（电力电子与电力传动专业论文）两相励磁的开关磁阻电机的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t n l i st h e s i s d e e p l ya n a l y z e st h e s e l fa n dm u t u a li n d u c t a n c e s f l u x l i n k a g e a n d t o r q u e a n g l ec h a r a c t e r i s t i c so f t h es r m o t o r u n d e r 即e ( t w o - p h a s e se x c i t a t i o n ) m o d e i nt h i sk i n do f m o t o r ，i t s p h a s ew i n d i n g sa d o p tr e v e r s es e r i e st y p ew i t ht h eo p p o s i t es i d e p o l e s ，t h et p e m o d ec a l ld e c r e a s et h ea c o u s t i cn o i s eo fs r da n dc a nu s ec o n v e n t i o n a l t h r e e p h a s ei n v e r t e rf o r a cd r i v e s f i r s t l y ，o nt h eb a s i so f t h eb a s i cs t r u c t u r ea n do p e r a t i n g p r i n c i p l e ，i td e m o n s t r a t e s t h a tb o t ho fm u t u a li n d u c t a n c ea n ds e l fi n d u c t a n c ec a nc o n t r i b u t et o t h e t o q u e p r o d u c t i o n n l e c o n t r o l s t r a t e g y i s a n a l y z e da n dt h ep o s i t i o ns e n s i n gm e t h o d so f t p e s r ma r ee s t a b l i s h e d s e c o n d l y ，s e l fi n d u c t a n c ea n dm u t u a li n d u t r a n c ea n dt l l e i rr e l a t i o n sa r ea n a l y z e d a n dt o r q u e a n g l ec h a r a c t e r i s t i c so ft p e s r ma r ec o n c l u d e d i ti sd e m o n s t r a t e dt h a t t p e s r mc a l lp r o d u c et h et o r q u ew i mt h e a p p r o p r i a t ec o n t r o lm e t h o dw h i c hc a nb e r e a l i z e du s i n gc o n v e n t i o n a lt h r e e - p h a s ei n v e r t e r t h i sw i l lp r o v i d et h et h e o r e t i c a lb a s i s f o ru s i n gt h r e ep h a s ei n v e r t e rt od r i v et h es r m m a t h e m a t i c a lm o d e lo f r p e s r mi se s t a b l i s h e da n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t s a r e g a i n e db a s e d o nt h es t a t es p a c es i m u l a t i o nm e t h o d f i n a l l y ，t h ee x p e r i m e n t so nt h em e a s u r e m e n to f t h es t a t i cc h a r a c t e r i s t i c sh a v eb e e n p e r f o r m e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no f t h em o t o ra r ec o r r e c ta n dr e l i 曲l e k e y w o r d s ：s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r , t w o - p h a s e e x c i t a t i o n ( t p e ) c o n v e n t i o n a lt h r e e - p h a s e i n v e r t e r ，s e l f i n d u c t a n c e ， m u t u a l i n d u c t a n c e ，t o r q u e - a n g l e c h a r a c t e r i s t i c s i i 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 开关磁阻电机驱动系统的研究概况 由于微电子、电力电子技术的发展，近几十年来双凸极磁阻电机，特别是开 关磁阻电机( s r m ) 获得了迅速的发展。传统s r m 具有简单的双凸极结构，定子具 有集中绕组而转子上无任何绕组、电刷或滑环，其结构简单坚固，具有较高的运 行可靠性。其输出转矩与电流方向无关，驱动系统中采用单极性功率变换器，相 关控制线路简单，驱动系统的效率及出力在很宽的速度和负载范围内均可维持在 较高水平。近几十年来，国内外研究人员对其本体设计、驱动系统控制策略及性 能预测等方面进行了深入的研究，获得了丰富的研究成果。目前s r m 已经应用于 电动车驱动系统、伺服调速系统、家用电器、通用工业等领域，在迅速发展的调 速电动机领域占领了一席之地。 但事物总是一分为二的，随着研究特别是工程应用的深入，开关磁阻电动机 的一些局限与不足也日益引起各国学者的广泛关注。 f 1 1 一方面，从s r m 基本工作原理上来看，电磁转矩方向与电流方向无关，仅 与相绕组电感的变化率有关。作为电动机运行，其电动转矩仅在电感增加区域产 生，在电感下降区到来之前，必须完成相绕组问的换流，以避免制动转矩的产 生。由此可见，s r m 中每相励磁时间最多只有半个工作周期；另一方面，一相绕 组的关断必须提前于最大电感区( 完全重叠位置) 较大角度进行，以避免制动转 矩的产生。以上原因导致了传统s r m 中的换相问题以及由于提前换相造成了产生 电动的转矩区域的减小，限制了s r m 出力能力的充分发挥。 ( 2 ) 为提高单位体积出力，传统s r m 的最大电感与最小电感的差值通常设计较 大。而相绕组换流通常在最大电感区域之前进行，功率开关管在大电感下关断， 特别是运行在换相电流较大的情况时，成为系统运行的不安全因素。例如：其 一、功率开关管的关断后，电流没有下降反而上升的问题。这可由一相电路的电压 方程式“一识= 半= 一e ( 式中，p 为绕组电势，g 为绕组磁链，r 为绕组电阻， 珊 i 为绕组电流) 来解释，当功率开关管关断时，若忽略电阻，电压方程式可简化为 华中科技大学硕士学位论文 动电动势。从一甜：三罢+ f i d l 彩上可见， t 口 当面d l ，则署 0 。此 时功率开关管虽然关断了，但电流没有减 口 小，反而增加了，出现了如图1 1 所示的波 形。此种情况在高速、负载重时尤其明 显。这是因为速度高对应了脚大，负载重 意味着f 大。且电感波形与负载有关，负 乙，十巩 图1 2 开关管关断时的 线路示意图 载越重，磁路越饱和，电感越小。由于= f 等，i t ，0 9 个je 。，个，同时， 仃 j ： 1 。l 十一 j 【上，p 。个，上山半个= ! 三竺毕。其二、功率开关管开通和关断时的过电压问 d rl+ 题。如图1 2 所示，当换相时，电流变化率很大，由于线路电感的存在，因此也会 产生很大的感应电压a u ，这时加在开关元件两端的电压为电源电压与线路电压 之和即为图1 2 中所示的( u + u ，) ，再考虑到开关元件通断造成的瞬态过电 压、过电流，因此选择开关元件时还需考虑在多种因素下的安全裕度。 ( 3 ) 由于缺乏单独励磁而带来的励磁损耗惩罚及能量利用率问题。从机电能量 转换的角度来看，传统s i t m 实质上是一种典型的单励电机。由于绕组的电流必须 提供励磁分量，一方面增加了电机及功率变换器的伏安容量，另一方面带来了励 磁损耗惩罚( e x c i t a t i o nl o s sp e n a l t y 1 1 ) 问题，并导致s r m 中能量利用率问题的出现 ( e x c i t a t i o np e n a l t y f 5 1 ) ，影响了电机转矩密度及效率的迸一步提高。 ( 4 ) s r m 的转矩波动、振动及噪声问题比较突出。文献【2 】在一系列试验的基础 2 华中科技大学硕士学位论文 上对引起噪声的因素进行了研究，认为定转子极间的径向磁拉力的变化是引起s r 电机振动和噪声的主要原因。 以上问题也是当前s r m 在工程应用和推广中所面临的关键问题，在一定程度 上阻碍了开关磁阻电机驱动系统实际应用和产品化的进程。针对上述问题，一些 相应的解决办法也应运而生。以下分别从三个不同方面对这些解决办法进行概 括。 ( 1 ) 电机本体 近年来一些研究人员致力于电机本体的改进和新型双凸极电机的研制，以进 一步提高s r m 的运行性能。p h i l i p s 提出采用辅助励磁绕组进一步提高电机转矩输 出的方案f 3 1 。该方案基于预磁化的思想，通过预先磁化提高双凸极电机的能量利 用因子( e n e r g yr a t i o ) 。文献【4 】则提出将整距绕组引入双凸极结构电机，在新结构 电机中转矩完全由相间互感的变化引起。与传统s r m 相比，新结构电机每周期 内单方向导通2 3 周期，从而提高电机的转矩密度。在新型双凸极电机的研制上， 文献【5 1 提出一种采用辅助绕组换流的新型结构变磁阻电机( a c v r m ) 。通过辅助换 流绕组的引入，解决传统s r m 中存在的换流及励磁惩罚( e x e i t a i o np e n a l t y ) a 题。之 后，t a l i p o 等人开始尝试将高性能永久磁钢引入双凸极结构电机1 6 1 7 。对一台 i h p 的样机实验表明，新型电机的转矩密度提高、换流及能量利用问题亦得到有 效解决。目前，t j m i l l e r 带领的研究人员提出了一种新的磁通反转电机f s ( f l u x r e v e r s a lm a c h i n e ，简称为f r m ) ，该电机运行于发电状态， 也是在传统s r m 基础上 改进，通过磁钢引入提高电机性能。在国内，华中科技大学的詹琼华教授【3 5 】在 t a l i p o 等人工作的基础上，进一步提出了一种新型单边双励发电机1 9 1 和一种新结 构的单边双励磁单相电动机【玎j 。 ( 2 ) 功率变换器 众所周知，功率变换器对开关磁阻电机驱动系统的性能有很大的影响，其成 本在系统总成本中占有较大比重。随着开关磁阻电机的深入，目前已开发了多种 功率变换器，应用于不同的场合。s v u k o s a v i c 等人对几种典型功率变换器拓扑结 构进行了比较l 。c p o l l o c k 等人提出具有最小开关数的s r d 功率变换器拓扑结构 形式【i l 】。文献0 2 分析设计了每相单开关的m o s f e t 功率变换器。文献f 1 3 设计了 每相仅需一个开关管的电阻泄放、电容转储型功率变换器。文献 1 4 贝l j 在带泻放电 阻的功率变换器基础上，提出了一种适用于低压应用场合的功率变换器形式，通 华中科技大学硕士学位论文 过对绕组储能的分阶段泻放提高功率变换器的运行效率。1 9 9 7 年，a c c l o t h i 一1 等人提出采用三相桥式线路驱动，且三相s r m 绕组均工作在单方向电流状态下的 方案。该方案中三相绕组以三角形连接，且每相绕组均与一个二级管串联。这种 线路的出现使得s r m 的驱动可以采用现有的标准驱动模块，减少了电机的引出 线，并且对s r m 运行性能无显著影响。总之，s r m 功率变换器的形式较多，各具 特点，应结合具体应用场合，综合考虑性能价格比选取。 。( 3 ) 减小噪声 近年来s r m 应用中噪音及振动问题已引起各国研究人员的广泛关注。研究人 员从控制的角度对s r m 的转矩波动、噪声及振动问题进行了深入的研究。 d s s c h r a m m 等人通过优化换流时的电流重叠保证电磁转矩恒定从而减小转矩脉动 ”“。d e c a m e r o n 通过研究发现径向磁拉力引起的定子共振是s r m 的主要噪声源 【1 7 l 。c y w u 通过研究控制相电流波形和绕组电压的阶跃变化以降低振动和噪声 ”。法国的c p i c o d 等人深入研究了定子结构尺寸对一台6 4 极s r m 电机振动行为 的影响，发现定子轭部厚度对定子模态的影响很大，进而提出一种新的定子结构 以降低噪声【l 。优化设计磁路结构也能用于减少电机运行过程中产生的共振2 0 1 。 绕组的拓扑结构和相的励磁方式也被考虑用来减小噪声【2 l 】【2 2 1 。 1 2 三相桥式逆变器驱动两相励磁开关磁阻电机( t p e s r m ) 的提出 下面分别从两个方面来分析三相桥式逆变器驱动t p e s r m 的优势。 1 2 1 功率变换器 s r d 系统的主电路是由特殊的分立功率开 关所组成的，其功率主开关和续流二极管要么 是完全分立的要么如图1 3 ( a ) 所示连接，然而 传统的功率开关一般如图1 3 f b ) 所示连接。由 于s r d 系统目前来讲应用不广，功率半导体器 件的生产商还没有大批量生产用于s r d 系统的 如图1 - 3 ( a ) 所示的功率模块或功率开关，导致 同容量的用于s r d 系统的功率开关比交流电机 贵，价格上的劣势也降低了s r d 系统的竞争 力。 ( a ) s r m( b ) a c m o t o r 图1 3s r m 和交流电机主开关比较 表1 1 给出了标准三相桥式电路( 3 相) 与目前使用较多的不对称半桥线路( 3 相) 的 4 钾 b 华中科技大学硕士学位论文 i 市场价格。( 在峰值电流为6 0 0 a 的情况下) 功率变换器模块名称数量价格( 元支) 斩波模块63 0 0 0 左右 不对称半桥线路( 3 相) 低端、高端模块 62 0 0 0 左右 三相桥式电路( 3 相)一般的p w m 模块 61 0 0 0 左右 从价格上来看，采用一般p w m 模块的三相桥式电路要低于采用斩波模块或低 端、高端模块的不对称半桥线路。同时由于标准三相桥式逆变器已经广泛应用于 感应电机、永磁同步电机、无刷直流电机等，如果它也能用于开关磁阻电机并取 得良好的性能，则也将有利于开关磁阻电机的发展。 当然，标准三相桥式逆变器也有其劣势。首先，与不对称半桥式功率变换器 不同，其电源有通过两个开关元件直通的危险。其次，当绕组为星形连接时必须 满足三相电流和为零。这一条件是非常苛刻的，因为这就要求每一时刻至少有两 相同时励磁并且必须是双向电流。 1 2 2 减小转矩脉动和噪声 从s r m 的运行原理【3 5 】可知，当连续不断地按某一顺序分别给定子各相绕组通 电，可以产生连续的磁阻转矩，使转子转动。这也意味着为了产生转矩，一相都 必须有一个励磁与去磁的过程。这种励磁方式引起了磁动势0 心肛) 的突然改变， 从而产生径向磁拉力的变化并引起定子共振。如果采用两相同时励磁( t p e ) 的方式 运行，其特点是当两相绕组进行换相时，另外一相绕组却在连续导通，就可以减 小励磁和去磁时的突变，即减小了磁拉力的突变，从而降低噪声，这与传统的励 磁方式有很大不同。这两种励磁方式的磁链波形和振动波形分别如图1 4 ( a ) 、( b ) 所 示。其中间隔和间隔分别表示开通和关断区。 5 华中科技大学硕士学位论文 1 9 9 9 年，j i n - w o oa i m 等人 提出了利用三相桥式逆变器驱 动星形方式连接、两相同时励 磁的三相开关磁阻电机驱动系 统( t p e s r m ) ，有效地解决 了传统s r m 存在的噪声大的问 题，而且它能够采用三相桥式 逆变器进行驱动，有效解决了 s 蹦应用和价格上的一些局 # 昏珞瞪丰乇 蛘 ab a 传统的励磁方式b 两相同时励磁的方式 图1 4 两种励磁方式的磁链波形和振动波形 限，为s r m 进一步发展提供了一种切实可行的办法。从j i n w o oa i m 等人的报道来 看，在t p e s r m 的磁场分布、稳态性能仿真分析、驱动系统实现等方面尚缺乏系 统的研究。在国内，t p e s r m 的研究和工程应用基本上还未开展，从目前文献报 道来看，对有关t p e s r m 电动运行的相关理论分析及工程应用尚未见报道。 本课题的研究正是用以三相桥式逆变器为功率变换器，两相同时励磁的三相 开关磁阻电机驱动系统( t p e s r m ) 研制为工程背景，对其运行机理、磁场分 布、运行特性及驱动系统设计等作系统的研究，为该种励磁方式下的电机的进一 步开发、应用提供理论基础，这无论在理论上还是在实践中均具有重要意义。 1 3 本文研究的主要内容 本文以三相桥式逆变器驱动，两相同时励磁的三相开关磁阻电机驱动系统 ( t p e s r m ) 为主要研究对象，对该类电机的基本理论、参数计算、仿真计算进行了 深入系统地研究，并对设计制造的样机进行了静态特性的测量，对测量结果进行 了研究与对比，主要研究工作如下： ( 1 ) 研究了t p e s r m 的工作原理和基本特性，在此基础上分析了1 1 p e s r m 的基 本控制方式，为以后的分析打下基础。为加深对t p e s l t m 的认识，将其与传统 s r m 进行了比较。在分析与比较的基础上概况了t p e s r m 的运行性能。 ( 2 1 讨论了t p e s 蹦绕组的不同连接形式，分析了采用反向串联绕组连接方式 下的t p e s r m 的磁场分布特点，分别采用磁路法和有限元法对电机的电感特性和 矩角特性进行了计算，为电机的性能仿真和设计奠定了基础。 ( 3 ) 提出了t p e s r m 的数学模型。在此基础上，针对其驱动系统所采用的双极 6 华中科技大学硕士学位论文 性电流导通控制策略，建立了电动机一功率变换器耦合系统的状态空间分析模 型。首次提出了a b c 坐标下的t p e s r m - - 功率变换器耦合系统的状态空间仿真方 法，并在其基础上进一步分析了t p e s r m 的稳态运行性能以及各种因素对稳态运 行性能的影响。 ( 4 1 对t p e s r m 进行了静态转矩的测量实验，介绍了实验用样机、实验的方 法、实验线路以及实验的结果。 7 华中科技大学硕士学位论文 2 两相励磁开关磁阻电机的原理与基本特性 2 1 引言 开关磁阻电机( s r m ) 驱动系统具有简单牢靠的电机结构、优良的高速特性、很 高的转矩惯量比及其良好的鲁棒性。然而固有的转矩脉动和驱动噪声阻碍了s r d 系统在工业及家庭方面的广泛应用。这些缺点来源于s r m 转矩的产生机理，其最 主要的原因是绕组电流的换相。因此提出了许多新方法来降低转矩脉动及噪声【2 4 】_ 【2 ”。本文研究的t p e s r m 采用了一种新的两相励磁( t p e ) 方法来降低s r d 系统的噪 声。它通过降低励磁和去磁时的径向磁拉力的变化来减小噪声，其特点是当两相 绕组进行换相时，另外一相绕组却在连续导通。因此减小了励磁和去磁时的突 变，从而降低了噪声。由于本文所采用的是相绕组反向串联的s r 电机，同时这种 新的两相励磁方法的引入不仅仅是励磁方式的改变，它使得t p e s r m 的磁路结构 与传统的s r m 相比发生了较大的改变，电机的运行原理、磁场分布及电磁特性均 与传统s r m 不同，本章将对其运行机理【4 0 】及基本特性进行全面研究，为以后的分 析奠定基础。 2 , 2t p e s r m 的基本结构和工作原理 本章研究的t p e s r m 为三相6 4 极电机，每一相的两个极上线圈连接时采用反 向串联方式。同一相的2 m 个线圈所在的磁极必须是相同的极性，即在每对极的串 联磁路上的磁势是相互抵消的。绕组之间为星形连接。 该电机用极性相反的两相电流励磁，利用自感和互感产生转矩。其转矩的产 生原理可以用口5 j 来解释。 如图2 1 ( a ) 所示位置，当a 相通以负向电流，b 相通以正向电流，转子各极所受 力相互平衡，合成电磁转矩为零，电机转子静止。首先假设铁磁材料的磁导率 = 。，则图2 1 ( a ) 所示的四条磁力线所在路径的磁阻是相等的，且可以认为此时 的每一条磁路磁阻r 为a 极气隙对应的磁阻矗。和b 极下气隙对应的磁阻风之和，且 1111 此时这两个磁阻相等。又由于r 。= 二，民= ，所以r = 二+ 二，用数学上 a 口a 6a 口a 6 求极值的方法，可知当a 。= 人。时，矗值最小，磁阻的最小对应了磁导的最大，即 8 华中科技大学硕士学位论文 为电感最大位置，此处也即为运行时的稳定平衡位置。为了让转子沿逆时针方向 继续旋转，此时可令c 相通以负向电流，b 相通以正向电流，b c 相的磁路磁导又朝 着磁导最大的位置旋转直至图2 1 ( b ) ，此时磁路磁导又达到最大值。 可见，按式( 2 1 ) 的顺序分别给定子的两相绕组通电，电机就可以连续不断地 旋转下去。 d ( 一) 6 ( + ) 6 ( + ) c ( 一) c ( 一) 口( + ) 口( + ) 6 ( 一) 6 ( 一) c ( + ) c ( + ) 口( 一) 口( ) 6 ( + )( 2 1 ) t p e s r m 的电磁转矩产生机理也可以从磁共能的角度进行定量的分析。绕组通 图2 1 电磁转矩的产生原理 ( a ) 相冰) 和b ( + ) 励磁 ( c ) 相c c - ) 和a ( + ) 励磁 ( b ) 相b ( + ) 和c ( - ) 励磁 ( d ) 相a ( + ) 和b ( - ) 励磁 9 华中科技大学硕士学位论文 ! 詈竺! = i iii i i i ! 竺! ! ! ! ! ! ! 寰竺! ! ! ! ! 苎! ! ! ! 苎 电产生的磁链pf h - - 相绕组中的磁链构成。 p = + + 纯( 2 2 ) 而磁共能为 矽o ：丢上。+ 丢蠢三6 + 昙芒三。+ 屯j ：l 气+ f c m 。+ t 肘。 ( 2 3 ) 将式对0 求导可得转矩如下 乙2 割。一= 三e 等+ 三考等+ 三。等、 岈訾垤f f 警嵋等。1 6 昔m 育+ 昔 简化后的自感、互感曲线如图2 2 所示，在第三章中将通过有限元计算对自 感、互感波形的简化进行解释。在图2 2 中，前三条波形分别是6 4 极反相串联电机 的互感波形。第四条到第六条分别是其每相的自感波形。第七条到第九条分别是 在上面所列出的自感和互感波形下为了产生正转矩丽应采用的相励磁电流。最后 一条曲线是在上述通电条件下根据式( 2 4 ) 得到的转矩波形。 下面将以一3 0 。一0 。角度区间为例来解释各相的电流波形。( 注：本章分析中 所采用的角度均为机械角度) 在区间一3 。o 。内，由于此时等= o 、警= o ，所以转矩公式简化为 k ；圭譬等+ 圭，；等+ 等吩等；叉由于此时面d l c o ，为了不产 生负转矩，应令i c = o ，此时转矩公式变为乙= 三。等+ - 警；又囱为 皇笺 o ，则矗 o 。即相a 反向励磁( 口一) 、相b 正向励磁 ( 占+ ) 。 由此类推，可知通过如图2 2 所示连续不断地励磁，可以得到如图2 2 所示的转 矩波形。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 。 ， 。 、 _ _ _ _ h _ 一 、 订。 夸 广卞_ 1卜- 一 k 一|l _ _ _ _ ir l 一_ _ 土一l - 一 图2 2t p e s r m 的自感、互感、电流和转矩波形 从图2 。2 的转矩波形可知，在简化后的自感和互感波形下，当采用这种励磁方 式时，可以得到恒定的没有纹波的转矩波形。 2 3t p e s r m 的基本控制方式 t p e s r m 属无刷自同步电机，其绕组的控制逻辑与转子位置严格同步。 对于t p e s r m 来讲，由功率变换器输入绕组的工作电流为非正弦波，其基本控 制方式由前面所证明地可以采用双极性电流导通工作方式。从图2 2 可以看出， t p e s r m 的相邻正负半波相隔1 2 0 。电角度。t p e s r m 低速运行时可以采用斩波( 包 括电压斩波以及电流斩波) 限流控制方式；而在高速运行时，由于绕组电感的影 响，阻碍了相绕组电流的上升，此时口e s r m 可以采用a p c 控制方式，通过角度 的调节来控制相绕组电流。 - 通过控制各相导通顺序和绕组电流方向，可以方便地实现t p e s r m 的四象限运 行。以图2 2 为例，采用双极性电流驱动方式时，电机逆时针( c c w ) 旋转和顺时 针旋转( c w ) 旋转时的导通逻辑如下表2 1 所示。 华中科技大学硕士学位论文 表2 1 不同旋转方向时t p e s r m 的导通逻辑 f 12 3456 f c c w a ( - ) b ( + )b ( + ) c ( - )c ( - ) a ( + )a ( + ) b ( - )b ( - ) c ( + ) c ( + ) ) i c w c ( + ) a ( - ) b ( - ) c ( + )a f + ) b ( )c ( - ) a ( + )b f + ) e f - )a ( ) b ( + ) 由表中可以看出，此时t p e s r m 采用了两相导通工作方式。就本章上面所引用 的6 4 极t p e s r m 而言，一个完整的导通周期对应于转子转过1 8 0 。机械角度，而每 隔3 0 。机械角度完成一次换流。同时可以看出，在每个换流时刻，其中一相由截止 状态转为正向导通工作，一相由负向导通状态转为截止状态，而另一耜保持导通 状态不变。 2 4t p e s r m 驱动用功率变换器 功率变换器作为联接电源与电机的枢纽， 一 其性能与可靠性直接影响t p e s r m 的运行特性 叫沁 嘲如 蚓 堆i 和可靠性，合理设计功率变换器是t p e s r m 驱 1 ，1 动系统设计的关键之一。由前面的分析可知，vl斗；vi 喾篡曼冀兰篙冀藿篓翥篓：e 雾二- 避! 塑! 塑竺i 图2 3 即为一常见的双极性驱动逆变桥，其由一l l 一旦羔 一! 标准的三相桥式模块构成，最大的优点是该功 图2 3t p e s 蹦功率变换器 率变换器与电机联线少，结构简单。 当采用y 接驱动时，由于t p e s r m 中各相绕组的电感均随转子位置变化，个 工作周期中各相电压并不固定为总电源电压的l 2 ，而是呈现一定的变化，这在稳 态性能分析时需要注意。 2 5t p e s r m 位置检测的实现 2 5 1 光敏式转子位置传感器检涮转子位置 光敏式转子位置传感器一般由光电脉冲发生器和转盘组成。转盘有与转子凸 极、凹槽数相等的齿、槽，齿、槽宽度相等且均匀分布。转盘固定在转子轴上， 光电脉冲发生和接受部分可固定在定子上，亦可固定在机壳上。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 对于这种位置传感器，其在一个极矩内的可测点数由光电脉冲发生器个数决 定。图2 4 ( a ) 、c o ) 分别绘出了两个和三个光电脉冲发生器所测出的波形及其对应的 码值。 f _ = 3 6 盯 角度) iiii一- s ! ! ! lil p：厂_ ： iiiiii q- 1 。i ：r 一 ( a )( b ) 图2 4 ( a ) 两个光电脉冲发生器所测出的波形及其对应的码值 ( b ) 三个光电脉冲发生器所测出的波形及其对应的码值。 由以上分析可以看出，如果光电脉冲发生器个数为两个，则其在一个极矩内 能得到的最大的码值个数为4 ，若个数为三，则相应的码值数为6 。 对于6 4 极三相s r m 电机，当光电脉冲发生器个数为3 时，在转子转动一个极距 内最多可产生6 个不同的信号。其通电方式也有如下几种：单三拍，单双六拍，双 三拍。在这里“单”是指同时只有一相绕组通电：“三拍”是表示三种通电状态 为一个循环，即三次通电状态的改变以后又回复到起始的状态，电动机内的磁场 转过3 6 0 。，转子转过一个极距，定转子的相对关系不变。 称转子转动一个极距为一个电周期，则转子转动一圈则有4 个电周期，所以就 产生了2 4 个宽度为1 5 。机械角度的脉冲信号。 对于单三拍的通电方式而言，其按一号b 叶c a 顺序轮流通电，循环一 次，磁场沿a b c 方向转过3 6 0 空间角，转子转过一个极距，即为9 0 ，每一拍所 占的角度3 0 ，由于位置脉冲信号的机械宽度为1 59 ，所以两个位置信号内通电状 态不变。同理可知，对于单双六拍的通电方式，一个位置信号对应一个状态。 2 5 2t p e s r m 位置检测的实现 位置检测的目的是确定定、转子的相对位置，即要用绝对位置传感器检测定 转子相对位置，然后位置信号反馈至逻辑控制电路，以确定对应相绕组的通断。 s r d 位置检测器的输出信号为数字信号，转子每转过一个步进角，位置检测 器的输出信号应对应变化，逻辑控制电路据此发出对应相绕组的接通和断开的切 1 3 华中科技大学硕士学位论文 换命令。在一个转予极距角f ，内，共有m ( 电动机相数) 个步进角。位置检测器 输出信号相应发生m 次变化，当转过一个转子极距角后，位置信号又回复到起始 状态，如此往复循环，即可使转子位置与绕组导电的相序很好地配合起来。 转子 码盘 图2 1 码盘与转子的横切面图 转盘与转子是同步旋转，但其与转子之间的相对角度是不知道的，如图2 5 所 示。同时从所知的电感与转子位置角的关系曲线中，坐标原点0 = 0 定义为定子磁 极轴线与转子极间中心线重合的位置。其隐含了一层意思，即o = 0 这一点与定子 与转子的位置都有关，脱离了任何一方口= 0 这一点都不能确定。又由于转盘与转 子无固定的相对位置，所以光电脉冲发生器的放置必须在转子与码盘安装好后通 过一定的方法确定。由开关磁阻电机的运行原理已知，当一相绕组通电流后，转 占= 1 2 0 ( a )( b ) 图2 6 光电脉冲发生器的放置角度 子将受到气隙中弯曲磁力线的切向磁拉力产生的转矩的作用，使转子转向定子磁 极中心线的位置，也就是平常所说得定转子的吸合位置，当定、转子的磁极中一t l , 线重合时，切向磁拉力消失，转子不再转动。此时对应的位置是磁导最大的位 1 4 华中科技大学硕士学位论文 置，也是电感最大的位置。由于这一位置确定，所以当转子与码盘安装好后，给 a 相绕组通电，当转子与a 相定子吸合时，如果在定子上的某一位置处，光电 脉冲发生器的检测信号刚好从0 _ 1 翻转，则在该位置处放一光电脉冲发生器。由 于在转子转过的一个电周期内，依次转过的角度为1 2 0 。( 电角度) ，即空间角度 为3 0 ，所以应在该位置的向前和向后3 0 。位置处各放置一光电脉冲发生器。同时 考虑到空间角度为1 2 0 。的位置，其与初始确定的位置也相差1 2 0 。( 电角度) ，所 以有如图2 6 所示的两种放置方法。从这两种放法看，图2 6 ( a ) 所示这种方法由于其 放置的对称性更适于被使用。 下面以波形图的形式直观地分析一下在三相6 4 极开关磁阻电机的电感波形 下、不同通电形式时的三相电流及位置检测的波形，如图2 7 、图2 8 和图2 1 0 所 一 不。 位 垂口 c 码值 数簿。 苗j 霜 。 ik 轰j ? 六1 b 拍i c ；十专一i 中一； 卜- 卜一 ；卜_ i i ；l i 一 i 。9 ； ； ；li ； i 1 0 l1 0 0 ：1 1 0 ：0 1 0 ；0 1 1 5 ：16：2：3 ：i 船：bb cc ：a ：i 图2 7 三相开关磁阻电机的电感、位置信号及单三拍、单双六拍的三相电流波形 从图2 7 中可以看出，当通电方式为单三拍时，两个位置信号对应于一相导通 状态，而当通电方式为单双六拍时，一个位置信号对应于一相导通状态。 若通电方式为双三拍时，波形如下图2 8 。从图中可以看出，a c 和c a 对应的 码值相同，即该编码中存在重码现象，所以必须重新编码。那么重码的问题可以 解决。齿宽等于9 0 意味着必须使用两齿两槽的转盘。如图2 9 所示。 1 5 华中科技大学硕士学位论文 j 圣j 拍! 位 置占 萼c 图2 8 三相开关磁阻电机的电感、位置信号及双三拍的三相电流波形( 四齿四槽码盘) 图2 9 两齿两槽码盘 此时的相应波形见图2 1 0 。其光电脉冲发生器的放法为给a 、b 相通大小相 等，方向相反的电流，当转子与定子吸合时，如果在定子上的某一位置处，光 电脉冲发生器的检测信号刚好从0 _ 1 翻转，则在该位置处放一光电脉冲发生器。 并同时在其向前1 2 0 空间角和向后1 2 0 。空间角各放置一光电脉冲发生器。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 薹汪 噩b 孽c 467， 1o 图2 1 0 三相开关磁阻电机的电感、位置信号及双三拍的三相电流波形( 两齿两槽码盘) 2 6 本章小结 本章对t p e s r m 的运行原理和基本特性进行了深入地研究，主要研究内容为： ( 1 ) 分析了相绕组反向串联的连接方式下t p e s r m 的基本结构和运行机理，表 明了电磁转矩由自感和互感共同产生。 ( 2 ) 分析了t p e s r m 的控制策略。分析表明，双极性电流导通方式为相绕组反 向串联时t p e s r m 的基本控制方式。通过导通相序的改变及绕组电流方向的控 制，可以方便地实现四象限运行。 ( 3 ) 分析了相绕组反向串联的连接方式下t p e s r m 驱动用典型功率变换器形 式，定义了y 结驱动这种驱动方式。 ( 4 ) 分析了相绕组反向串联时t p e s r m 的位置检测方法，提出了采用两齿两槽 码盘作为位置检测的转盘来克服用四齿四槽码盘检测位置时的重码问题。 1 7 华中科技大学硕士学位论文 3 三相开关磁阻电机绕组连接方式 3 1 引言 由于开关磁阻电机( 以下简称s r m ) 是利用磁通总是要沿着磁导最大路径闭 合的原理来产生磁拉力从而形成转矩磁阻性质的电磁转矩，因此开关磁阻电机 的电磁转矩与电流极性无关，只需要单向的电流励磁。所以在整个开关磁阻电机 的研究和发展过程中一直采用了开关元件与绕组串联这种形式的功率变换器。通 常使用最多的一种是不对称半桥式功率变换器，其每一相的电压、电流都可以完 全独立控制。由上所述可以归纳出开关磁阻电机的如下特点：理论上每相只需要 个主开关元件；在s r 电机驱动系统( 以下简称s r d ) 中，相绕组始终与主开关 元件串联，因而电源没有通过两个开关元件直通的危险；s r d 每相都独立控制， 所以其控制灵活、容错能力强。正因为上述特点使得开关磁阻电机驱动系统一直 是人们关注、研究的热点，在国防和一些特殊恶劣场合得到了很大地发展。 事情总有两面性，由于开关磁阻电机电流的脉冲性和单方向性使得开关元件 在容量选取和功率变换器的通用性上受到了限制。特别是传统的开关磁阻电机的 主电路模块不能和标准的三相桥式主电路模块通用，这给开关磁阻电机的产业化 和发展带来了不利，因此如果开关磁阻电机可以由标准三相桥式主电路模块直接 驱动，将为开关磁阻电机融入当今的市场提供非常大的便利。 当然，标准三相桥式主电路模块也有其劣势。首先，与不对称半桥主电路模 块不同，其电源有通过两个开关元件直通的危险。其次，当绕组为星形连接时必 须满足三相电流之和为零。这条件是非常苛刻的，因为这就要求每一时刻至少 有两相同时励磁并且必须是双向电流。 文献 2 4 1 提出了一种用标准三相桥式逆变器驱动、两相励磁的开关磁阻电机， 并指出开关磁阻电机在这种模式下运行时可以改善其系统的噪声。本章将在文献 f 2 4 1 拘1 基础上对不同的绕组连接方式，特别是反向连接方式下的开关磁阻电机的磁 场分布、电感以及静态特性进行比较深入的分析。 3 2 影响电机内磁场分布的因素 1 8 华中科技大学硕士学位论文 电机内的磁场分布主要与绕组的连接方式、相 邻相极性、通电相数及相绕组之间的连接有关。 s r 电动机的绕组连接方式主要是指组成一相 绕组的各个线圈的连接。s r 电动机的结构形式不 同，绕组的排列与连接方式也不相同。对一相绕组 来讲，线圈间主要有两种连接方式：( 1 ) 线圈之间 正向串联：就是说同一相线圈的磁势在串联磁路上 作用的方向是一致的，如图3 1 所示；( 2 ) 线圈之间 反向串联；就是说同一相的线圈所在的磁极必须是 相同的极性，即在每对极的串联磁路上的磁势是相 互抵消的，如图3 2 所示。 s r 电动机相邻相的极性对相间耦合也有影响。 当相邻相磁极极性相反时，这两相的相间耦合增 强，相间互感增大；当相邻相磁极极性相同时，这 两相的相间耦合减弱，相间互感减小。 相数也是影响电机内磁场分布的个重要因 素。随着s r 电机相数的增加，s r 电机更多地运行 图3 2 绕组反向串联三相( 6 ，4 ) s r 电机的磁场分布图 在各相绕组电流波形相互重叠的情况下。如常见的四相( 8 6 极) s r d 系统，它的每 相绕组电感曲线变化周期为6 0 4 ，产生正转矩的区域可达3 0 4 ，相邻相电感曲线之 间相差1 5 。，为了增加输出转矩，各相相电流的宽度要尽可能与产生正转矩区域等 宽，因此不仅相邻相的电流波形有较大的重叠，而且随着控制参数和运行情况的 不同，每相电流波形的宽度还会超过3 0 ，即相邻的三相电流波形都会重叠。当多 相电流波形相互重叠时，由于s r d 系统相间耦合效应，不仅导致s r 电机饱和问题 更加复杂，而且会引起磁路结构变化，从而对相电流、系统性能都产生影响。 相绕组之间不同的连接方式也将影响电机内的磁场分布。例如，对于用三相 桥式逆变器驱动的三相电机而言，就存在星形和三角形两种不同接法。每一种接 法都有其特有的限制从而将对s r m 的磁场分布产生影响。本章主要讲述了采用星 形接法的三相开关磁阻电机。 3 3 绕组正向串联 1 9 华中科技大学硕士学位论文 i i 3 3 1 单相通电 文献 2 9 j 已g v j - 绕组正向串联这种连接方式进行了详细的分析，现仅将结论列之 如下： ( 1 ) 见图3 1 所示，绕组正向串联时，s r 电机磁场分布为两极型； ( 2 ) 绕组正向串联时绕组自感大，互感可以忽略不计； ( 3 ) 两相通电，相邻极极性相同时，一相电流对另一相电流起减磁作用i 反 之，则起加磁作用； 由于绕组正向串联时互感很小，可以忽略，因此两相通电时，不论相邻极极 性如何，静态转矩波形差别不大。 3 3 2 双相通电 图3 3 国) 所示是绕组正向串联，双相通电，相邻相极性相反时的磁路结构示意 图；图3 3 所示是绕组正向串联，双相通电，相邻相极性相同时的磁路结构示意 图。可以看出两种情况下磁路结构明显不同，在图3 3 c o ) c 9 ，磁通的主要部分需经 过较长的定、转子轭部，整个磁通路径与轭部磁压降都远大于图3 3 ( a ) 所示的相邻 磁极极性相反时的磁通路径和轭部磁压降。由于图3 3 ( a ) 所示的短磁路具有铁耗小 的优点，因此s r 电机定子磁极极性的分布应为相邻磁极极性相反，以确保形成短 磁路。当s r 电机内部各定子线圈绕向一定时，定子磁极极性只和通过绕组的电流 方向有关，因此通过改变绕组与功率变换器的连接，就可以改变流过绕组的电流 的方向，达到改变定子磁极极性分布的目的。 ( a ) 短磁路( b ) 长磁路 图3 3两相通电时磁路结构示意 华中科技大学硕士学位论文 绕组反向串联的6 4 极s r 电机当一相绕组通电时，其磁场分布为四极型，见图 3 2 。对一台1 5 0 w - 三相( 1 2 g ) s r 电机按绕组反向连接这种情况进行仿真。电机 结构参数以及仿真计算时的控制参数如表3 1 所示。 表3 1 样机结构参数 额定功率( w ) 1 5 0定子极数1 2转子极数 8 额定转速( d b m ) 3 2 0 0 定子，哺融吼) 1 3 5 d 定子内径( m 曲 8 0 额定电函 、7 ) 3 6 - o 定子极弧( d 固