產(chǎn)生在定子，電機(jī)易于冷卻；轉(zhuǎn)子無永磁體，可允許有較高的溫升。轉(zhuǎn)矩方向與相電流方向無關(guān)，從而可減少功率變換器的開關(guān)器件數(shù)，降低系統(tǒng)成本。功率變換器不會(huì)出現(xiàn)直通故障，可靠性高。起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，低速性能好，無感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)時(shí)所出現(xiàn)的沖擊電流現(xiàn)象。調(diào)速范圍寬，控制靈活，易于實(shí)現(xiàn)各種特殊要求的轉(zhuǎn)矩－速度特性。在寬廣的轉(zhuǎn)速和功率范圍內(nèi)都具有高效率能四象限運(yùn)行，具有較強(qiáng)的再生制動(dòng)能力。各種突出的優(yōu)點(diǎn)，使SRD系統(tǒng)已成為交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的有力競爭者。突出的缺點(diǎn)：噪聲振動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)要全面變成現(xiàn)實(shí)，還需進(jìn)一步提高SRD系統(tǒng)電機(jī)設(shè)計(jì)和控制理論第十四頁，共一百零五頁，2022年，8月28日目前應(yīng)用較多的是3相6/4極、3相12/8極和4相8/6極結(jié)構(gòu)相數(shù)m123456定子極數(shù)Ns24681012轉(zhuǎn)子極數(shù)Nr2246810常見SR電機(jī)定、轉(zhuǎn)子極數(shù)組合方案二、電機(jī)結(jié)構(gòu)第十五頁，共一百零五頁，2022年，8月28日利用渦流反應(yīng)轉(zhuǎn)矩輔助起動(dòng)徑向－軸向磁通的外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)永久磁鋼輔助起動(dòng)

單相開關(guān)磁阻電機(jī)的電機(jī)成本和控制器成本都是最低的，控制器只需要一個(gè)開關(guān)管和一個(gè)快恢復(fù)二極管，線圈數(shù)和引出線都最少。但是單相開關(guān)磁阻電機(jī)存在嚴(yán)重起動(dòng)“死區(qū)”，如果起動(dòng)問題不能解決，單相開關(guān)磁阻電機(jī)亦難以變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。第十六頁，共一百零五頁，2022年，8月28日階梯氣隙的不規(guī)則兩相SR電機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子兩相SR電機(jī)可控飽和兩相SR電機(jī)

兩相開關(guān)磁阻電機(jī)在對(duì)齊位置（定、轉(zhuǎn)磁極中心線對(duì)齊)和不對(duì)齊位置(定子極與轉(zhuǎn)子槽中心線對(duì)齊)都不具備自起動(dòng)能力，同時(shí)也存在一定的轉(zhuǎn)矩“死區(qū)”。第十七頁，共一百零五頁，2022年，8月28日3相6/4極SR電機(jī)3相12/8極SR電機(jī)3相6/2極SR電機(jī)三相開關(guān)磁阻電機(jī)是最常見到的開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)，3相電機(jī)是常規(guī)結(jié)構(gòu)具備正反方向自起動(dòng)能力最少相數(shù)SR電機(jī)。除了常見3相6/4極外，還有3相6/2極、6/8極、12/8極等結(jié)構(gòu)。第十八頁，共一百零五頁，2022年，8月28日3相6/8極SR電機(jī)3相12/10極SR電機(jī)3相24/32極外轉(zhuǎn)子SR電機(jī)第十九頁，共一百零五頁，2022年，8月28日4相8/6極SR電機(jī)5相10/8極SR電機(jī)7相14/12極SR電機(jī)4相開關(guān)磁阻電機(jī)也是得到廣泛研究和應(yīng)用的類型。與3相電機(jī)相比，4相電機(jī)的起動(dòng)性能要好得多，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)也小，但電機(jī)和控制器的成本都有所增加。

5相開關(guān)磁阻電機(jī)或更多相數(shù)的目的多是為了獲得更平滑的電磁轉(zhuǎn)矩，降低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，但電機(jī)和控制器的成本和復(fù)雜性大大提高。第二十頁，共一百零五頁，2022年，8月28日三、性能分析確定主要尺寸磁路計(jì)算參數(shù)計(jì)算性能計(jì)算開始電機(jī)設(shè)計(jì)基本流程第二十一頁，共一百零五頁，2022年，8月28日均勻氣隙非均勻氣隙第二十二頁，共一百零五頁，2022年，8月28日平均電磁轉(zhuǎn)矩可以基于磁鏈-電流曲線，用一個(gè)工作周期的能量轉(zhuǎn)換環(huán)來計(jì)算。為獲得盡可能大的電磁轉(zhuǎn)矩：

最大化對(duì)齊位置電感最大化飽和磁密最小化不對(duì)齊位置電感磁鏈曲線族第二十三頁，共一百零五頁，2022年，8月28日在起始重疊位置和半重疊位置之間，磁鏈工作軌跡包含的磁共能面積最大，且磁鏈與轉(zhuǎn)角近似成線性關(guān)系。第二十四頁，共一百零五頁，2022年，8月28日對(duì)齊位置不對(duì)齊位置半重疊位置起始重疊位置1、四條重要磁化曲線解析計(jì)算第二十五頁，共一百零五頁，2022年，8月28日繞組電感可以采用兩種方法計(jì)算：1）磁鏈法；2）能量法。采用磁鏈法時(shí)，電感當(dāng)電路處于線性媒介時(shí)（磁鏈隨電流正比變化），第二十六頁，共一百零五頁，2022年，8月28日不對(duì)齊位置u位置二維典型磁場分布u位置的近似磁通路徑第二十七頁，共一百零五頁，2022年，8月28日不對(duì)齊位置u位置磁路結(jié)構(gòu)圖第二十八頁，共一百零五頁，2022年，8月28日根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果作出的SR電機(jī)在u位置下的二維典型磁場分布圖，磁場對(duì)稱于勵(lì)磁極。由于氣隙很大，鐵心不飽和，故假設(shè)鐵心的磁導(dǎo)率為無窮大，磁力線垂直于鐵心表面，u位置下磁化曲線實(shí)際為一條直線，為簡化分析，假設(shè)激勵(lì)線圈為矩形均勻分布。由此可作出u位置的近似磁通路徑，磁力線均由同心圓弧段和直線段組成。點(diǎn)C1、C2、C4的選擇原則是：磁力線與鐵心表面垂直或近似垂直。點(diǎn)O1取線圈邊中心，點(diǎn)Or取法見區(qū)域4磁路詳圖。第二十九頁，共一百零五頁，2022年，8月28日參照上圖，不考慮鐵心端部磁場時(shí)，每極繞組的磁鏈為

＝2(1＋2＋3＋4＋5)式中，1、2、3、4、5分別是區(qū)域1、2、3、4、5的磁鏈。一相線圈電感為：式中，Nph

每相繞組匝數(shù)；o

空氣磁導(dǎo)率；

lFe

鐵心有效疊長；Pj

各路徑的比磁導(dǎo)分量，第三十頁，共一百零五頁，2022年，8月28日比磁導(dǎo)分量P1計(jì)算參見路徑1磁路詳圖。為簡化分析，以直線C1H2替代鐵心軛圓弧段C1H2，并假設(shè)區(qū)域C1H2H1D4C1均勻充滿勵(lì)磁導(dǎo)體。路徑1磁路詳圖第三十一頁，共一百零五頁，2022年，8月28日

設(shè)lx為磁通管1在x處的磁路長度，Nxi為x處單元磁路所匝鏈的安匝數(shù)，則x處磁通管對(duì)應(yīng)的磁導(dǎo)第三十二頁，共一百零五頁，2022年，8月28日單元磁鏈則電感L1為比磁導(dǎo)分量P1為

第三十三頁，共一百零五頁，2022年，8月28日其它路徑的磁導(dǎo)分量第三十四頁，共一百零五頁，2022年，8月28日考慮端部磁場電感計(jì)算

從SR電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以知道，u位置下端部磁場非常嚴(yán)重，必須加以考慮。準(zhǔn)確計(jì)算鐵心端部磁場須采用三維場的數(shù)值分析，這難以應(yīng)用于一般的性能計(jì)算。有關(guān)文獻(xiàn)提出了一種估算端部磁場的簡單方法：用等效氣隙gF和考慮端部磁場的電樞計(jì)算長度lF計(jì)及電樞端部磁場。等效氣隙gF為磁力線(1)～(5)長度的平均值，第三十五頁，共一百零五頁，2022年，8月28日考慮端部磁場時(shí)的電樞計(jì)算長度式中，

為卡特系數(shù)故考慮端部磁場時(shí)u位置的繞組電感

第三十六頁，共一百零五頁，2022年，8月28日對(duì)齊位置

對(duì)SR電機(jī)的磁場分析表明，在a位置下，絕大部分磁通比較均勻地經(jīng)定子勵(lì)磁極和轉(zhuǎn)子鐵心閉合，因此可等效為簡單的二極磁路模型，用磁路法求解。為簡化計(jì)算，假設(shè)磁通在磁路中均勻分布，無漏磁通，無磁分流。a位置兩極磁路模型第三十七頁，共一百零五頁，2022年，8月28日磁路計(jì)算的基本原理

全電流定律（安培環(huán)路定律）：磁場強(qiáng)度向量沿任一閉合回路的線積分等于該回路所包圍的全電流（電流代數(shù)和），如果積分路徑沿著磁場強(qiáng)度向量取向（即沿著磁力線），則開關(guān)磁阻電機(jī)對(duì)齊位置磁路可分為5段：空氣隙；定子磁極；轉(zhuǎn)子磁極；定子軛；轉(zhuǎn)子軛第三十八頁，共一百零五頁，2022年，8月28日

參見兩極磁路模型，將磁路分為氣隙、定子磁極、轉(zhuǎn)子磁極、定子磁軛、轉(zhuǎn)子磁軛五個(gè)磁路段。磁路參數(shù)如下：氣隙長度定子軛截面積氣隙截面積第三十九頁，共一百零五頁，2022年，8月28日定子軛長度轉(zhuǎn)子軛截面積轉(zhuǎn)子軛長度定子極截面積定子極長度第四十頁，共一百零五頁，2022年，8月28日轉(zhuǎn)子極截面積梯形轉(zhuǎn)子極取距極根1/3極處的磁場強(qiáng)度為磁極的等效磁場強(qiáng)度，則對(duì)平行轉(zhuǎn)子極轉(zhuǎn)子極長度故每對(duì)極勵(lì)磁磁勢借助兩極磁路模型和鐵心的BH曲線，即可方便地求其a位置的磁化曲線。第四十一頁，共一百零五頁，2022年，8月28日按梯形齒計(jì)算按平行齒計(jì)算測量值樣機(jī)2Lu(H)0.009910.010750.0101u轉(zhuǎn)子位置電感a轉(zhuǎn)子位置磁化曲線計(jì)算實(shí)例

對(duì)兩種不同結(jié)構(gòu)尺寸的樣機(jī)，采用上述解析法和二維有限元法進(jìn)行了計(jì)算，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果作了比較。第四十二頁，共一百零五頁，2022年，8月28日2、磁化曲線有限元計(jì)算ANSYSAnsoftFlux2DMagnetJmag……第四十三頁，共一百零五頁，2022年，8月28日AnsoftMaxwellSV靜磁場分析利用AutoCAD建模，轉(zhuǎn)換格式并導(dǎo)入設(shè)置求解區(qū)域范圍，命名區(qū)域，Group設(shè)置材料設(shè)置邊界條件、激磁設(shè)置求解參數(shù)求解、后處理第四十四頁，共一百零五頁，2022年，8月28日計(jì)算實(shí)例：8/6極SRM額定功率7.5kW額定電流20A峰值電流40A每相匝數(shù)136第四十五頁，共一百零五頁，2022年，8月28日磁勢(A)1503006001600260046005600660076008600磁通(Wb)0.41220.82451.6494.3977.14512.63715.37918.11320.82323.466磁勢(A)9600126001460016600186002060022600246002660028600磁通(Wb)25.57830.70633.41534.90636.22337.35338.48439.54640.58541.56不對(duì)齊位置磁鏈曲線第四十六頁，共一百零五頁，2022年，8月28日磁場分布圖氣隙磁場波形第四十七頁，共一百零五頁，2022年，8月28日

SR電機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)都比較簡單，但其雙凸極的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，磁路和電路的非線性、開關(guān)性，使得電機(jī)的各個(gè)物理量隨轉(zhuǎn)子位置作周期性變化，電機(jī)性能應(yīng)基于電勢平衡方程進(jìn)行。SR電機(jī)第k相的電動(dòng)勢平衡方程式：式中，

uk第k相的端電壓，

ik第k相的電流，

Rk第k相的電阻，

k第k相的磁鏈。開關(guān)磁阻電機(jī)電壓方程第四十八頁，共一百零五頁，2022年，8月28日在線性模型中作如下假設(shè)：

(1)忽略磁通邊緣效應(yīng)和磁路非線性，且磁導(dǎo)率＝，因此繞組電感L是轉(zhuǎn)子位置的線性函數(shù)；

(2)忽略所有功率損耗；

(3)功率管開關(guān)動(dòng)作瞬時(shí)完成；

(4)電機(jī)恒速運(yùn)轉(zhuǎn)。3、線性模型繞組電感與轉(zhuǎn)子位置角一個(gè)極距下的關(guān)系曲線第四十九頁，共一百零五頁，2022年，8月28日第五十頁，共一百零五頁，2022年，8月28日第五十一頁，共一百零五頁，2022年，8月28日準(zhǔn)線性模型是將實(shí)際的非線性磁化曲線分段線性化，近似地考慮了磁路的飽和效應(yīng)4、準(zhǔn)線性模型SR電機(jī)準(zhǔn)線性模型第五十二頁，共一百零五頁，2022年，8月28日當(dāng)磁路不飽和時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與電流平方成正比；當(dāng)磁路飽和時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與電流的一次方成正比。與串勵(lì)電機(jī)特性相似。第五十三頁，共一百零五頁，2022年，8月28日非線性磁參數(shù)法：基于有限元獲取的磁鏈曲線族，利用四階龍格-庫塔法求解電壓方程4、非線性模型（繞組導(dǎo)通期間）（繞組續(xù)流期間）第五十四頁，共一百零五頁，2022年，8月28日快速非線性法或快速非線性仿真法：基于對(duì)齊和不對(duì)齊位置磁鏈曲線，或基于四條位置磁鏈曲線，建立電磁性能的解析計(jì)算模型區(qū)域I區(qū)域I區(qū)III第五十五頁，共一百零五頁，2022年，8月28日仿真波形第五十六頁，共一百零五頁，2022年，8月28日測量值快速非線性仿真法非線性磁參數(shù)法端電壓(V)252252252轉(zhuǎn)速(r/min)150815081508開通角(deg)20.520.520.5關(guān)斷角(deg)484848平均電磁轉(zhuǎn)矩(N.m)50.2950.9450.89相電流峰值(A)3635.9435.66相電流有效值(A)20.7519.0318.71仿真計(jì)算與測量值比較第五十七頁，共一百零五頁，2022年，8月28日VisualEMCAD-開關(guān)磁阻電機(jī)5、開關(guān)磁阻電機(jī)CAD第五十八頁，共一百零五頁，2022年，8月28日VisualEMCAD-開關(guān)磁阻電機(jī)第五十九頁，共一百零五頁，2022年，8月28日VisualEMCAD-開關(guān)磁阻電機(jī)第六十頁，共一百零五頁，2022年，8月28日VisualEMCAD-開關(guān)磁阻電機(jī)第六十一頁，共一百零五頁，2022年，8月28日場路結(jié)合動(dòng)態(tài)仿真6、動(dòng)態(tài)仿真第六十二頁，共一百零五頁，2022年，8月28日三維動(dòng)態(tài)仿真轉(zhuǎn)矩波形電流波形第六十三頁，共一百零五頁，2022年，8月28日鐵損是SR電機(jī)性能計(jì)算的難點(diǎn)7、鐵損計(jì)算第六十四頁，共一百零五頁，2022年，8月28日噪聲振動(dòng)是SR電機(jī)的應(yīng)用瓶頸噪聲比較實(shí)驗(yàn)裝置簡圖法國BesbesM和RenZ等學(xué)者的比較實(shí)驗(yàn)表明，電磁噪聲占整個(gè)噪聲的95%。因此，如果能有效地抑制電磁噪聲，也就能達(dá)到SR電機(jī)降噪的目的。8、噪聲振動(dòng)抑制第六十五頁，共一百零五頁，2022年，8月28日作用在定子磁極上的徑向力所引起的定子變形，是造成SR電機(jī)噪聲振動(dòng)的主要原因。振動(dòng)分析主要包括徑向力計(jì)算和結(jié)構(gòu)分析兩部分。利用有限元法計(jì)算徑向力-角度-電流關(guān)系曲線，獲得動(dòng)態(tài)徑向力波形用解析法推導(dǎo)電機(jī)各結(jié)構(gòu)參數(shù)、電流與徑向力波形的關(guān)系采用雙極性勵(lì)磁構(gòu)成短磁路降低系統(tǒng)噪聲利用有限元法計(jì)算了電機(jī)的固有頻率，考慮繞組、鐵芯和結(jié)構(gòu)的影響利用瞬態(tài)有限元法分析電機(jī)振動(dòng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，以定子極和定子軛以振動(dòng)最小化為目標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化基于振動(dòng)傳遞函數(shù)預(yù)測開關(guān)磁阻電機(jī)振動(dòng)使用結(jié)構(gòu)諧波分析法獲得電機(jī)振動(dòng)傳遞函數(shù)預(yù)測開關(guān)磁阻電機(jī)振動(dòng)使用統(tǒng)計(jì)能量分析的方法分析開關(guān)磁阻電機(jī)的高頻振動(dòng)第六十六頁，共一百零五頁，2022年，8月28日多物理場耦合振動(dòng)仿真第六十七頁，共一百零五頁，2022年，8月28日兩種關(guān)斷控制策略下的振動(dòng)波形比較(a)一次關(guān)斷(b)二次關(guān)斷第六十八頁，共一百零五頁，2022年，8月28日避免徑向磁吸力諧波與定子固有頻率諧振的現(xiàn)象，遠(yuǎn)離2階周向節(jié)點(diǎn)數(shù)模態(tài)的定子固有頻率調(diào)相電流的開通角和關(guān)斷角，優(yōu)化控制策略進(jìn)行噪聲控制加強(qiáng)定子的剛度和采取阻尼措施減小繞組換流時(shí)瞬時(shí)沖擊徑向磁吸力引起的噪聲和振動(dòng)減小電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)SR電機(jī)與負(fù)載之間盡可能采用撓性聯(lián)結(jié)采用斜極降低噪聲振動(dòng)的一些基本措施第六十九頁，共一百零五頁，2022年，8月28日

轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是開關(guān)磁阻電機(jī)應(yīng)用過程中不可忽視的一個(gè)問題，尤其在一些要求具備伺服性能的直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。最近幾年，對(duì)于開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制方法的研究主要集中在轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)法以及一些如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等智能控制方法上。9、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制第七十頁，共一百零五頁，2022年，8月28日轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)法在接受到轉(zhuǎn)矩給定T*m后，轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)模塊TSF根據(jù)電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置，將給定轉(zhuǎn)矩分配給各相，由轉(zhuǎn)矩-電流模塊生成給定電流，根據(jù)開關(guān)策略產(chǎn)生給定電流。左下圖為典型轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)波形。轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)的作用是在電機(jī)相鄰兩相轉(zhuǎn)矩重疊區(qū)將轉(zhuǎn)矩合理的分配給兩相，從而降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。第七十一頁，共一百零五頁，2022年，8月28日模糊控制

左上圖為基于模糊控制的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制系統(tǒng)框圖，左下圖是模糊控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的知識(shí)庫，將誤差經(jīng)過模糊化，模糊推理及去模糊化的處理，得到相應(yīng)的電流輸出。Sayeed等人的研究結(jié)果表明，采用模糊控制器后，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減小了近20%。第七十二頁，共一百零五頁，2022年，8月28日神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

左圖為基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩抑制系統(tǒng)框圖。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，B樣條神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以一種在線的方式不斷更新神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)權(quán)值?？刂破髟谶\(yùn)行過程中可以不斷修正自身模型來適應(yīng)所控制的開關(guān)磁阻電機(jī)。第七十三頁，共一百零五頁，2022年，8月28日轉(zhuǎn)子位置以各種形式隱藏在電機(jī)電感信息中空閑相電流注入法(低速)激勵(lì)相法(高速)獲得電機(jī)電感或磁鏈由電感信息獲得轉(zhuǎn)子位置：查表法解析法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等智能算法觀測器法無預(yù)定義電感位置關(guān)系的方法10、無位置傳感器控制第七十四頁，共一百零五頁，2022年，8月28日通過自舉電容的電流注入法基于滑模觀測器的方法第七十五頁，共一百零五頁，2022年，8月28日溫升分析是實(shí)現(xiàn)高功率密度開關(guān)磁阻電機(jī)重要保證11、溫升計(jì)算第七十六頁，共一百零五頁，2022年，8月28日一些SR電機(jī)溫升相關(guān)研究：利用商用有限元軟件ANSYS分析開關(guān)磁阻電機(jī)的溫升，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果在溫度場有限元計(jì)算考慮了強(qiáng)制風(fēng)冷的影響以電機(jī)所占空間及電機(jī)性能為約束條件，以材料成本最小化為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)一臺(tái)12/8電機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。電機(jī)溫度分析過程中，各部分的熱力學(xué)參數(shù)對(duì)結(jié)果有較大影響。通過實(shí)驗(yàn)方法確定了槽絕緣，鐵心等組件的熱阻及比熱容等參數(shù)?；谟邢拊慕佑|面建模方法研究溫升研究開關(guān)磁阻電機(jī)及其控制器的溫度測試方法第七十七頁，共一百零五頁，2022年，8月28日四、開關(guān)磁阻電機(jī)設(shè)計(jì)1、極數(shù)、相數(shù)和極弧定、轉(zhuǎn)子極數(shù)、極弧的選擇應(yīng)滿足：電機(jī)在任何轉(zhuǎn)子位置都具有正、反方向的自起動(dòng)能力；減小不對(duì)齊位置時(shí)每相繞組的最小電感Lmin；減小各相繞組間的互感；最小化各相繞組的開關(guān)頻率。定、轉(zhuǎn)子極數(shù)應(yīng)滿足條件：符號(hào)LCM為取最小公倍數(shù)。

第七十八頁，共一百零五頁，2022年，8月28日所以極弧需滿足的必要條件為：當(dāng)上式不滿足時(shí)，SR電機(jī)只具有單方向自起動(dòng)能力

定、轉(zhuǎn)子極弧的確定，應(yīng)保證對(duì)任何轉(zhuǎn)子位置，SR電機(jī)均具有正、反方向的自起動(dòng)能力。因而要求，當(dāng)某一相定、轉(zhuǎn)子極處于極對(duì)極，相鄰相定、轉(zhuǎn)子極必須有一定的重疊，也即要求兩相鄰相電感曲線上升期具有一定的重疊。第七十九頁，共一百零五頁，2022年，8月28日6/4極極弧約束三角形8/6極極弧約束三角形設(shè)計(jì)點(diǎn)C：不對(duì)齊電感太高，繞組面積太小設(shè)計(jì)點(diǎn)B：由于邊緣磁場，不對(duì)齊電感仍偏高，繞組面積合適設(shè)計(jì)點(diǎn)A：最大最小電感比高，效率高功率密度大，但轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大第八十頁，共一百零五頁，2022年，8月28日Bps為對(duì)齊位置最大磁鏈時(shí)定子極磁密，為最大電感與最小電感的比值，為極?。ㄔO(shè)定轉(zhuǎn)子極弧相等），g為氣隙，r1為轉(zhuǎn)子半徑。例如，對(duì)6/4極SR電機(jī)，極弧30°，氣隙0.25mm，轉(zhuǎn)子半徑25mm,=10，Bps=1.6T時(shí)，可以求得單位轉(zhuǎn)矩60kN.m/m3Harris提出的主要尺寸關(guān)系式：2、主要尺寸關(guān)系式第八十一頁，共一百零五頁，2022年，8月28日B為一個(gè)轉(zhuǎn)子極距的氣隙平均磁密，ki為峰值電流系數(shù)，km為方波電流系數(shù)。亦可推導(dǎo)獲得主要尺寸關(guān)系式典型形式：第八十二頁，共一百零五頁，2022年，8月28日主要尺寸比：相數(shù)NsNrDr/Dsrs3640.5303231280.5716154860.532321定、轉(zhuǎn)子外徑比典型取值第八十三頁，共一百零五頁，2022年，8月28日每相繞組串聯(lián)匝數(shù)繞組匝數(shù)是導(dǎo)通角c的函數(shù)，c=off-on氣隙第1氣隙g為定子內(nèi)徑與轉(zhuǎn)子外徑差；第2氣隙gi為定子磁極表面到轉(zhuǎn)子槽底的距離，第八十四頁，共一百零五頁，2022年，8月28日繞組端電壓不考慮電容濾波定子、轉(zhuǎn)子軛高考慮電容濾波U2為交流電源的相電壓，Ud為全波整流后的直流電壓第八十五頁，共一百零五頁，2022年，8月28日3、電磁設(shè)計(jì)例給定數(shù)據(jù)

功率：7.5kW

電源電壓：380V（交流）

額定轉(zhuǎn)速：1500r/min

額定效率：0.88

調(diào)速范圍：200～2000r/min，其中200～1500r/min為恒轉(zhuǎn)矩特性1500～2000r/min為恒功率特性

運(yùn)行方式：連續(xù)運(yùn)行

絕緣等級(jí)：E第八十六頁，共一百零五頁，2022年，8月28日

將全距繞組應(yīng)用于開關(guān)磁阻電機(jī)中，其繞組形式如圖所示。采用該繞組形式的電機(jī)既可以單極性運(yùn)行，也可以雙極性運(yùn)行。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩實(shí)驗(yàn)表明，在銅損一定的情況下，該電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出可能要比集中繞組電機(jī)更高。全距繞組開關(guān)磁阻電機(jī)五、新結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻電機(jī)第八十七頁，共一百零五頁，2022年，8月28日一種使用三相全橋的開關(guān)磁阻電機(jī)兩相同時(shí)勵(lì)磁方法，如圖3所示。電機(jī)的轉(zhuǎn)矩由互感和自感同時(shí)產(chǎn)生。這種勵(lì)磁方式緩解了開關(guān)管關(guān)斷時(shí)徑向力的瞬間突然變化，降低了電機(jī)的振動(dòng)。而且，由于使用三相全橋控制電機(jī)，可以將現(xiàn)有的三相橋模塊、IPM應(yīng)用于控制器硬件中，也可以方便地將無刷直流電機(jī)的控制器改裝成開關(guān)磁阻電機(jī)控制器，縮短了研發(fā)周期。開關(guān)磁阻電機(jī)兩相同時(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)框圖第八十八頁，共一百零五頁，2022年，8月28日

磁鏈開關(guān)型電機(jī)(FluxSwitchingMotor),F+,F-為勵(lì)磁繞組，A為電樞繞組。勵(lì)磁繞組和電樞繞組可以像直流電機(jī)一樣采取并繞或串繞的方式。一些研究表明，開關(guān)磁鏈電機(jī)和串勵(lì)直流電機(jī)具有相似的機(jī)械特性，效率也幾乎一致，噪音振動(dòng)水平低于同等級(jí)的開關(guān)磁阻電機(jī)。磁鏈開關(guān)電機(jī)是一種無刷電機(jī)，控制電路簡單，最少只需要兩個(gè)開關(guān)管。同時(shí)它又具有開關(guān)磁阻電機(jī)可靠性高，成本低的優(yōu)點(diǎn)。有利于取代電動(dòng)工具中的串勵(lì)直流電機(jī)。磁鏈開關(guān)型電機(jī)第八十九頁，共一百零五頁，2022年，8月28日一種分段式轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機(jī)，如圖所示。轉(zhuǎn)子由一系列的導(dǎo)磁段（segment）鑲嵌在不導(dǎo)磁的材料上構(gòu)成。工作時(shí)，定子鐵芯與導(dǎo)磁段構(gòu)成了短磁路。與同體積開關(guān)磁阻電機(jī)相比，在熱負(fù)荷一定的情況下，該電機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)的轉(zhuǎn)矩提高了41%，并且減少了轉(zhuǎn)子鐵芯硅鋼片的用量，降低了成本和重量。分段式轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機(jī)第九十頁，共一百零五頁，2022年，8月28日一種E型鐵芯開關(guān)磁阻電機(jī)。定子由兩個(gè)E型鐵芯構(gòu)成，每個(gè)鐵芯由三個(gè)極構(gòu)成，其中只有兩個(gè)極上放置繞組，另一個(gè)極作為兩相磁路的公共極。這種結(jié)構(gòu)減少了鐵芯的用料，并且方便繞線。實(shí)驗(yàn)表明該電機(jī)與傳統(tǒng)開關(guān)磁阻電機(jī)相比具有更高的效率和功率密度。E型鐵芯開關(guān)磁阻電機(jī)第九十一頁，共一百零五頁，2022年，8月28日電動(dòng)汽車20世紀(jì)80年代前，大部分車輛驅(qū)動(dòng)電機(jī)都采用直流電機(jī)。90年代以后，百花齊放，歐美國家傾向變頻感應(yīng)電機(jī)，日本采用永磁無刷直流電機(jī)，德國、英國大力開發(fā)開關(guān)磁阻電機(jī)。我國在變頻感應(yīng)電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、永磁同步電機(jī)等都展開了研究，并有一定的應(yīng)用?，F(xiàn)代電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)要求效率高、高功率密度、高可靠性、伺服性好。近年來，永磁同步電機(jī)受到越來越多的關(guān)注。但稀土是一種緊缺的資源，變頻感應(yīng)電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)等電勵(lì)磁電機(jī)亦有其優(yōu)勢。六、應(yīng)用第九十二頁，共一百零五頁，2022年，8月28日圖為比利時(shí)GreenPropulsion公司研制的開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的公交汽車。動(dòng)力裝置由兩臺(tái)12/8開關(guān)磁阻電機(jī)和一臺(tái)柴油機(jī)構(gòu)成，這種架構(gòu)使得該系統(tǒng)在寬廣的負(fù)載范圍內(nèi)都具有較高的效率，并去除了齒輪箱，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以直接和車輪耦合。與傳統(tǒng)的單一柴油動(dòng)力的公交汽車相比，該系統(tǒng)節(jié)省燃料30%,同時(shí)釋放的二氧化碳量降低了25%-40%。第九十三頁，共一百零五頁，2022年，8月28日GreenPropulsion電動(dòng)汽車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第九十四頁，共一百零五頁，2022年，8月28日30kW開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的市內(nèi)有軌電車50kW開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的7.5噸城市載貨電動(dòng)車開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)摩托車第九十五頁，共一百零五頁，2022年，8月28日Renault（雷諾）將開關(guān)磁阻電機(jī)應(yīng)用于其無級(jí)變速系統(tǒng)（Infinitelyvariabletransmissionsystems）中。左上圖為采用了該系統(tǒng)的RenaultLagunaIIEstate轎車。該系統(tǒng)的將傳統(tǒng)汽車中的固定變速裝置替換成由兩個(gè)開關(guān)磁阻電機(jī)組成的變速系統(tǒng)。該變速系統(tǒng)能夠使汽車獲得連續(xù)的變速比。這樣就可以使汽車發(fā)動(dòng)機(jī)一直工作在大約2000rpm的最大效率點(diǎn)。左下圖為該系統(tǒng)的CAD簡圖。組成變速系統(tǒng)的開關(guān)磁阻電機(jī)功率為25kW，外徑為192mm，疊長為160mm，最大轉(zhuǎn)矩135Nm。系統(tǒng)采用了無位置傳感器技術(shù)以提高系統(tǒng)可靠性，減少系統(tǒng)空間。與傳統(tǒng)汽車相比，該系統(tǒng)效率提高了10%。第九十六頁，共一百零五頁，2022年，8月28日澳大利亞LeTourneau公司的L-1350系列的推土機(jī)使用了4臺(tái)B40型開關(guān)磁阻電機(jī)作為其主要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)，如圖所示。每臺(tái)電機(jī)既可以電動(dòng)運(yùn)行，也可以發(fā)電運(yùn)行對(duì)車輛進(jìn)行電磁制動(dòng)。每臺(tái)電機(jī)功率為300kW，但其尺寸為傳統(tǒng)電機(jī)的一半。第九十七頁，共一百零五頁，2022年，8月28日Dyson(美國戴森公司)研發(fā)了一臺(tái)100000rpm單相開關(guān)磁阻電機(jī)，型號(hào)為X020，并將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于吸塵器中。高轉(zhuǎn)速不僅保證了吸力的強(qiáng)勁，同時(shí)使得