開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)電磁設(shè)計(jì)方法

湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第2章分馬力開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的機(jī)理分析SR電機(jī)的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但其雙凸極的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，磁路和電路的非線(xiàn)性，開(kāi)關(guān)性，使得電機(jī)的各個(gè)物理量隨轉(zhuǎn)子位置作周期的變化，定子繞組電流和磁通波形不規(guī)則，傳統(tǒng)的分析法難以簡(jiǎn)單的用于SR電機(jī)的計(jì)算。不過(guò)，SR電機(jī)內(nèi)部的電流過(guò)程是建立在電磁感應(yīng)定理，全電流定理，能量守恒定理等基本電磁關(guān)系上，并可由此寫(xiě)出SR電機(jī)的基本平衡方程。2.1分馬力開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的基本平衡方程一臺(tái)夕相SR電機(jī)，假設(shè)各相結(jié)構(gòu)和電磁參數(shù)對(duì)稱(chēng)，根據(jù)電路定理，可以寫(xiě)出SR電機(jī)的k相的電動(dòng)勢(shì)平衡方程dv丫Rk「石（2.1）式中u——第k相的端電壓；ki——第k相的電流；kR——第k相的電阻；kvk 第k相的磁鏈。4SR電機(jī)中，各相繞組的磁鏈?zhǔn)寝D(zhuǎn)子位移角和各相電流的函數(shù)，故磁鏈中K為（2.2）如果忽略了電阻的壓降，并假設(shè)磁路為線(xiàn)性，則（2.1）可寫(xiě)為（2.3）（2.4）￥d.d（2.3）（2.4）u=-k=L—ik~+i—k-Q=e+ekdtkdtkd0 ra式中Q——角速度，Q=d0：dt；er——由于磁鏈變化引起的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；e：——由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)使繞組中引起的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。進(jìn)一步考察SR電機(jī)能量，有d1 i2dlui=—(—Li2)+-k__kkkdt2kk 2d0上式表明，輸入功率的一部分轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能量增加；另一部分則輸出的機(jī)械功率?？梢哉f(shuō)，SR電機(jī)正是利用了不斷的能量?jī)?chǔ)存，轉(zhuǎn)換而獲得高效，大功率的性能。

湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）2.1.2轉(zhuǎn)矩平衡方程式當(dāng)電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與作用在電機(jī)上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩不相等時(shí)，轉(zhuǎn)速就會(huì)發(fā)生變化，產(chǎn)生角加速度。根據(jù)力學(xué)原理，可以寫(xiě)出這時(shí)的轉(zhuǎn)矩平衡方程(2.5)TOC\o"1-5"\h\zdQ _(2.5)T=J——+KQ+T

edtQLd2Q deT=J——+K——+T

edtQdtL(2.6)(2.7)E d2Q d9_(2.7)J京+KQ石+T式中JKQT—

i系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;-摩擦系數(shù)；負(fù)載轉(zhuǎn)矩。當(dāng)SR電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，唯=0，則式中JKQT—

i系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;-摩擦系數(shù)；負(fù)載轉(zhuǎn)矩。當(dāng)SR電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，唯=0，則dt(2.8)電磁轉(zhuǎn)矩可以寫(xiě)為磁共能w.的函數(shù)aw(i,i,..…ie)T= L^, q—eae(2.9)1.dLT=—123——e2deSR電機(jī)的基本方程可以寫(xiě)成為(2.10)dVu=Ri+ kkktv=v(i,i?…;e)12aw'((i,i…;e) 1-2 aed2Qd9一T=J +K+TedtQdtLQ=殂dtK=1,2,3，…q(2.11)湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）由于電路，磁路的非線(xiàn)性和開(kāi)關(guān)性，使得（2.11）描敘的基本平衡方程實(shí)際上難以計(jì)算，通常需根據(jù)具體運(yùn)行狀態(tài)和研究項(xiàng)目的進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，因此可以采用線(xiàn)性模型，準(zhǔn)線(xiàn)性模型和非線(xiàn)性模型的求解方法。2.2分馬力開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的線(xiàn)性模式分析影響SRD運(yùn)行特性的最主要因素是SR電動(dòng)機(jī)相電流波形、電流的峰值和峰值出現(xiàn)的位置。然而，SR電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)繞組電流既非恒定直流量，亦非交變的正弦量，而且其波形還隨著電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)而變化。為弄清SR電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的基本電磁關(guān)系和基本特性，實(shí)用上，可從簡(jiǎn)化的線(xiàn)性模型入手進(jìn)行分析。（2.12）（2.12）dt（2.13）式中U為電動(dòng)機(jī)繞組的瞬時(shí)電壓，i為電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)電流，d*/dt（2.13）dtdt式中N為電動(dòng)機(jī)繞組的匝數(shù)，①是每匝的平均磁通。假定電動(dòng)機(jī)的磁路不飽和，即繞組的自感L與電流的大小無(wú)關(guān)，只是轉(zhuǎn)子位置角0的函數(shù)，若忽略繞組間的互感，則「dVrdi.dL-U= =L+iQdtdtd0（2.14）式中Q為角速度，dLd0為切割電勢(shì)，當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止或dLd0為0時(shí)，Q等于0。dLd0由電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子的極數(shù)和磁極形狀等參數(shù)所決定。圖b為理想化的每電感的變化曲線(xiàn)。相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩特性曲線(xiàn)示于圖c，由式（2.10）可以看出，當(dāng)dLd0為正時(shí)，轉(zhuǎn)矩值為正；當(dāng)比dLd0為負(fù)時(shí)，轉(zhuǎn)矩值為負(fù)；當(dāng)dLd0等于0時(shí)電動(dòng)機(jī)不能產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。為了產(chǎn)生正轉(zhuǎn)方向的轉(zhuǎn)矩，應(yīng)該在dLd0為正時(shí)讓電動(dòng)機(jī)繞組通以電流；為了產(chǎn)生反轉(zhuǎn)方向的轉(zhuǎn)矩，應(yīng)該在以dLd0為負(fù)時(shí)，在電動(dòng)機(jī)繞組中通以電流。因此需要轉(zhuǎn)子位置傳感器以決定電動(dòng)機(jī)電流的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)刻。理想的電流波形是在dLd0為正時(shí)，通以恒定的方波電流。由于電動(dòng)機(jī)存在電感，電流的上升需要一定的時(shí)間，實(shí)際的電壓和電流波形如圖b，c所示，電

湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)流的平均值i與電流的峰值及其導(dǎo)通時(shí)間有關(guān)(即與電流的通斷角有關(guān))。圖中uD以為直流電源電壓。電力半導(dǎo)體器件在60時(shí)刻導(dǎo)通，稱(chēng)為導(dǎo)通角；0為晶閘管的關(guān)斷角，在0時(shí)電源流向電動(dòng)機(jī)。在0時(shí)刻電動(dòng)機(jī)繞組的電流切斷。在0-0期間，能基經(jīng)續(xù)流二極管由電動(dòng)機(jī)回饋到電源。在電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，向常吞0-0=0-0。圖2.1開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行(b)實(shí)際的電流波形圖2.1開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行(b)實(shí)際的電流波形(d)采用斬波方式的電流波形實(shí)際上，開(kāi)斷角0處在最大電感區(qū)域達(dá)到之前，如圖b所示，在負(fù)轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)之前有電流流動(dòng)。在1高速電動(dòng)機(jī)中，00只需適當(dāng)提前以保證在進(jìn)入電感變化區(qū)域時(shí)電流有足夠的上升時(shí)間。為了限制電流不超過(guò)某一數(shù)值，常采用PWM斬波方式，如圖d所示。開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)具有較高的性能價(jià)格比，在工業(yè)中已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用。有文獻(xiàn)分析，開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的單位體積所產(chǎn)生的功率和轉(zhuǎn)矩可以和異步電動(dòng)機(jī)相比較，但是轉(zhuǎn)矩與慣量之比比異步電動(dòng)機(jī)大。它的運(yùn)行效率以及輸出同樣軸功率的變流裝置容量與采用PWM控制的異步電動(dòng)機(jī)相當(dāng)。開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)就是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。對(duì)于三相6/4極電動(dòng)機(jī),每轉(zhuǎn)將會(huì)產(chǎn)生12個(gè)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。低速時(shí)，這些轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生不利影響，因而在設(shè)計(jì)時(shí)需要采用適當(dāng)措施抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。在高速時(shí)，相電流的開(kāi)關(guān)頻率將影響電動(dòng)機(jī)和電力半導(dǎo)體器件的損耗。如果考慮系統(tǒng)的效率，開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的相數(shù)和轉(zhuǎn)子的極數(shù)應(yīng)盡可能少。開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的導(dǎo)通角和關(guān)斷角應(yīng)和轉(zhuǎn)子位置精確同步，因此在電動(dòng)機(jī)的軸上要安裝位置傳感器提供位置信號(hào)。SR電動(dòng)機(jī)在基速至第二臨界轉(zhuǎn)速的高速區(qū)域運(yùn)行時(shí)，常采用角度位置控制(APC)方式，通過(guò)導(dǎo)通角0,的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)電動(dòng)勢(shì)的轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的。由上述分析我們可知;若不計(jì)電動(dòng)機(jī)磁路飽和的影響，假定相繞組的電感與電流的大小無(wú)關(guān)，且不考慮磁場(chǎng)邊緣擴(kuò)散效應(yīng)，這時(shí)，相繞組的電感隨轉(zhuǎn)子位置角0周期性變化的規(guī)律可用圖2.2說(shuō)明。湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）圖中橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)子位置角（機(jī)械角），它的基準(zhǔn)點(diǎn)即坐標(biāo)原點(diǎn)0=0的位置，對(duì)應(yīng)于定子凸極中心與轉(zhuǎn)子凹槽中心重合的位置，這時(shí)相電感為最小值：當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)半個(gè)極距（T1/2=兀/NJ時(shí)，該相定、轉(zhuǎn)子凸極中心安全對(duì)齊，電感為最大值Lmax。隨著定:轉(zhuǎn)予磁極重疊增加和減少，相電感則在L3和Lmax之間線(xiàn)性地上升和下降，L（0）變化的頻率正比于轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)，變化的周期即為T(mén)1（對(duì)四相（8/6）SR電動(dòng)機(jī)，t1=60度）。圖2.2繞組電感L與轉(zhuǎn)子位移角0在一個(gè)轉(zhuǎn)子極距T1內(nèi)的關(guān)系曲線(xiàn)圖2.2中，01為轉(zhuǎn)子磁極的前沿與定子磁極的后沿相遇的位置，在0〃?01區(qū)域內(nèi)，定轉(zhuǎn)子磁極不相重疊，電感保持最小值Lmin不變，這是由于SR電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子槽寬通常大于定子極弧，所以當(dāng)定子凸極對(duì)著轉(zhuǎn)子槽時(shí)，便有一段定子極和轉(zhuǎn)子槽之間的磁阻恒為最大并不隨轉(zhuǎn)子位置變化的最小電感常數(shù)區(qū)；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)01后，相電感便開(kāi)始線(xiàn)性地上升直到0初為止，02為轉(zhuǎn)子磁極的前沿與定子磁極的前沿重疊處，這時(shí)定、轉(zhuǎn)子磁極全部重疊，相電感變?yōu)樽畲笾礚max。基于電動(dòng)機(jī)綜合性能的考慮，轉(zhuǎn)子極弧P，通常要大于定子極弧P「因此在區(qū)域02到03之間，定轉(zhuǎn)子磁極保持全部重疊，M應(yīng)地定轉(zhuǎn)子凸極間磁阻恒為最小值，相電感保持在最大值Lmax。這一區(qū)域習(xí)慣成為‘死區(qū)’。03為轉(zhuǎn)子磁極的后沿與定子磁極的后沿相遇的位置，至此，相電感開(kāi)始線(xiàn)性地下降，直到94處降為L(zhǎng)min,只為轉(zhuǎn)子磁極后沿與定子磁極前沿重合處。如此周而復(fù)始，往復(fù)循環(huán)。m"當(dāng)SR電機(jī)繞組通電時(shí)，若不計(jì)繞組損耗，輸入的電功率一部分用于增加繞組的儲(chǔ)能，一部分則轉(zhuǎn)換為機(jī)械功率輸出，而后者為繞組電流與定子電路的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)之積。抓住旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)的大小、正負(fù)與電感隨轉(zhuǎn)子位置而變的變化率有關(guān)的特點(diǎn)，不難分析在電感變化不同區(qū)域內(nèi)繞組電流流動(dòng)所引起的幾種不同的能量流動(dòng)情況。

湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)若在電感上升區(qū)域內(nèi)繞組通電，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)為正，產(chǎn)生電動(dòng)轉(zhuǎn)矩，電源提供的電能一部分轉(zhuǎn)換為機(jī)械能輸出，一部分則以磁能的形式儲(chǔ)存在繞組中；在最大電感為常數(shù)的區(qū)域，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)為零，如果電流繼續(xù)流動(dòng)，繞組磁能則僅回饋給電源，轉(zhuǎn)軸上沒(méi)有電磁轉(zhuǎn)矩；若電流在電感下降區(qū)域內(nèi)流動(dòng)，因旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)為負(fù)，產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，這時(shí)回饋給電源的能量既有繞組釋放的磁能，也有制動(dòng)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的機(jī)械能，即SR電機(jī)運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)。顯然，為了得到較大的有效轉(zhuǎn)矩，一方面應(yīng)盡量減少制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即在繞組電感開(kāi)始隨轉(zhuǎn)子位置減小時(shí)應(yīng)盡快使繞組電流衰減到零，為此，關(guān)斷角函，通常設(shè)計(jì)在最大電感達(dá)到之前。主開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷后，反極性的電壓加至繞組兩端，電流流向電源，所以繞組電流迅速下降，以保證在電感下降區(qū)域內(nèi)流動(dòng)的電流很小;另一方面，應(yīng)盡量提高電動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即在繞組電感隨轉(zhuǎn)子位置上升區(qū)域應(yīng)盡量流過(guò)較大的電流。2.3SR電機(jī)的運(yùn)行特性分析SR電機(jī)的運(yùn)行特性可分為三個(gè)區(qū)域：恒轉(zhuǎn)矩區(qū)、恒功率區(qū)、自然特性區(qū)，如圖(2.3)所示。在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速較低，電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)小，需要對(duì)電流進(jìn)行斬波限幅，可采用電流斬波(CCC)方式，也可采用電壓PWM控制方式；在恒功率區(qū)，通過(guò)調(diào)節(jié)主開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通角和關(guān)斷角取得恒功率特性，稱(chēng)為角度位置控制(APC)方式；在串勵(lì)匚一自修幃住區(qū)￡*|4>營(yíng)牌特性區(qū)，電源電壓、開(kāi)通角和關(guān)斷角均固定。轉(zhuǎn)遹1、〃2為各特性交接的臨界轉(zhuǎn)速，其中n1是SR電機(jī)開(kāi)始運(yùn)行于恒功率特性的臨界轉(zhuǎn)速：定義為SR電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，亦稱(chēng)為第一臨界轉(zhuǎn)速，對(duì)應(yīng)功率即為額定功率；n匚一自修幃住區(qū)￡*|4>營(yíng)牌圖2.3SR電機(jī)的運(yùn)行特性湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第3章分馬力開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化ANSYS軟件在分馬力開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)電磁分析中的應(yīng)用ANSYS軟件簡(jiǎn)介ANSYS軟件是國(guó)際流行的融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元軟件。在電磁應(yīng)用方面可有效分析多種設(shè)備，而且方便、快捷、準(zhǔn)確。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）非線(xiàn)性磁化曲線(xiàn)族￥=￥（9,i）是對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)行全面分析、控制的基礎(chǔ)。目前,求取非線(xiàn)性磁化曲線(xiàn)族主要有兩種方法,即測(cè)量和計(jì)算方法。計(jì)算的方法通常有等效磁路法,近似解析法，位勢(shì)磁通法和有限元法。在磁場(chǎng)分布和變化比較復(fù)雜且非線(xiàn)性嚴(yán)重的情況下，有限元法精度最高，而使用ANSYS軟件既保證了有限元分析的高精度,又大大降低了計(jì)算量。本文所討論的SRM具有非線(xiàn)性飽和磁路,磁場(chǎng)變化復(fù)雜。因此非常適合用ANSYS進(jìn)行分析。ANSYS電磁場(chǎng)分析ANSYS程序可用來(lái)分析電磁場(chǎng)多方面問(wèn)題，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場(chǎng)分布、磁力線(xiàn)、力等?？捎行У胤治龆喾N設(shè)備，如發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)、螺線(xiàn)管傳動(dòng)器、開(kāi)關(guān)等。ANSYS磁場(chǎng)分析的有限元公式由磁場(chǎng)的磁位人引入Maxwell方程組中并考慮其電磁性質(zhì)關(guān)系，用戶(hù)可開(kāi)發(fā)出適合于有限元分析的方程組。ANSYS程序的其他一些功能增強(qiáng)了程序的電磁分析能力和靈活性。例如，用戶(hù)可以方便地選擇多種單位制作為標(biāo)準(zhǔn)的Frontal求解器的替代，PCG,ICCG和JCG迭代求解器非常適用于求解電磁場(chǎng)問(wèn)題。ANSYS程序提供了豐富的線(xiàn)性和非線(xiàn)性材料的表達(dá)方式，包括各向同性或正交各向異性的線(xiàn)性磁導(dǎo)率,材料的B-H曲線(xiàn)和永磁體的退磁曲線(xiàn)。后處理功能允許用戶(hù)顯示磁力線(xiàn)、磁通密度和磁場(chǎng)強(qiáng)度并進(jìn)行力、力矩、源輸入能量、端電壓和其他參數(shù)的計(jì)算。ANSYS具體分析方法ANSYS分析過(guò)程中包含3個(gè)步驟。（1）創(chuàng)建有限元模型。包括：①創(chuàng)建或讀入有限元模型；②定義材料屬性；③劃分網(wǎng)格（節(jié)點(diǎn)及單元）。

湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)(2)施加載荷并求解。施加載荷及載荷選項(xiàng)、設(shè)定約束條件，然后求解。(3)查看結(jié)果。查看分析結(jié)果,然后檢驗(yàn)結(jié)果(分析是否正確)。應(yīng)用實(shí)例為了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明ANSYS軟件在開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)電磁分析中的應(yīng)用，在此舉出一例。電機(jī)為8/6極開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)，其各參數(shù)見(jiàn)表3.1。表3.1樣機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)定子外徑168cm 轉(zhuǎn)子外徑93.6cm定子極寬19cm 轉(zhuǎn)子極寬20cm定子軛高13.5cm 轉(zhuǎn)子軛高14.5cm定子極高23cm 轉(zhuǎn)子極高17.5cm鐵心長(zhǎng)度120cm 氣隙0.7cm根據(jù)SR電機(jī)結(jié)構(gòu)和電氣上的對(duì)稱(chēng)性，可取半個(gè)場(chǎng)域進(jìn)行求解。這樣雖然減少了剖分時(shí)間、求解時(shí)間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量，但其嚴(yán)重的缺點(diǎn)在于使有限元剖分輸入數(shù)據(jù)的自動(dòng)生成復(fù)雜化，因此，取整個(gè)區(qū)域?yàn)榍蠼鈪^(qū)域，如圖4.1所示。開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)中存在繞組電流區(qū)，因此對(duì)電機(jī)進(jìn)行有限元計(jì)算必須采用矢量磁位A來(lái)求解。并對(duì)電機(jī)作如下假設(shè)：圖3.1SR電機(jī)橫截面二維有限元求解模型(1)所有導(dǎo)線(xiàn)上電流密度均勻分布;(2)忽略磁滯效應(yīng)；(3)忽略位移電流；(4)電機(jī)外部磁場(chǎng)為零;(4)電機(jī)外部磁場(chǎng)為零;(5)鐵芯上工藝槽的效應(yīng)忽略不計(jì)；(6)鐵芯里感應(yīng)的傳導(dǎo)電流忽略不計(jì);湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)(7)鐵芯里的磁導(dǎo)率是各相同性的。在上述假設(shè)的前提下，得到下列非線(xiàn)性泊松方程和邊界條件(3.1)/1aa、iaa一(3.1)( Z)+(Z)—Jina |naxy邊界條件是整個(gè)剖分區(qū)域A—0，式中a為矢量磁位。場(chǎng)域剖分采用三角形六節(jié)點(diǎn)形式，在0?30°之間每隔2.5°剖分一次，計(jì)算一次磁場(chǎng)分布情況,選擇PLANE53單元類(lèi)型，輸入剖分區(qū)域所有材料的特性，并加邊界條件和載荷，然后就可以進(jìn)行剖分，圖2為。=17.50時(shí)的剖分結(jié)果(0°表示定子磁極軸線(xiàn)和轉(zhuǎn)子極間中心線(xiàn)重合時(shí)的位置，17.5°即轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子轉(zhuǎn)過(guò)17.50時(shí)的位置)。圖3.2二維有限元網(wǎng)格剖分圖。(a) 9=17?5°(b)0=17?5°時(shí)的氣隙放大圖圖3.2二維有限元網(wǎng)格剖分圖然后選擇Frontal求解器進(jìn)行求解，在后處理階段，要求輸出13個(gè)位置的磁場(chǎng)分布，以及磁化曲線(xiàn)族圖。?圖3.39=17.5°A相繞組電流為40A時(shí)的磁場(chǎng)分布ANSYS軟件在電磁分析中應(yīng)用前景ANSYS是一種功能強(qiáng)大的有限元軟件，可以靈活、方便地對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析、計(jì)算。ANSYS是高度集成的系統(tǒng)，隨著版本的不斷更新，功能的不斷擴(kuò)充和完善，在科湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)盧*€?-EZa*BOl?a盧*€?-EZa*BOl?a圖3.45.圖3.45.5KWSRM二維磁化曲線(xiàn)圖3.55.5kKWSRM三維磁化曲線(xiàn)學(xué)和工程計(jì)算領(lǐng)域?qū)?huì)有更廣闊的應(yīng)用前景。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)具有非線(xiàn)性飽和磁路、非線(xiàn)性主電路及非線(xiàn)性控制策略的特點(diǎn)，因此得到盡可能準(zhǔn)確的非線(xiàn)性磁化曲線(xiàn)族￥=￥(0,i)，是對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)行全面分析、控制的基礎(chǔ)。應(yīng)用ANSYS分析得到的結(jié)果，對(duì)后續(xù)工作有極大的理論價(jià)值。定、轉(zhuǎn)子極弧的確定選擇定子極弧寬度P「轉(zhuǎn)子極弧寬度P，的要求為：(1)獲得盡可能小的最小電感L；’min(2)減少漏磁；(3)保證必要的繞組空間；(4)啟動(dòng)性能好；(5)盡可能大的輸出轉(zhuǎn)矩。從啟動(dòng)特性角度出發(fā)，要求在任意轉(zhuǎn)子位置都有足夠大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。這就必須使P>2兀溝N’，以保證各相轉(zhuǎn)矩波形有一定的重疊，使電動(dòng)機(jī)在任何位置都能可逆啟動(dòng)。因此，定子極弧寬度越大，重疊區(qū)間越大，啟動(dòng)性能越好.但是P+r=t (3.2)式中r為定子槽寬(弧度)，ts12兀/Ns為定子極距，q為電機(jī)的相數(shù)。當(dāng)定子極弧寬度ps增大，定子槽寬rs就減小，繞組空間就減小了，因此ps的增大要受⑶的限制：從前面章節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩條件看，當(dāng)最大磁導(dǎo)入max和最小磁導(dǎo)入曲/保持不變時(shí)，相磁鏈wmax越大，輸出的機(jī)械能也越大。耐m：t0maxN，當(dāng)署磁通密度8s和電流密度、一定時(shí)，可以說(shuō)Wmax與定子極弧寬度和定子槽寬的乘積成正比。、對(duì)齒、槽數(shù)一定的三相電機(jī)而言三是一個(gè)定值，因此，當(dāng)P「r,=0.5t,時(shí)，輸出平均功率最大，鐵心利用率最高： sss綜合上述分析，可以得到定子極弧的取值范圍為(3.3)兀(3.3)q(q—1)10湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)相應(yīng)地，轉(zhuǎn)子極弧的取值范圍為冗 一一一 ,西旭4，河 (3.4)根據(jù)SRD電動(dòng)機(jī)參數(shù)優(yōu)化研究表明：定子、轉(zhuǎn)子極弧寬度的取值盡可能在P:(0.3?0.42)r與P=(041.4)>范圍內(nèi)。主要尺寸與電磁負(fù)荷的關(guān)系電機(jī)的電磁負(fù)荷是指電機(jī)的電負(fù)荷A和磁負(fù)荷p5。它們與電機(jī)主要尺寸的確定直接相關(guān)，并影響到電機(jī)的運(yùn)行特性、效率、溫升等，是電機(jī)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。SR電機(jī)由于是雙凸極結(jié)構(gòu)，應(yīng)從等效的意義上去看待其電磁負(fù)荷。電負(fù)荷A是指電樞圓周表面每單位長(zhǎng)度上導(dǎo)體中的總電流，SR電機(jī)電樞直徑指定子內(nèi)徑，故定義電負(fù)荷(A/m)為A=竺上 (3.5)兀DSI式中I----繞組電流的有效值(A)；D 定子內(nèi)徑(m)。由于氣隙很小，亦可用轉(zhuǎn)子直徑Da。取代D^則TOC\o"1-5"\h\zA=q-phI- (3.6)rDa繞組電流有效值可寫(xiě)為’1… 、I= 』Ti2dt=ki (3.7)\T0 im式中T——一個(gè)電流周期的時(shí)間；im——實(shí)際電流峰值；——峰值電流系數(shù)，與電流波形有關(guān)。對(duì)不同結(jié)構(gòu)、容量sr電機(jī)的大量實(shí)際計(jì)算表明，額定工況下，關(guān)斷角0o=en,繞組電流系數(shù)K=0.48?0.52,一般取K=0.5o 0加在手工核算‘電機(jī)性能時(shí)，由于0,磁化曲線(xiàn)比0同磁化曲線(xiàn)更容易計(jì)算，因此將用理想方波電流和0“、0」磁化曲線(xiàn)計(jì)算電磁轉(zhuǎn)矩。理想方波電流定義為0o=0a、0o=0u的方波電流，它與實(shí)際電流波形等效的原則是電流有效值相等。設(shè)在理源方/電流幅為勺，則11湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)I■-f/*2dt=1=I* (3.8)TTmv2M由于SR電機(jī)存在主開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)電源向勵(lì)磁繞組供電和主開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)勵(lì)磁繞組儲(chǔ)存能最續(xù)流返回電源的兩種過(guò)程，返還電源的這部分能量不包含在電磁功率中，故定義SR電機(jī)每相繞組一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的負(fù)荷系數(shù)為T(mén)OC\o"1-5"\h\z0-0 N.K=-fff- on=k0 (3.9)d2兀N 2兀cr則電磁功率可寫(xiě)為P=qeiKd (3.10)式中e^，i^——相繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流。a q——電機(jī)的相數(shù)U——繞組端電壓。忽略繞組電阻，由電壓平衡方程式(2.12)，有￥=—0 (3.11)mQc其中Q=2幾n60,最大磁鏈￥出現(xiàn)在關(guān)斷角0。位置，一般0。=0府。電機(jī)的磁負(fù)荷是指氣隙的平均磁通密度。由于磁路不均勻，這使得TSR電機(jī)磁負(fù)荷的表述很困難。從SR電機(jī)一相繞組通電時(shí)的磁場(chǎng)分布可知，每極主磁通均處于一個(gè)轉(zhuǎn)子極距的范圍內(nèi)，故定義磁負(fù)荷為B=- (3.12)8Tl式中。一一0o位置下的每極主磁通；Tr——轉(zhuǎn)子極距；[——電樞計(jì)算長(zhǎng)度。需注意的是，考慮SR電機(jī)雙凸極結(jié)構(gòu)和端部磁場(chǎng)，電樞計(jì)算長(zhǎng)度18要比直流電機(jī)、交流電機(jī)復(fù)雜得多，它與定、轉(zhuǎn)子位置有關(guān)。確定電機(jī)磁負(fù)荷后就可以將最大磁鏈表示為b8的函數(shù)。￥=N①=NBDl— (3.13)mph ph8a8Nr將式(3.9)，與(3.10)代人式(3.8),整理得D21=61KiPem (3.14)a8BKn8m12

湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)當(dāng)采用原先電機(jī)設(shè)計(jì)常用的高斯-厘米制單位，而Pm采用KW時(shí)，則(3.15)6.1x1011kP(3.15)B5A kn式(3.14)、式(3.15)與普通直流或交流電機(jī)設(shè)計(jì)中的輸出方程非常相似。如果去掉電流系數(shù)k,、km,則等同于極弧系數(shù)為1的直流電機(jī)輸出方程。事實(shí)上，當(dāng)SR電機(jī)工作于固定。。、。?！闺娏鞑粩夭ǖ墓r下，其機(jī)械特性與他勵(lì)直流電機(jī)機(jī)械特性的性質(zhì)是一致白的。式(3.14)或式(3.15)是決定電機(jī)主要尺寸的依據(jù)。D215正比于轉(zhuǎn)子鐵心的圓柱體積，由于電機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸之間具有一定的比例關(guān)系:所以此D21亦正比于整個(gè)電機(jī)的體積。a5SR電機(jī)的磁負(fù)荷，與定子勵(lì)磁極中的平均磁通密度Bs，具有一定的關(guān)系。設(shè)主磁極的漏磁系數(shù)為。，則 ”o①B=b-^- (3.16)psFe式中b——定子磁極的極身寬度；ps1Fe——有效鐵心長(zhǎng)度。聯(lián)立式e(3.12)、式(3.16)則Bb1 小一、5-=PsFr (3.17)Bps。一5理論研究和實(shí)踐表明，常規(guī)SR電機(jī)與相同機(jī)座號(hào)的異步電機(jī)額定輸出轉(zhuǎn)矩相當(dāng)，單位轉(zhuǎn)子體積所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩略高于異步電機(jī)，在許多的實(shí)際設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，SR電機(jī)采用了異步電機(jī)的機(jī)座，因此電負(fù)荷A可參照異步電機(jī)的選取條件和選取范圍來(lái)決定。對(duì)中小型SR電機(jī)，電負(fù)荷A的取值范圍為A=1500-50000A/m。主要尺寸的確定主要尺寸指定子鐵心外徑D、轉(zhuǎn)子直徑Da以及鐵心長(zhǎng)度1ao首先考察鐵心長(zhǎng)度與轉(zhuǎn)子直徑的比值九，定義九二a-ff— (3.18)Da入的大小對(duì)電機(jī)的性能指標(biāo)和經(jīng)擠指標(biāo)是有影響的。當(dāng)入值較大時(shí)，電機(jī)比較細(xì)長(zhǎng)，電樞繞組的端部長(zhǎng)度占整個(gè)繞組的比例較小，從而用銅量較省，細(xì)長(zhǎng)的鐵心也將使端部磁場(chǎng)影響減弱，使采用二維模型計(jì)算的磁化曲線(xiàn)誤差，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣13

湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）量較小，有利于電機(jī)的起動(dòng)和調(diào)速;電機(jī)內(nèi)部通風(fēng)條件變差。反之，當(dāng)入值較小時(shí)，電機(jī)比較粗短，其特點(diǎn)與值較大時(shí)相反。參照中小型交流電機(jī)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，入值一般為九=0.5-3.0對(duì)于SR電機(jī)，一個(gè)典型的取值為入=1。由第下章中研究知道，SR電機(jī)的銅損耗約占總損耗的一半，因此電磁功率Pm可按下式進(jìn)行估算P『NW （3-19）式中P——額定功率：” 額定效率；由額定參數(shù)計(jì)算電磁功率，選取定、轉(zhuǎn)子極數(shù)，相數(shù)，電磁負(fù)荷A、B5，電機(jī)細(xì)長(zhǎng)比入后，即可根據(jù)式3.13確定電機(jī)轉(zhuǎn)子外徑D。和鐵心長(zhǎng)度\。SR電機(jī)定、轉(zhuǎn)子外徑的比值D/Dj根據(jù)已完成的相.大范圍的各種規(guī)格、功率產(chǎn)品統(tǒng)計(jì)，其合理的比值范圍為a D/Da=0.4-0.7,最常用的設(shè)計(jì)比例為D/Q=0.5-0.56,比值的確定取決于定、轉(zhuǎn)子極數(shù)，運(yùn)行要求。其他參數(shù)的確定繞組端電壓SR電機(jī)電源可以直接采用直流電源，或采用交流經(jīng)整流得到的直流電源。如為工業(yè)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，通常采用單相或三相交流電源整流。設(shè)uD為全波整流后的直流電壓（未考慮電容濾波作用），則 ,（單相全波整流與三相全波整流）（3.20）兀2（單相全波整流與三相全波整流）（3.20）遷KU兀 2式中U2——交流電源的相電壓。根據(jù)功率交換器的不同結(jié)構(gòu)形式，繞組電壓U分別為U=uD,U=UD/2實(shí)際路中，由于電容濾波器的存在，電壓較上式計(jì)算結(jié)果高一些?！癉轉(zhuǎn)子軛高轉(zhuǎn)子軛高h(yuǎn)^應(yīng)保證軛部鐵心出現(xiàn)最大磁通密度時(shí)不會(huì)過(guò)飽和的情況，為此應(yīng)取hcr>bJ2;由于考慮到存在兩相以上繞組同時(shí)導(dǎo)通的情況，軛高較好的取值一般為Pp14湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)bh二(1.2?1.4)- (3.21)cr 2根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值在不影響轉(zhuǎn)軸強(qiáng)度情況下，h^還可取得更大一些。轉(zhuǎn)子的軸徑在轉(zhuǎn)子外徑。/氣隙g、g,。和轉(zhuǎn)子軛高h(yuǎn)^確定后，軸徑D=D-2(g.—g)-2h (3.22)需注意的是，軸徑D不能太小，否則會(huì)影響到機(jī)械強(qiáng)度，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子振動(dòng)和動(dòng)偏i心、電機(jī)噪聲增大。如有必要，應(yīng)校核轉(zhuǎn)軸的撓度、臨界轉(zhuǎn)速和強(qiáng)度。但軸徑不宜過(guò)大，在保證機(jī)械強(qiáng)度的前提下，取適當(dāng)?shù)妮S徑，以提供較大的g,和hcr,一般 ’"D=(0.4?0.5)D (3.23)定子軛高和選取轉(zhuǎn)子軛高h(yuǎn)^一樣，定子軛高h(yuǎn)s應(yīng)保證軛部鐵心出現(xiàn)最大故定子軛高的取值是h=(1.2?1.4)M (3.24)cs 2較大的hs有利于抑制電機(jī)的振動(dòng)和噪聲。取hs=h“時(shí)，可以最大限度的降低電機(jī)的噪聲和振動(dòng)，還可以考慮采用方形或多邊形沖片結(jié)構(gòu).尤其是在無(wú)外殼的情況下。定子的槽深為提供較大的繞組空間，采用大的導(dǎo)線(xiàn)截面以減小電機(jī)銅損耗，定子槽深ds應(yīng)盡可能大。當(dāng)定子外徑Ds,轉(zhuǎn)子外徑D,和定子軛高確定后，定子槽深ds可以由下式得到 , " ,d=1(D-D-2g-2h) (3.25)s2Sa cs氣隙15湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)氣隙主要包括第一氣隙g和第二氣隙grg是指定、轉(zhuǎn)子齒極軸線(xiàn)重合時(shí)兩極面之間空氣隙的距離，它的大小直接影響最大電感Lmax值。第二氣隙g,是指定子齒極軸線(xiàn)與轉(zhuǎn)子齒極間中心線(xiàn)重合時(shí)，定子齒極表面到轉(zhuǎn)子槽底的距離，即g=g+h (3.26)要想獲得最大的輸出轉(zhuǎn)矩，要求SR電動(dòng)機(jī)的定子繞組電感值應(yīng)隨轉(zhuǎn)子位置的改變產(chǎn)生盡可能大的變化，這就要求盡可能減少第一氣隙長(zhǎng)度g。g的大小主要受到制造和裝配工藝的約束，但考慮到g對(duì)SR電動(dòng)機(jī)振動(dòng)和噪聲的影響，g不可能取得很小。一般以等于或略小于同容量籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的氣隙長(zhǎng)度為宜。分馬力開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)電磁設(shè)計(jì)實(shí)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.相數(shù)、極數(shù)和繞組端電壓本電機(jī)為工業(yè)調(diào)速驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，采用4相8/6極結(jié)構(gòu)，功率變換器主電路選用每相一個(gè)主開(kāi)關(guān)管的裂相式電路(l)相數(shù)q=4(2)定子極數(shù)N=8(3)轉(zhuǎn)子極數(shù)N=6(4)繞組端電壓'Uu 32X380 297tU=1.1d=1.1x V=280V (3.27)2九式中，1.1是電容濾波器的存在導(dǎo)致電壓升高的系數(shù)。2.主要尺寸的選擇 主是尺寸可以由Y-132M4型異步電機(jī)“類(lèi)比”設(shè)計(jì)。本算例的設(shè)計(jì)由輸出方程開(kāi)始。(5)電磁功率Pem16湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）P=P1P=P1^^=7.5x1+0.88KW=8.01KWemN2n2x0.88(3.28)(6)⑺細(xì)長(zhǎng)比(6)⑺細(xì)長(zhǎng)比九取九=1.2.電磁負(fù)荷初選值A(chǔ)、、紇，取5A'=28000A/m,B、=0.40T，5(3.29)(8)轉(zhuǎn)子外徑DaD2(1.05九D)=6.1B~A

5(8)轉(zhuǎn)子外徑DaD2(1.05九D)=6.1B~A

5(3.30)6.1x0.51.05x1.2x0.4x28000x0.8 15008.01x103 八… m=0.113m(9)鐵心疊長(zhǎng)lal=九D=1.2x113mm=135.6mm(3.31)（10）定子外徑Ds,由表3.1，取DS=DA/0.53=113/0.53mm=213.2mm(3.32)為利用丫-132M機(jī)座，取D=210mm，則DjD=0.5383.其他結(jié)構(gòu)尺寸及繞組匝數(shù)(11)(12)(13)氣隙(11)(12)(13)氣隙g取g=0.4mm.定、轉(zhuǎn)子極弧P，S定、轉(zhuǎn)子極寬b，psP取0=21。,0=23。bPrb=(D+2g)sinpsg=(113+2x0.4)b=(D+2g)sinpsg=(113+2x0.4)xsin21° 八… mm=20.74mm(3.33)bpc113xsin^—mm=22.53mm

2(3.34)（14）第二氣隙gib20.74g.=~2s~=2—mm=10.37mm^26g>20g(3.35)（15）定，轉(zhuǎn)子軛高h(yuǎn)，crcs17湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）(3.36)h=1.3—p~=1.3x2°，mm=13.48mmcs2 2(3.36)bh=bh=1.3—ps=1.3x2cr20.74 …0 -b mm=13.48mm=1.4—p^2 220.53=1.4x mm=15.77mm(3.37)(16)軸徑DiD=D-2(g-g)-2h二[113(16)軸徑DiD=D-2(g-g)-2h二[113—2x(10.37—0.4)—2x15.77]mm=61.5mm(3.38)（17）定子槽深dsd=LD-D-2g-2h)s2ss cs1=2x(210-113一2x0.4一2x13.48)mm=34.62mm(3.39)（18）調(diào)整，電機(jī)尺寸總結(jié)鐵心截面圖如4.6示，結(jié)構(gòu)尺寸根據(jù)工程設(shè)計(jì)特點(diǎn)作了圓取平行轉(zhuǎn)子極結(jié)構(gòu)。圓整后的電機(jī)尺寸匯總見(jiàn)表4.1（19）有效鐵心長(zhǎng)度lFe(3.40)（20）轉(zhuǎn)子極距(3.40)（20）轉(zhuǎn)子極距Tr丫J=0.93x135.5mm=126mm(3.41)（21）控制參數(shù)額定轉(zhuǎn)速下的預(yù)取開(kāi)通角18(3.41)（21）控制參數(shù)額定轉(zhuǎn)速下的預(yù)取開(kāi)通角18兀D =59.17mmNr湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）(3.42)關(guān)斷角e=l(^l-p(3.42)關(guān)斷角e=l(^l-p)+e=1x(hr2N/u2

r360°—23°)(3.43)=185=0.323rad導(dǎo)通角Nph3.04Nph3.04NUe r c吟Dl(3.46)e=ef-e=18.5。=0.323rad(3.44)（22）每相繞組串聯(lián)匝數(shù)Nph取Bs=1.6T,重新校核B5。(3.45)59.17B=0.805x2074x1.6T=0.451T(3.45)59.17ps3.04x6x280x3.04x6x280x0.323匝=152匝（25）額定電磁轉(zhuǎn)矩TemTemP-em①(3.47)1500x0.451x0.113x(10.5x0.1355).對(duì)齊位置和不對(duì)齊位置磁化曲線(xiàn)計(jì)算 無(wú)論對(duì)齊位置ea，和不對(duì)齊位置eu，手工計(jì)算磁化曲線(xiàn)都很繁瑣，宜編制程序由計(jì)算機(jī)完成。（23）不對(duì)齊位置電感L由程序計(jì)算得L=0.00918H.u（24）對(duì)齊位置磁化曲線(xiàn)見(jiàn)圖3.7.電流及轉(zhuǎn)矩計(jì)算8.01x103N.m=51N.m2兀x1500/60（26）額定電磁轉(zhuǎn)矩T所需的理想方波電流幅值I*在圖4.7中磁化曲線(xiàn)中，當(dāng)Tem8x6x13.61NTem8x6x13.61N.m=52N.m>T(3.48)em表3.1電機(jī)尺寸總匯19湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）定子外徑D/mm210轉(zhuǎn)子極弧Pr3°）23轉(zhuǎn)子外徑Dmma/11313.5定廣軛高h(yuǎn)/mm鐵心疊長(zhǎng)lmma/135.5轉(zhuǎn)子軛高h(yuǎn)/mm15.75氣隙g/mm0.4軸徑Dmm50第二氣隙g./mm16.15定子槽深dmms/34.6定子極弧RJ。）21（27）繞組電流有效值1 28(3.49)I==I*=rA=19.8A(3.49)22m<2（28）實(shí)際電流峰值imi=—I=198A=39.6Amk0.5(3.50)6.繞組設(shè)計(jì)（29）定子極間窗口面積Sw,如圖4.8所示，有0.212一（0.21-0.0135)2+0.212一（0.21-0.0135)2+2x0.02.74x0.03462}x2x8x0.93x0.135m3={22[(210—13.5)2-(113+0.4)2]-g20.74x34.62}mm(3.51)=649.2mm2(3.51)（30）導(dǎo)線(xiàn)規(guī)格、導(dǎo)線(xiàn)截面積S尊。和槽滿(mǎn)率K，預(yù)取電流密度J'=5A：mm2，則I19.8mm2=39.6I19.8mm2=39.6mm2aJ' 5每槽導(dǎo)體凈截面積S=1Ns=1x152x39.4mm2=299.44mm2Gu2pha2(3.52)(3.53)槽滿(mǎn)率k20湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）K=G-gw

K=G-gw

Sw299.4八必 =0.46649.2(3.54)(31)電流密度(31)電流密度J198198A/mm2工5A/mm23.94(3.55)(32)繞組平均匝長(zhǎng)度1av圖3.7(32)繞組平均匝長(zhǎng)度1av圖3.7磁化曲線(xiàn)及磁共能圖兀1b=(D+2g)sin————b (3.56)^a N2Pss九1二(113+2*0.4)sin8—2義20.74mm=33.2mma=b+b=(20.74+33.2)mm=53.9mm (3.57)b=l+2*5+b=(134.5+10+33.2)mm=178.7mm (3.58)a wr=5+—b=21.6mm (3.59)2wl=21+2(b—2x5)+2兀r (3.60)=[2x135.5+2x(20.74-10)+2兀x21.61]mm=428.2mm(33)每相繞組導(dǎo)線(xiàn)的總長(zhǎng)度21

湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)l=Nl=152x0.4282m=65m (3.61)(34)每相繞組電阻/pR=p—=0.0217-65-Q=0.358Q (3.62)pS 3.947.參數(shù)計(jì)算(35)銅重GGuG二qSlx8.9x10-6=4x3.94x65x10-3x8.9x10-6kg=9.1kg(3.63)(36)定子鐵心體積VsFe1兀 D D 1V={—.——[(—s)2-(--h)2]+—bd}x2Nl (3.64)sFe2N 2 2 cs2PSssFes0212-(021-0.0135)2+1x0.02.74x0.03462}x2x8x0.93x0.135m322 2(3.65)=2.824x10-3m2=2.824x106mm2(3.65)(37)轉(zhuǎn)子鐵心體VRFeVRFe[(與+hJ-(—)2]+2bVRFe[(與+hJ-(—)2]+2bJgJg)}x2NrlFe(3.66)VRFe={-K005+0.01575)2-0052]+1x0.02253(0.01615-0.0004)}x2x0.93x0.1355mm22x6 2 4 2=6.783x10-4m3=6.783x105m3(38)鐵心重GFeG=(V+V)x7.8x10-6 (3.67)二(2.824x106+6.738x105)x7.8x10-6kg=27.3kg(39)電負(fù)荷AA二?冗Dsi4x152x198 - Am=(0.113+0.0004x2)33672Am(40)銅耗PGuP=qi2R=4x19.82x0.358w=0.56kw (3.68)(41)電機(jī)利用系數(shù)1p22湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)“TK=“TK=N—D21aa(3.69)15°°x28/60-kN.m/m3=27.6kN.m/m30.1132x0.1355(3.69)3.7電磁設(shè)計(jì)例小結(jié)本算例詳細(xì)給出了由輸出方程完成SR電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸、繞組匝數(shù)確定的全程。由于輸出方程引入了電流系數(shù)，使之應(yīng)用更可靠實(shí)用。與傳統(tǒng)電相比，SR電機(jī)存以下顯著特點(diǎn)：(1)即使在結(jié)構(gòu)尺寸、繞組匝數(shù)、端電壓、線(xiàn)規(guī)確定之后，其電磁轉(zhuǎn)矩控制參數(shù)相關(guān)。(2)電磁轉(zhuǎn)矩由w-，?軌跡包圍的磁共能面積決定，磁化曲線(xiàn)族由不同位置的曲線(xiàn)組成，磁路不均勻，計(jì)算工作量大、困難。(3)繞組匝數(shù)對(duì)最小電感值影響較大，從而影響電流峰值和電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算。(4)存在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)、恒功率區(qū)的調(diào)速范圍。(5)效率計(jì)算困難。因此，SR電機(jī)應(yīng)采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法，才可能完成調(diào)速范圍計(jì)算、效率計(jì)算調(diào)整電機(jī)參數(shù)等。本算例假定點(diǎn)時(shí)非線(xiàn)性方法計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3.23.8優(yōu)化設(shè)計(jì)3.8.1目標(biāo)函數(shù)目標(biāo)函數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)要求有多種選擇，如采用單位輸出功率所耗用的有效材體積作為SR電機(jī)優(yōu)化問(wèn)題的基本目標(biāo)函數(shù)：minfminf(X)=D21 aaP2(3.70)式中X=[DD1N?Bhh]t——輸出功率當(dāng)取定P2為額定輸出功率時(shí)，目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為使.電機(jī)體積最小;當(dāng)保持(D21)不變時(shí)，目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為使電機(jī)輸出功率最大。 aa表3.2設(shè)計(jì)例題非線(xiàn)性方法計(jì)算結(jié)果9 _4.5P 482W P 8252W B1.56T23湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)90f18.5PFe281Wn0.89Bcr1.11Ti36.14AP126Wj48.4A/mm2mfwI19.08AP62WB1.68TspsT52.5N.mP8734WB1.3Tmincs3.8.2優(yōu)化變量取對(duì)SR電機(jī)性能影響較大的8個(gè)參數(shù)作為優(yōu)化變量：X=[DDlNphh]t

saspsa亍i)式中D——定子外徑；Da——轉(zhuǎn)子外徑；1，-——鐵心長(zhǎng)度；Nh——每相繞組匝數(shù)；P:-—一定子磁極極??；Pr——轉(zhuǎn)子磁極極??；hs——定子軛高；hcr——轉(zhuǎn)子扼高。3.8.3約束條件SR電機(jī)的主要約束條件有：(1)定子繞組電流密度JGu JGu主要用以約束電機(jī)的溫升和銅耗，考慮到集中在定子和雙凸極結(jié)構(gòu)特點(diǎn):散熱性比較好，因此電流密度較傳統(tǒng)電機(jī)可取得高一些，可取J<6.0A：mm2。(2)定子極最大平均磁通密度BB，愈大，電機(jī)鐵耗愈大，但重量卻因截面積的減小而降低。從SR電機(jī)損耗分布卷，鐵耗并不占主導(dǎo)地位，電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)磁通密度也不是常數(shù)，因此Bs,可取得大一些，在取值時(shí)還應(yīng)考慮疊片材料磁特性的影響，取B/1.8T。/(3)定子軛最大平磁通密度B 考慮到鐵心軛部的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，取B<1.5T。(4)輸出功率P2優(yōu)化點(diǎn)下的輸出功率應(yīng)大于或等于額定浦出功率PNP2>PN。由于SR電機(jī)的功率--轉(zhuǎn)速特性由恒轉(zhuǎn)矩區(qū)、恒功率區(qū)和自然特性區(qū)24湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)三部分組成，因此輸出功率的約束不能只考慮優(yōu)化點(diǎn)，還必須兼顧第1工作點(diǎn)和第2作點(diǎn)。P>P,P>P。(5)定子極極弧1為保證電機(jī)具有正反兩個(gè)方向的自起動(dòng)能力，取P>4兀,；NN。(6)轉(zhuǎn)子極極弧0，取P^P。(7)效率n在優(yōu)化過(guò)程中，所計(jì)算的n是電機(jī)本體而不是整個(gè)系統(tǒng)的效率，因此需將用戶(hù)要求的系統(tǒng)效率折算為電機(jī)效率，用T〃表示，則n>nm。3.9SR與其他電機(jī)的有關(guān)比較SR與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的比較從結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理上看，SR電動(dòng)機(jī)與具有大步進(jìn)角的反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)十分相似，因此有人誤以為SR電動(dòng)機(jī)即是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，并由此推斷SR電動(dòng)機(jī)有相當(dāng)大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。其實(shí)不然，因?yàn)椴竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求是輸出較高的位置精度和高的轉(zhuǎn)矩與位置的變化率，而SR電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求則為變速驅(qū)動(dòng)，有平滑的轉(zhuǎn)矩變化，顯然兩者的設(shè)計(jì)目標(biāo)及方法均存在差異；另外，SR電動(dòng)機(jī)的控制方式和運(yùn)行特點(diǎn)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)亦有較大區(qū)別，這表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：圖3.9主開(kāi)關(guān)觸發(fā)邏輯信號(hào)(1)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一般用作定位，它將數(shù)字脈沖輸人轉(zhuǎn)換成模擬運(yùn)動(dòng)輸出，對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)而言，軸的運(yùn)動(dòng)服從電源的換相，轉(zhuǎn)子在定子磁極軸線(xiàn)間步進(jìn)旋轉(zhuǎn)；而SR電動(dòng)機(jī)則用于調(diào)速傳動(dòng)場(chǎng)合，始終運(yùn)行在自同步狀態(tài)，電源的換相取決于轉(zhuǎn)軸的位置。這就與通常的位置開(kāi)環(huán)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)不同，SRD均有檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)的控制，控制器根據(jù)轉(zhuǎn)子位置向功率變換器提供對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁觸發(fā)信號(hào)，保證電動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而可避免步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可能出現(xiàn)的失步25湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)現(xiàn)象。SRD可控因素較多，既可調(diào)節(jié)每相主開(kāi)關(guān)器件的起始導(dǎo)通角、關(guān)斷角也可采用調(diào)壓或限流斬波控制，調(diào)速方法靈活，易于構(gòu)成性能優(yōu)良的調(diào)速系統(tǒng)，并可運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài);而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)只作電動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行，一般只是通過(guò)調(diào)節(jié)電源步進(jìn)脈沖的頻率來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。SRD與異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的比較電動(dòng)機(jī)方面的比較SR電動(dòng)機(jī)較異步電動(dòng)機(jī)堅(jiān)固、簡(jiǎn)單，其突出優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)子上沒(méi)有任何繞組，因此不會(huì)有異步電動(dòng)機(jī)由于籠型轉(zhuǎn)子所引起的鑄造不良、疲勞故障及最高轉(zhuǎn)速的限制等問(wèn)題;在定子方面，SR電動(dòng)機(jī)亦特別簡(jiǎn)單、堅(jiān)固，只有集中繞組，雖然，SR電動(dòng)機(jī)通常裝有位置檢測(cè)器，但總的說(shuō)來(lái)，SR電動(dòng)機(jī)較籠型異步電動(dòng)機(jī)的制造成本低，制造難度小。逆變器方面的比較就簡(jiǎn)單性和成本而言，SR電動(dòng)機(jī)功率變換器總體上較異步電動(dòng)機(jī)PWM變頻器略占優(yōu)勢(shì)。如前所述，SRD一個(gè)極為有利的特點(diǎn)是相電流單向流動(dòng)，與轉(zhuǎn)矩方向無(wú)關(guān)，這樣每相可做到只用一個(gè)主開(kāi)關(guān)器件即可控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，而異步電動(dòng)機(jī)PWM變頻器每相則必須有兩個(gè)；另外，異步電動(dòng)機(jī)電壓型PWM變頻器的主開(kāi)關(guān)器件因逐個(gè)跨接在電源上，存在因誤觸發(fā)而使上、下橋臂直通，使主電路短路的故障隱患，而SR電動(dòng)機(jī)功率變換器主電路中，始終有一相繞組與主開(kāi)關(guān)器件串聯(lián)，這就從結(jié)構(gòu)上排除了短路擊穿的可能。事實(shí)上，異步電動(dòng)機(jī)PWM變頻器電路中通常要附加預(yù)防低阻抗擊穿的支路，這無(wú)疑增加了成本和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，而且主開(kāi)關(guān)器件的電流額定值也因此而提高；還有一個(gè)對(duì)SR電動(dòng)機(jī)功率變換器成本有利的事實(shí)是，其換相開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)頻率要較異步電動(dòng)機(jī)變頻器中主開(kāi)關(guān)器件的工作頻率低得多，因此，在同樣工作狀態(tài)下，SR可選開(kāi)關(guān)頻率較低的器件。系統(tǒng)性能方面的比較傳統(tǒng)觀點(diǎn)上，一直作為交流電動(dòng)機(jī)家族中一員的磁阻電動(dòng)機(jī)是按正弦旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)設(shè)計(jì)的同步磁阻電動(dòng)機(jī)，其定子是隱極的并裝有分布繞組。同步磁阻電動(dòng)機(jī)在效率、功率因數(shù)、出力等性能指標(biāo)上明顯低于異步電動(dòng)機(jī)，一般只能在低速、同步運(yùn)行且不考慮成本因素的情況下使用。容量一般限制在1000w以下。具有雙凸極結(jié)構(gòu)的SR電動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)的磁阻電動(dòng)機(jī)相比，具有本質(zhì)的區(qū)別，它是磁阻電動(dòng)機(jī)和電力電子開(kāi)關(guān)電路相結(jié)合產(chǎn)生的一種節(jié)能型變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。事實(shí)上，經(jīng)許多使用經(jīng)驗(yàn)表明，SRD在單位體積轉(zhuǎn)矩值、效率、逆變器伏安容量及其他性能參數(shù)上可與異步電動(dòng)機(jī)PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)，特別是轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比值較交流調(diào)速系統(tǒng)占有較大優(yōu)勢(shì)。SR電動(dòng)機(jī)具有高性能的可控直流電動(dòng)機(jī)的特性，控制較變頻調(diào)速系統(tǒng)靈活、26湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）方便，僅僅通過(guò)控制相繞組的接通、斷開(kāi)的時(shí)間即可得到滿(mǎn)足各種需要的轉(zhuǎn)矩速度特性。眾所周知，異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)在低頻運(yùn)行時(shí)會(huì)因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)本身固有的不穩(wěn)定性而出現(xiàn)振蕩和不穩(wěn)定，這在SRD中是不會(huì)出現(xiàn)的。事實(shí)上，在較低的速度范圍內(nèi)，SRD具有比異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)高的轉(zhuǎn)矩電流比值和優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能。SRD與異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)相比稍顯遜色的是：SR電動(dòng)機(jī)功率變換器輸出的是不規(guī)則電流脈沖，導(dǎo)致運(yùn)行噪聲和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題較為突出。綜上所述，與技術(shù)日趨成熟并得到廣泛應(yīng)用的異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)相比，SRD這一交流調(diào)速領(lǐng)域的新型運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)已顯示出與傳統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力，但亦暴露出不足和有待進(jìn)一步研究改進(jìn)的問(wèn)題，斷言SRD會(huì)取代異步電動(dòng)機(jī)變速驅(qū)動(dòng)以及SRD在調(diào)速領(lǐng)域無(wú)所作為都是不科學(xué)的。在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，SRD必將與其他性能優(yōu)良的交流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)（如異步電動(dòng)機(jī)變速驅(qū)動(dòng)、反應(yīng)式同步機(jī)及其控制系統(tǒng)等）共同發(fā)展，發(fā)揮各自的特長(zhǎng)。實(shí)際上，從根本上說(shuō)，選擇異步電動(dòng)機(jī)PWM變頻調(diào)速還是選擇SRD，關(guān)鍵不是基于能量密度的高低或電動(dòng)機(jī)成本大小的考慮，而是應(yīng)用場(chǎng)合及應(yīng)用中的特殊要求。一般說(shuō)來(lái)，在考慮低成本變速驅(qū)動(dòng)時(shí)，若應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)噪聲及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的要求不高，而對(duì)較低速度范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)性能及效率要求較高，則應(yīng)優(yōu)先考慮選用SRD。第4章分馬力開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的磁通波形和損耗計(jì)算分馬力開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的磁通波形引言要分析、計(jì)算電機(jī)的鐵心損耗，必須首先了解鐵心中磁通的波形及變化規(guī)律，由于SR電機(jī)的雙凸極結(jié)構(gòu)及特有的工作情況，其磁通波形與工作轉(zhuǎn)速、斬波電流上下限、開(kāi)通角和關(guān)斷角有著密切的關(guān)系。它的變化規(guī)律遠(yuǎn)比普通電機(jī)的復(fù)雜得多，即使在同一時(shí)刻或同一轉(zhuǎn)子位置，SR電機(jī)定子軛各段鐵心中磁通波形的形狀亦不相同，甚至變化頻率也不相同，極其復(fù)雜的磁通波形導(dǎo)致SR電機(jī)性能分析和鐵耗計(jì)算的困難性。由于磁通波形的復(fù)雜性，一般文獻(xiàn)在討論SR電機(jī)鐵心的磁通波形時(shí)均局限于線(xiàn)性假設(shè)下的分析，而且僅討論了角度位置控制時(shí)導(dǎo)通角0,小于定子極磁通相位差（2?qN）的工作情況下的磁通波形，而不是SR電機(jī)的典型工作狀況或額定工作狀況。本章計(jì)算和分析了不同工作狀況下SR電機(jī)磁通的波形及變化規(guī)律，對(duì)SR電機(jī)的磁通波形有一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。27湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）圖4.1四相8/6極SR電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖4.1.2基本頻率圖4.1為一臺(tái)典型的四相SR電機(jī)的橫截面和一相電路的原理示意圖，直徑方向上相對(duì)的兩個(gè)定子極上的線(xiàn)圈串聯(lián)連接成一相繞組，同時(shí)勵(lì)磁。鐵心各部分的磁通波形的頻率由定子繞組的開(kāi)關(guān)頻率確定。當(dāng)夕相定子繞組輪流通電一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)了一個(gè)轉(zhuǎn)子極距，定子繞組完成了一個(gè)開(kāi)關(guān)周期T，故每相開(kāi)關(guān)頻率（定子磁極磁通頻率）為. 圖4.1四相8/6極SR電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖4.1.2基本頻率圖4.1為一臺(tái)典型的四相SR電機(jī)的橫截面和一相電路的原理示意圖，直徑方向上相對(duì)的兩個(gè)定子極上的線(xiàn)圈串聯(lián)連接成一相繞組，同時(shí)勵(lì)磁。鐵心各部分的磁通波形的頻率由定子繞組的開(kāi)關(guān)頻率確定。當(dāng)夕相定子繞組輪流通電一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)了一個(gè)轉(zhuǎn)子極距，定子繞組完成了一個(gè)開(kāi)關(guān)周期T，故每相開(kāi)關(guān)頻率（定子磁極磁通頻率）為. 1 QN=—= rph T 2九(4.1)一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)有夕相繞組輪流通電，電源完成一個(gè)供電周期二，故電源開(kāi)關(guān)頻率為c1qQN

f= = D TD 2冗(4.2)當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子極磁通方向又恢復(fù)為起始方向，完成一個(gè)磁通周期Tr，故轉(zhuǎn)子磁通頻率為? 1Qf= = R T 2冗R(4.3)4.1.3理想線(xiàn)性模型下的磁通波形本章以四相SR電機(jī)為主要分析對(duì)象，三相SR電機(jī)磁通的變化規(guī)律相同，波形相應(yīng)簡(jiǎn)單一些。（1）四相SR電機(jī)磁通波形的數(shù)學(xué)模型28(4.4)(4.5)(4.6)(4.4)(4.5)(4.6)湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）如圖5.1,設(shè)各相繞組的磁鏈分別為w、W、W、W，每相繞組匝數(shù)為N。ABCD ph取定、轉(zhuǎn)子極的磁通正向?yàn)橛蓛?nèi)徑指向外徑，定、轉(zhuǎn)子軛的磁通正向?yàn)轫槙r(shí)針?lè)较?，電機(jī)轉(zhuǎn)向?yàn)轫槙r(shí)針，按人-8-5口-八順序勵(lì)磁，則定子極的磁通為T(mén)OC\o"1-5"\h\z1 1①。A?)=n匕0)phi i①(t)7 (t)=+(t)=—+(t+T)spB spBNBNADph ph I①(t)7 (t)=J+(t)=J+(t+2T)spC spCNCNA Dph ph①(t)7 (t)=J+(t)=J+(t+3T)spD spDNDNA Dph ph定子軛部各段的磁通為1①(t)=—①(t)=-[O (t)+O (t)+O(t)+O(t)]TOC\o"1-5"\h\zsc1 sc12spA spB spC spD1①(t) =-O (t)=-[O (t)+O (t) +O (t)-O (t)]sc2 sc22spA spB spC spD>O (t)=-O (t)=-[O (t)+O (t)-O (t)-O (t)]sc3 sc32spA spB spC spD1O (t)=-O (t)=—[O (t)-O (t)-O(t)-O(t)]sc4 sc42spA spB spC spD轉(zhuǎn)子的磁通為O(t)=-O (t)=O(t)-O (T)-O (t+T)」O(t+2T)-O(t+3T)+O (t+3T)+spBsspAsspDsTOC\o"1-5"\h\zO (t+4T)+O (t+5T) >spCsspBsO(t)=-O (t)=O(t+T)rp2 rp2rp1 DO(t)=-O (t)=O(t+2T)rp3 rp3rp1 D )轉(zhuǎn)子軛部分各段的磁通為o(t)=-o,(t)=匕0(t)-o(t)-o (t)-o (t)-cr1 cr1 2 p9^ spB spC spDO(t+T)-O(t+T)-O (t+T)+O (t+T)-spA s spB s spC s spD sOsA(t+2T)-OsB(t+2T)+O、C(t+2T)+O、D(t+2T)-0sA(t+3T)+Ob(t+3T)+OsJt+3T)+O“(t+3T)+O/t+4T)+O/t+4T)+OsJt+4T)-OsD(t+4T)+29湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)①、/t+5T)十①”(t+5T)—①、Jt+5T)—中加(t+5T)]①2(t)二—①,(t)=①1(t+TD)①(t)二—①(t)=①(t+2T)(4.7) “ * "利用式(4.4)?式(4.7)可求得四相SR電機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下鐵心各部分的磁通波形。(2)四相SR電機(jī)的磁通波形圖4.2、圖4.3為角度位置控制時(shí)兩種不同工況下的磁通波形，圖4.2為6°<2兀/qN的情況，圖5.3為6>2兀/qN的情況。對(duì)4相8/6極SR電機(jī)2KqN=15。。圖r4.2a,圖4.3b為定子極的磁通波形，兩者波形形狀相同，周期相同均為T(mén),但幅值和波形寬度不同。 ,圖4.2b、圖4.3b為定子軛1的磁通波形，含有較大的恒定分量，兩者波形形狀相同，周期TD相同，但圖4.3b磁通的幅值要比圖4.2b磁通的幅值大得多。圖4.2c、圖4.3c為定子軛2的磁通波形，兩者除周期T相同外，波形截然不同。6<2兀/qNr時(shí)，磁通波形正負(fù)幅值相等；6>2兀/qN：時(shí)，合成結(jié)果使磁通波形正向分量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于負(fù)向分量，正負(fù)向均只出‘現(xiàn)一個(gè)峰值。圖4.2d、圖4.3d為定子軛的磁通波形，波形形狀也很不相同，圖4.2d為馬鞍形，正負(fù)分量各有兩個(gè)蜂值，圖4.3d則接近三角函數(shù)波形，兩者周期均為T(mén)。30湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）圖4.2線(xiàn)性模式下，角度位置控制的磁通波形在低速電流斬波控制時(shí)，定子極磁通波形不再為三角波，而是梯形鋸齒波。電機(jī)鐵心各部分的磁通波形的變化規(guī)律與高速角度位置控制下的情況相同，但諧波含量更多，磁通波形的幅值也更大。對(duì)SR電機(jī)磁通波形的分析表明，磁通波形的形狀和變化規(guī)律都十分復(fù)雜，在角度位置控制和電流斬波控制兩種控制策略下，分別存在著6〉2兀/qN，和0:2兀/qNr的兩種工作狀況，這兩種工況下鐵心的磁通波形的幅值和變化規(guī)律有著很大的差異。由于SR電機(jī)的典型工作狀況通常處于0>2兀/qN「而且還存在著另一種重要的電流斬波控制工作狀況，僅用角度位置控制時(shí)0，<2兀/qNr工況下的磁通波形去分析，計(jì)算SR電機(jī)的鐵心損耗是不合理的，也必^然帶來(lái)較大的誤差。分馬力開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的損耗計(jì)算引言SR電機(jī)的損耗主要由銅耗、鐵耗、機(jī)械損耗和雜散損耗組成。銅耗正比于電流有效值的平方，計(jì)算比較容易，而鐵耗則是SR電機(jī)損耗計(jì)算的難點(diǎn)。由于SR電機(jī)雙凸極的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，電壓和電流均是非正弦波，磁通波形與工作轉(zhuǎn)速、控制策略緊密相關(guān)，即使在恒定轉(zhuǎn)速下，SR電機(jī)鐵心各部分磁通波形的形狀和變化規(guī)律也不一致。而且電機(jī)運(yùn)行中，鐵心的飽和程度不斷變化，進(jìn)一步使鐵耗計(jì)算復(fù)雜化。由于結(jié)構(gòu)的不同，SR電機(jī)的機(jī)械損耗亦不能簡(jiǎn)單地照搬傳統(tǒng)電機(jī)的計(jì)算公式或圖表。雜散損耗所占比例較小，可參照傳統(tǒng)電機(jī)的計(jì)算方法處理。31湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)本節(jié)討論了SR電機(jī)銅損，機(jī)械損耗和雜散損耗的計(jì)算方法。鐵芯損耗的計(jì)算SR電機(jī)的鐵耗主要是渦流損耗和磁滯損耗，為可靠計(jì)算SR電機(jī)的鐵耗，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都在積極地開(kāi)展研究工作，但仍缺乏一種很好的行之有效的計(jì)算方法。從各國(guó)學(xué)者的研究論文看，中東理工大學(xué)的計(jì)算結(jié)果比較有代表意義和實(shí)用價(jià)值。他們以實(shí)測(cè)的磁通波形為輸入數(shù)據(jù)，計(jì)算了考慮磁滯影響的渦流損耗，給出了一臺(tái)SR電機(jī)定、轉(zhuǎn)子極軛的鐵耗分布情況的計(jì)算結(jié)果。定子極 28%轉(zhuǎn)子極 52%轉(zhuǎn)子軛 9%定子軛 11%本節(jié)將以計(jì)算或測(cè)量的磁通波形為基礎(chǔ)，計(jì)算SR電機(jī)鐵耗。(1)渦流損耗計(jì)算對(duì)工頻、正弦波在電機(jī)疊片中引起的渦流損耗，Richter給出了計(jì)算公式：P=Kf2B2 (4.8)式中P——比損耗(單位重量鐵耗)。eP.K.Budig和S.Bauer研究表明：當(dāng)頻率f>200Hz后，用式(4.8)會(huì)造成較大的誤差，而SR電機(jī)額定工作狀況下，磁通波形的基波頻率就往往高于200Hz?？蓪B片中的渦流作為一個(gè)坐標(biāo)的函數(shù)，近似地當(dāng)作一維問(wèn)題來(lái)處理。不考慮位移電流時(shí)，電磁場(chǎng)的基本方程為：VxH=J、HaB| (4.9)VxE=-——初B二日H圖4.3所式為半無(wú)限金屬板的一部分，其厚度為d。設(shè)磁場(chǎng)僅存在z向分量，并近似認(rèn)為僅是丫的空間函數(shù)，且隨時(shí)間作正弦規(guī)律變化，則僅在正方向感生出渦流，由式(4.9)可得(4.10)式中。一一電導(dǎo)率磁導(dǎo)率32湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)圖4.3半無(wú)限大金屬的截面圖4.3半無(wú)限大金屬的截面設(shè)外加于金屬板兩表面的磁場(chǎng)大小相等，可求得金屬板兩側(cè)每單位面積的禍流損耗為(4.11)其他損耗的計(jì)算(1)銅耗PGu繞組銅耗可以用下式計(jì)算(4.12)當(dāng)SR電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)繞組銅耗可以用下式計(jì)算(4.12)P=ql2RCu rmsp式中/式中/2rms相繞組電流的有效值。若相電流波形已知，則I二rmsNapiI二rmsNapi2(o)doon(4.13)圖4.4電流斬波控制時(shí)的鐵耗33湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)(2)機(jī)械損耗Pfw機(jī)械損耗一般由軸承摩擦損耗和通風(fēng)損耗組成。軸承摩擦損耗計(jì)算準(zhǔn)確性主要受加工精度、裝配質(zhì)量、軸承質(zhì)量、潤(rùn)滑脂牌號(hào)及溫度等方面的影響。通風(fēng)損耗則與電機(jī)結(jié)構(gòu)，扇葉形式等方面有關(guān)，不易算準(zhǔn)。對(duì)傳統(tǒng)電機(jī)，軸承中的摩擦及定、轉(zhuǎn)子間通風(fēng)所造成的機(jī)械損耗(亞)可按利希茲提出的公式P =5.4X10-5n0.7P (4.14)F+W NN式中nN、PN——額定轉(zhuǎn)速和額定功率。及格林德(Greenwood)提出的公式P=17nD21 (4.15)式中d、ia——轉(zhuǎn)子外徑和鐵心疊長(zhǎng)。來(lái)計(jì)算：并加上風(fēng)扇所損耗的功率(W)pFan&pFan&gHn"Fan(4.16)式中Q=以+PF「J甲(m3/s)CgaqQ2zxHa80 (m)D4Fan5=1.23(kg/m3);C=1210(WK-1m-3);D：扇葉外徑(m),DaD+2hh:槽高(m);sga18K;n^風(fēng)扇效率，nFan=0.5。在一般電機(jī)中，摩擦損耗和通風(fēng)損耗通常是綜合在一起計(jì)算。在設(shè)計(jì)時(shí)，P,fw的計(jì)算一般是參考結(jié)構(gòu)類(lèi)似、轉(zhuǎn)速相近的電機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)求取，或根據(jù)相關(guān)資料的圖表進(jìn)行計(jì)算。由于SR電機(jī)的雙凸極性以及研究歷史較短，難以找到現(xiàn)成可查的數(shù)據(jù)圖表。下式給出了電機(jī)機(jī)械損耗(W)的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。fw-0.0059n+19.8(4.17)34湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)或P 14.562e0.00144n (4.18)fw式中n——電機(jī)的轉(zhuǎn)速。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在高速區(qū)一般用(4.17)進(jìn)行計(jì)算，在低速區(qū)(n<800r/min)用(4.18)進(jìn)行計(jì)算.(3)雜散損耗Ps雜散損耗的因素很復(fù)雜，也難以計(jì)算出來(lái)，計(jì)算時(shí)一般參考相應(yīng)的規(guī)格電機(jī)的實(shí)測(cè)值或依據(jù)有關(guān)的產(chǎn)品技術(shù)條件，一般SRD電機(jī)的雜散損耗按總損耗的6%計(jì)算，但在電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，輸出功率是未知的，因此雜散損耗可以按照銅損、鐵損、和機(jī)械損耗的三者之和的7%計(jì)算。結(jié)論本文就分馬力開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)做了以下方面的研究：(1)就分馬力開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的基本概況做了簡(jiǎn)單的介紹，包括分馬力開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的發(fā)展歷史與發(fā)展趨勢(shì)，應(yīng)用領(lǐng)域，工作原理以及它與其他電機(jī)相比具有的優(yōu)點(diǎn)。(2)對(duì)分馬力開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的機(jī)理進(jìn)行了分析：得出了分馬力開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的基本平衡方程，并對(duì)線(xiàn)性模式及運(yùn)行特性進(jìn)行了分析。(3)介紹了ANSYS軟件在開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)電磁分析中的應(yīng)用，對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)電磁設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了分析與研究，表明與其他電機(jī)相比，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的磁場(chǎng)更為復(fù)雜，對(duì)定子、轉(zhuǎn)子尺寸之間的比例關(guān)系有嚴(yán)格的要求。同時(shí)提出8/6結(jié)構(gòu)的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的一種設(shè)計(jì)方案。并分析了開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的磁通波形與電機(jī)損耗。由于時(shí)間倉(cāng)促及水平有限，此文還有不少的問(wèn)題及疏忽之處，對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的機(jī)理分析僅僅局限于線(xiàn)性模式，沒(méi)有分析在非線(xiàn)性模式與準(zhǔn)線(xiàn)性模式下的情況；對(duì)6/4結(jié)構(gòu)的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)與8/6結(jié)構(gòu)的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)比較不夠深刻，收集的數(shù)據(jù)與資料不是很充分；對(duì)分馬力開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)電磁設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行的分析與研究不夠全面，只是初步分析了定子、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)電機(jī)磁場(chǎng)的影響；對(duì)ANSYS軟件在開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)電磁分析中的應(yīng)用的介紹也不很詳細(xì)；希望在以后的工作中繼續(xù)研究以至完善，希望老師同學(xué)能給予寶貴意見(jiàn)，同時(shí)對(duì)我的錯(cuò)誤進(jìn)行批評(píng)并指正！35湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）附錄2外文資料翻譯分馬力開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的控制特性——第一部分:

線(xiàn)形模式的運(yùn)行Giuseppe.Buja,SeniorMember,IEEEandMariaI.Valla胡廣譯 指導(dǎo)老師瞿遂春教授［摘要］分馬力開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的控制特性是用來(lái)分析電機(jī)在磁特性線(xiàn)形范圍內(nèi)的運(yùn)行?；仡欉@種電機(jī)的運(yùn)行，我們考慮到有電流環(huán)控制和電壓環(huán)控制兩種開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這兩種電機(jī)的控制變量和涉及到的范圍是一致的，我們已經(jīng)計(jì)算出這些參數(shù)和電機(jī)轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，而且注意到了它的轉(zhuǎn)矩能力。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)速度控制的基本方法也已經(jīng)得到了公認(rèn)。常用符號(hào)表L相電感La,Lu齒齒相對(duì)，齒槽相對(duì)時(shí)的相電感i,I電流Im飽和電流N,N轉(zhuǎn)子、定子的極數(shù)qT定子相數(shù)時(shí)間v,V電壓a,a轉(zhuǎn)子、定子磁極齒距R,Br轉(zhuǎn)子、定子磁極極弧9e9磁力衰減角度轉(zhuǎn)子位置9o「%開(kāi)關(guān)控制角JT轉(zhuǎn)矩36湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）①,Q 速度。州 磁鏈下標(biāo)字母表示瞬時(shí)量。下標(biāo)字母av,M,n和N分別相應(yīng)的表示平均，最大，最小和標(biāo)稱(chēng)值。否定號(hào)表示標(biāo)稱(chēng)量，（表示額定電流，Tv,m表示平均轉(zhuǎn)矩，Qn表示速度，Bs表示角度。星號(hào)表示參考量。1引言分馬力開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)因?yàn)樗囊恍﹥?yōu)勢(shì)，正出現(xiàn)在一些調(diào)速應(yīng)用解決方案中，而且是引人注目的。最突出的特點(diǎn)就是表現(xiàn)在這種電機(jī)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，只是定子上有集中繞組，轉(zhuǎn)子上沒(méi)有線(xiàn)圈或電刷，減少了變換器為滿(mǎn)足非直線(xiàn)電流需求的元器件數(shù)目。而且，這種電機(jī)固有的四象限運(yùn)行特點(diǎn)結(jié)合它在轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比率，效率和最大工作速度的一些優(yōu)良傳統(tǒng)，能滿(mǎn)足很多應(yīng)用領(lǐng)域的要求。分馬力開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的控制徹底的不同于傳統(tǒng)的直流電機(jī)和交流電機(jī)，而且需要引用新的概念來(lái)認(rèn)識(shí)控制變量關(guān)系和控制策略。因?yàn)檫@是個(gè)新的課題，也只有很少這方面的文章發(fā)表，對(duì)于開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)控制特性徹底的分析還沒(méi)有出現(xiàn)。這兩個(gè)部分的文章提出了一些分析方法，定義了控制變量以及涉及到的范圍，計(jì)算出了電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩和控制變量之間的關(guān)系，注意到了轉(zhuǎn)矩能力，而且公式化了一些速