（电力电子与电力传动专业论文）磁悬浮盘式开关磁阻电机的研究与设计.pdf

a bs t r a c t a b s t r a c t ：r e c e n ty e a r s ，t h er e s e a r c ho fd i a m a g n e t i cl e v i t a t i o nh a sb e e n d e v e l o p e da n du s e di nm a n yh i 曲一t e c hf i e l d si nf o r e i g nc o u n t r i e s t h ed i a m a g n e t i c l e v i t a t i o ni nn o r m a lt e m p e r a t u r eh a sm a n yg o o dq u a l i t i e ss u c ha sc r e d i b i l i t y , s m a l l v o l u m e ，a n dl i g h tw e i g h t ，b u ti ti sa l s op r o b a b l et or e d u c et h ev i b r a t i o na n dt h en o i s e w h i c ha r ep r o d u c e di nt h em o t o rm o v e m e n tp r o c e s s i th a ss e v e r a lm e r i t so fl o n gl i f e ， l e s sm e c h a n i c a lf r i c t i o n ，n e e dn o tl u b r i c a t i o ne t c s ot h i st e c h n o l o g yi ss i g n i f i c a n c ei n t h ef i e l do fe n g i n e e r i n gt e c h n o l o g y t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h eb a s i cs t r u c t u r e ，m a t h e m a t i c a lm o d e l ，f u n c t i o n m o d ea n dc o n t r o lm e t h o do ft h em i c r os r mo fd i a m a g n e t i cl e v i t a t i o n t h es r m c o n t r o ls y s t e mi n c l u d e sh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h e yb o t ha r ed e s i g n e di nd e t a i la f t e r m o t o rm a n u f a c t u r e t h eh a r d w a r e ，m a d eu po fp o w e rc i r c u i t ，d r i v ec i r c u i t ，s a m p l e c i r c u i t( v o l t a g ea n dc u r r e n t ) ，p r o t e c t i o nc i r c u i ta n dc o n t r o l l e rb a s e do n t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s pi sc l o s ea n d r e l i a b l e d u r i n gt h ec o u r s eo fs o f t w a r ed e s i g n ，c h o p m a n l i e ri sd e t e r m i n e df i r s t ，a n dt h e nt h e s ef l o wc h a r t so ft h em a i np r o g r a ma n ds e v e r a l c r u c i a li n t e r r u p ts u b - p r o g r a ma leg i v e n a c c o r d i n gt oc l a s s i c a lc o n t r o lt h e o r y , t h e c u r r e n t - l o o pa n ds p e e d l o o pa led e s i g n e dr e s p e c t i v e l yf r o mi n n e rt oo u t e rb yr u l e f i n a l l y , t h ee 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 ea c c e p t a b l ep e r f o r m a n c eo ft h em o t o r c o n t r o l l e db yt h eb o a r d w ec a nc o m et oac o n c l u s i o nt h a tt h em o t o ra n dc o n t r o ls y s t e m p r e s e n t e da n dd e s i g n e di nt h i st h e s i sc o u l dm e e tt h er e q u i r e m e n to ft h et a s k k e y w o r d s ：d i a m a g n e t i cl e v i t a t i o n ，s r m ，d s p , i n d i r e c td e t e c t i n gr o t o rp o s i t i o n ， d i s c a l c l a s s n o ：【请输入分类号，以分号分隔。】 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 签字同期：年月日 签字日期：年月 日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 6 1 2 0 0 8 年6 月 致谢 本论文的工作是在我的导师范瑜教授的悉心指导下完成的，范瑜教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来范瑜 老师对我的关心和指导。 李国国教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向李国国老师表示衷心的谢意 李华伟教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在试验室工作及撰写论文期间，吕刚、石国清、姚保庆等同学对我论文中的 中期研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情 另外也感谢家人、同学和朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成 我的学业。 第一章引言 1 1 课题研究的目的及其意义 传统电力拖动系统中的转子是由两个机械轴承来支撑的，因此转子在转动过 程中存在机械摩擦，机械摩擦不仅增加了转子的摩擦阻力、是轴承磨损、降低轴 承寿命、产生机械振动和噪声，而且会造成部件发热，使润滑剂性能变差，严重 时还会造成电机的气隙不均匀、绕组发热、温升增大，从而降低电机的效率，缩 短电机的使用寿命。特别是在高速机床、离心机、压缩机、飞轮储能及涡轮分子 泵等设备中需要用大功率的高速或超高速电机来驱动，用机械轴承来支撑高速电 机时。电机高速运转对机械轴承冲击更大、机械轴承磨损更快、大幅度缩短了轴 承和电机的使用寿命，因此用机械轴承来支撑高速电机严重制约了电机向更高速 度和更大功率方向发展。 为了克服机械轴承的性能上的不足，高速电机一般采用气浮、液浮、和磁浮 轴承，其中气浮和液浮轴承均需要配备专门的气压、液压系统，这不仅使电机的 结构复杂、体积庞大、功耗多、效率低，同时气压和液压系统的故障会使得气浮、 液浮轴承失效，从而导致电机无法正常运行。近二十年来发展起来的磁轴承具有 无摩擦、无需润滑、高速度、高精度等一系列优良特性，从根本上改变了传统的 支撑形式，在能源交通和航空航天等高科技领域得到了广泛的应用。其中抗磁性 磁悬浮是最常见磁悬浮轴承方法。 抗磁性现象在法拉第时代就被发现，而且2 0 世纪8 0 年代荷兰科学家就用实验 实现了抗磁性悬浮，但由于过去强磁场必须采用强大的电磁铁，因此主要应用在 科学研究和高技术领域，一直没有工程应用。抗磁性悬浮的实现是具有重要的意 义的，这种悬浮被称为是“真正的悬浮，因为它不需要任何能量输入就能使物 体稳定地悬浮在空中。利用常温下的抗磁物质实现无源磁悬浮，在工程技术上有 重大的意义：( 1 ) 可以实现完全无源的稳定磁悬浮，系统简单，使可靠性大大提 高；( 2 ) 由于不需要控制能量输入，也不需要超导制冷的能量，系统效率大大提 高；( 3 ) 系统体积和重量减小。 1 9 9 9 年7 月，a k g e i m 和m d s i m o n 首次用实验验证了用永久磁铁实现抗磁 性悬浮的可能性之后，国外开始了抗磁性悬浮的应用研究，并取得了一些成果。 目前抗磁性悬浮装置需要研究的主要问题是：自然抗磁体的抗磁性与悬浮力，系 统的静态与动态稳定性，轴线倾角对抗磁性悬浮的影响等。利用常温下的抗磁物 质实现无源磁悬浮，在工程技术上有重大的意义：( 1 ) 可以实现完全无源的稳定 磁悬浮，系统简单，使可靠性大大提高；( 2 ) 由于不需要控制能量输入，也不需 要超导制冷的能量，系统效率大大提高；( 3 ) 系统体积和重量减小。我国目前在 抗磁性悬浮的应用研究还完全是空白，未见有任何相关的文献。 1 2 抗磁性磁悬浮的发展背景 1 8 4 2 年提出的e a r n s h a w 定理证明了固定磁场和重力的作用不能够使静磁体 产生稳定的悬浮。然而抗磁物质的发现使之成为可能。抗磁物质是在e a m s h a w 定 理提出仅几年后，1 8 4 6 年最早由f a r a d a y 发现的，l o r dk e l v i n 在理论上证明了抗 磁物质能够在磁场中悬浮1 3 | 0 但专家们认为在那时抗磁性不可能得到实际应用， 因为那时可获得的磁场连最小的物体也无法浮起。直到2 0 世纪4 0 5 0 年代，才出 现了能悬浮起抗磁性物体的强磁场。 1 8 7 2 年l o r dk e l v i n 指出抗磁性物质不需要遵守e a r n s h a w 定理，因此抗磁性 物质可以在静磁场里悬浮起柬。 1 9 3 9 年b r a u n b e k 提出稳定的静电场悬浮只可能存在于介电常数和磁导率p 都小于1 的物质中，因为目前所知的只有抗磁性物质的磁导率小于l ，所以只有抗 磁性物质才能在静电场中稳定悬浮。b r a u n b e k 经过进一步研究，建立了能够悬浮 抗磁物质石墨和铋微粒的强磁场。 1 9 4 7 年由a r k a d i e v 获得的超导悬浮和b r a u n b e k 的理论是一致的，因为一个 超导体可以认为是磁导率为零的完美抗磁体。 1 9 5 6 年b o e r d i j k 运用石墨放在悬着的磁铁下面产生稳定的悬浮n 1 。 b e r r y 与g e i m 在1 9 9 7 年使用超强的磁场，将一只活的青蛙磁浮了起柬。在强 磁场中，青蛙体内的每一个原子都是一个很小的磁体，可以说，青蛙就是由很多 受强磁场作用的小磁块组成的。这样，青蛙自身的抗磁性产生的竖直向上的抗磁 力足以抵消地球引力，犹如置身太空般浮起。其他的很多物质都能够这样悬浮， 如水滴、一些植物、老鼠等。 2 1 9 9 9 年，s i m o n 利用超导强磁场，实现了手指悬浮( 图1 2 ) ，并在英国的自 然杂志发表了论文：“m e g n e tl e v i t a t i o na ty o u rf i n g e r t i p s ”n 1 ，进一步试验验证了 抗磁性悬浮的可能性。 图12 手指上的悬浮 悬浮体在电磁体下部某一点，水平方向稳定而垂直方向不稳定，把抗磁片放在 磁体的上下，磁体就能在垂直方向也稳定悬浮。这样，人的手指也能够作为抗磁 体，使磁体稳定悬浮。 1 9 9 9 年以来，国外已经在无源抗磁性悬浮方面取得了一系列应用研究成果：r 本东京大学的r o l a n dm o s e r 与瑞士l a u s a n n e 技术学院的h b l e u l e r 等人合作研究开 发了抗磁性悬浮转子静电玻璃电机瞄1 ；美国s r ii n t 锄a t i o n a l 研究所推出的抗磁性 混合磁悬浮专利产品用于超净加工磁盘的直线运输设备，在2 0 0 0 年加利福尼 亚阿纳海姆传感器与运动控制博览会上获最佳展示奖，该公司目前正在研究抗磁性 悬浮无轴叶轮气体流量计；美国的a l e x e if i l a t o v 提出了一种基于抗磁性悬浮的新型 磁轴承3 ；美国国家地震信息中心与科罗拉多矿业学院则联合研制出抗磁性悬浮高 精度地震仪口1 ：目前，美国阿贡国家实验室( a r g o n n en a t i o n a ll a b o r m o r y ) 正在在能 源部支持下对无源抗磁性悬浮轴承的大型化进行研究1 。 1 3 微特电机与开关磁阻电机的发展现状与研究方向 1 3 1微特电机与开关磁阻电机的发展现状 微型机电系统在医疗、生物、精密仪器、环境保护、航天航空、通讯、国防 军工等自动化领域具有十分广阔的应用前景，因此目前很受人们关注。 开关磁阻电机从2 0 世纪6 0 年代后期起，国外开始进行深入的研究和论证。 1 9 7 0 年左右，英国l e e d s 大学电机和磁阻电机研究小组首创了一台开关磁阻电机 雏形进行实验研究，发表了许多论文。加拿大、南斯拉夫在磁阻电机的运行理论、 电磁场的分析计算等方面进行很多研究。埃及对小功率的单相、二相磁阻电机的 结构、起动性能等方面进行了大量研究。美国采用磁阻电机作为飞机涡轮发动机 的起动发电机。 开关磁阻电机调速系统( s w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v e 简称s l m ) 是2 0 世纪8 0 年代中期发展起来的一种新型调速电机驱动系统。它融电力电子技术、微电子技 术和电机控制技术于一体，为典型的机电一体化技术，具有优良的调速性能；具 有结构简单、成本低、损耗小、效率高、可控参数多、控制灵活、起动电流小、 起动转矩大，能比常规电机高的多转速下运行，坚固耐用，系统可靠性高等有点， 因此，s r 电机一问世就引起了国内外电工界的广泛关注，具有强大的市场潜力， s r d 将在电气传动自动化领域中占用重要地位。 开关磁阻电动机( s r m ) 的结构简单、坚固，工作可靠，效率高。开关磁阻 电动机调速系统( s r d ) 运行性能和经济指标比普通的交流调速系统，甚至比晶 闸管一直流电动机系统都好，其应用日益广泛。由于结合抗磁性磁悬浮原理，使 得磁悬浮开关磁阻电机成为一种很有发展前途的新型微特电机。 随着社会、经济、文化的不断发展，家庭拥有小电机的数量己成为一个国家经 济、文化发展水平的标志。永磁直线振动电机应用领域比较广泛，比如缝纫机、 电梭、手机用振动电机、声频测试仪、空气压缩机、打桩机、振动传输机等很多 人们经常涉及的领域。 1 3 2s r d 系统的研究方向 s r 电动机在问世的短短时间内，发展很迅速，涉及电机、微电子、电力 电子、微机控制、机械及工程应用等多方面；但它毕竟是继异步电动机变频调速 系统后的一支新军，在很多方面仍然存在不足，有待于进一步从理论和实际应用 方面丌展研究开发工作。 目前s r d 主要研究的开发方向： 1 加强对铁芯损耗的理论研究 s r 电动机磁场特性的非线性导致相绕组供电电压和电流波形较为复杂， 一般为单向脉动，非正弦波；定转子各部分铁芯中的磁通密度规律也不同，因此 4 对定转子铁芯损耗的计算与测量较为困难，有待于加强对铁芯损耗的理论研究。 2 微处理器和专用集成电路的改进 s r d 控制器从最初的模拟电路控制到现在的以单片机为核心的微处 理器数字化控制，从最早8 位m c s 一5 l 系列单片机到现在的已开始应用的1 6 位9 6 系列单片机，目前，数字信号处理器d s p 是电子信息领域的新型高科技产品，将 d s p 的高速运用能力与面向电机的高效控制力与一体，能较好的处理电机的控制问 题，有广阔的应用前景，国外甚至开发了s r 电机控制电路专用集成电路，这不仅 能简化电路而且还能提高系统可靠性。 3 无位置检测器的研究 位置闭环控制是s r d 的一个基本特征，但位置检测器的存在不仅使结 构简单的s r 电动机变得逊色，而且降低了电动机运行的可靠性。因此一种有效可 靠的无位置检测器的检测方案成为了目前研究的热点。 4 优化设计与计算机辅助设计 s r 电机本身磁场非线性，使得计算十分复杂，而且由于电机非线性的开 关供电电路，电流波形规律也很特殊，这需要对s r d 中电机、功率变换器以及控 制电路三者进行协调设计，所以计算机辅助设计c a d 成为目前的研究课题之一 5 减少震动及噪声的研究 s r 电机工作在脉冲供电方式，因此瞬时转矩脉动大，低速时步进状态 明显，高速重载时震动和噪声大。这使得s r 电机在诸多低速要求平稳且有一定静 态转矩保持能力的场合的应用受到了限制。如何减少和抑止电机的震动和噪声也 是一个重要的课题 综上所述，s r d 系统的作为一种新型调速系统，兼有直流调速和交流调速 的有点，具有十分优良的控制性能，无疑有着广阔的市场前景。目前异步电机的 变频调速和无刷直流电机调速的已领先一步，有着极为广泛的应用，而s r 电机则 作为目前该领域的热点研究为各个国家和研发单位所开发。 1 3 4 论文的工作内容和工作方案 本文的主要研究内容为基于d s p 的无位鼍抗磁性磁悬浮开关磁阻电机的设计 与控制。 5 ( 1 ) 工作内容 1 在原有基础上计算转子在受力情况下的抗磁性磁悬浮稳定的参数 以及电机参数 2 确定并设计能够实现较为稳定且适合微型抗磁性磁悬浮开关磁 阻电机的无位置传感器的方案。 3 设计微型抗磁性磁悬浮开关磁阻电机的驱动电路，规划采用 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为核心的无位置传感器的驱动控g t j 器的p c b 板 4 样机的设计，仿真和实验 ( 2 )工作方案 1 在原有的基础上建立完善抗磁性磁悬浮的数学模型 2 利用a n s o f f 有限元分析来计算悬浮力与电机的分析。 3 研究适合的无位置传感器方案 4 绘制电机驱动控制器系统的p c b 同时进行系统的数字仿真实验 5 实验验证 1 4 本章小结 本章从介绍国际上抗磁性悬浮和开关磁阻电机的发展过程入手，引出本课题 所要研究的抗磁性开关磁阻电机，并做了简单的介绍。由于开关磁阻电机的控制 是本课题研究的重点，在比较了国内外开车磁阻电机的发展过程，可以更突出本 课题的无位置传感器磁悬浮的特色和重要性。 6 第二章磁悬浮开关磁阻电机 2 1 悬浮开关磁阻电机的基本结构 磁悬浮开关磁阻电机除了转子是永磁材料，能够悬浮以外，其基本结构与普 通的开关磁阻电机是基本一样的。所以开关磁阻电动机采用凸极定子和凸极转子 形式，即所谓双凸极结构，并且定转子极数不同，在定子的磁极上装有集中绕组， 径向相对的两个绕组构成一相；转子由硅钢片叠制而成，其上没有绕组。遵循磁 通总是要沿着磁导最大的路径闭合的原理，产生磁拉力形成转矩一磁阻性质的电 磁转矩。因此，它的基本原则是转子旋转时磁路的磁阻要有尽可能大的变化。 由于开关磁阻电机一出现就受到了人们的广泛重视，二十多年来，提出了各 种电机结构方案，按相数分有单相、两相、三相和四相，其中对三相和四相开关 磁阻电机研究最为广泛。按照每极齿数分有单齿和多齿结构，一般说来，多齿结 构单位铁芯体积出力要大一些，但其铁芯和主开关元件的开关频率和损耗也增加， 这将限制开关磁阻电机的高速运行和效率，因此，一般不使用多齿结构。按气隙 磁场分有轴向和径向结构，单相开关磁阻电机大多采用轴向结构。此外，还有多 段式结构开关磁阻电机，这是开关磁阻电机最初出现的一种型式，目前多以单段 结构为主。 由于少于三相的s r m 没有自起动能力，因而对于要求自起动和四象限运行的 驱动场合，应该选择不少于3 相的开关磁阻电机。相数的增加还可以减少转矩的 脉动并降低电磁噪声，但是增加了功率器件的数量及成本，因而在要求低的场合 丹相和两相结构应用比较多，作为驱动的开关磁阻电机多采用三相或者四相径向 结构。以目前广泛应用的三相6 4 结构电机为例，其截面如图2 一l ：其定子6 个齿， 转子4 个齿，每个定子齿上有一个绕组，位于径向相对的两个线圈串联构成一相 绕组，可以组成a 、b 、c 三相绕组。图2 2 是普通s r 电机的结构图。s r 电机综 合了电机、电力电子、微电子以及自动控制等技术，是机电一体化的新型调速电 机系统。 7 2 1 三相6 4 极结构s r 电机截面图 f i g 2 1t h es e c t i o no fas r mw i m6 4p o l e 2 2磁悬浮开关磁阻电机的工作原理 2 - 2s r 电机结构图 f i g 2 - 2t h ef r a m eo f as r m 当磁悬浮开关磁阻电机的转子能够悬浮起来以后，其工作原理与普通的开关 磁阻电机是基本一样的。开关磁阻电机的转矩式磁阻性质，其运行原理遵循“磁 阻最小原理”：磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，因磁场扭曲而产生切向磁拉力。 而且具有一定形状的铁心在运动到最小磁阻的位置时，必使自己的主轴线与磁场 的轴线重合。如果定子绕组中某- n 通电流时，转子铁心就有了要与通电相定子 齿齿相对的趋势，图2 3 中，若定子a a 相通电流时，所产生的此流就要使转子 旋转到转子轴线l 一1 与定子a a 重合的位置，此处a 相绕组的电感最大。当以 图l 一3 中定、转子所处的相对位置作为起始位置，依次以a b c a 为顺序给各相 绕组通电，则转子就会逆时针旋转，反之，若依次以b a c b 的顺序通电，转子 就会沿着顺时针的方向旋转，可见，磁阻电机的转向与电流方向无关，而仅仅取 决于通电次序。 图2 - 3 三相6 4 板s r 电机结构 f i g 2 - 3t h ef r a m eo ft h et h r e e - p h a s ea n d6 4 - p o l es rm o t o r 当三相定子绕组轮流通电一次，转子转过一个定子极矩( 6 0 度) 。设每相绕 组开关频率( 主开关管的开关频率) 是h ，转子极数是n ，则s r 电机的同步转 速表示为： 万：6 0 f p h( 卜1 ) 万= 一 l l ， nr 对于三相6 4 极开关磁阻电机同步转速为： 刀= 等划厶 ( 1 2 ) 由于s r 电机的转向和相绕组的电流方向无关，仅取决于相绕组的通电顺序， 这就能够充分简化功率变换器电路。当主开关s 1 、s 2 接通时，a 相绕组从直流电 源u 吸收电能，当s 1 、s 2 断开时，绕组通过续流二极管v d l 、v d 2 ，将剩余的 能量回馈给电源u 。因此s r 具有能量回馈的特点，系统效率比较高。 磁路饱和和非线性是s r 电机的一个重要特征，因此电磁转矩必须根据磁储能 或者磁共能来计算： 聊) = 华i ( 1 - 3 ) 可见磁共能的变化取决于转子位移角和绕组电流的瞬时值。由于磁路非线性的 存在，式( 1 3 ) 的求解比较复杂，若忽略磁路的非线性，假定电感同绕组电流无 关，忽略磁路饱和与边缘效应的影响，则( 1 - 3 ) 式简化为： 邢力= 善历d l 9 ( 1 - 4 ) 定子电感随转子位置变化曲线如图2 4 所示：电动机每转过3 6 0 度机械角，电 感经历了同转子极数相同次数的周期变化，周期长度等于转子极矩。 l ( h ) l m a x t ( n m ) 0 2 t ， 幽0 r d0 l 。2 e ， e 4 6 图2 - 4 相电感、转矩随转子位移角的变化 f i g 2 - 4t h ev a r i e t yo f p h a s ei n d u c t a n c ea n dt o r q u ew i t ht h ea n g l eo f d i s p l a c e m e n t 式( 卜4 ) 可知，恒定相绕组电流下，对应的转矩变化如图所示，这表明转 矩的方向与电流的方向无关，仅仅取决于电感随转角的变化情况。如在电感上升 期间【a o ，q 】，相绕组通以电流，则产生正转矩，处于电动机状态；如果在电感下降 期间【幺，幺】，相绕组通以电流，则产生负转矩，处于发电状态。因此，通过控制相 绕组电流导通的时刻、相电流脉冲的幅值和宽度，即可控制s r 电机转矩的大小和 方向，实现电机的调速控制，这就是s r 电机的工作原理。 2 3 磁悬浮开关磁阻电机的设计 2 3 1 基于理想线性模型的s r m 分析 为了弄清s r m 内部的基本电磁关系和基本特性，我们从理想的简化模型入 手进行研究，为此，我们作如下假设： ( 1 ) 不计磁路的饱和影响，绕组的电感与电流大小无关； ( 2 ) 忽略磁通的边缘效应； ( 3 ) 忽略所有的功率损耗； i o ( 4 ) 功率管的开关动作是瞬时完成的； ( 5 ) 电机以恒速运行 在上述假设条件下的电机模型就是理想线性模型。这时，相绕组电感l 随转子位置角目的变换关系如图2 5 所示。图中横坐标为转子位置角，它的基准点 即坐标原点( 0 = 0 ) 位置对应于定子磁极轴线( 也是相绕组的中心) 与转子凹槽 中心重合的位置( 把这个位置叫做不对齐位置) ，这时相电感为最小值k ；。；当转 子转过半个极距时( 1 8 0 0 m ) 时，定子磁极轴线与转子凸极中心对齐( 对齐位置) ， 相电感为最大值k 。随着定、转子磁极重叠的增加和减少，相电感在k 。和k 访 之间线性的上升和下降，t ( a ) 的变换频率正比与转子极数，变化周期为转子极距0 上一 厶喇 。乃心t l 厶 _ 皂子tt 转子uu t 竹 - i - i t l | o 图2 5 定、转子相对位置与相绕组电感曲线 f i g2 5c u r v eo fp h a s ei n d u c t a n c ew i t ht h es t a t o ra n dr o t a t o rp o s i t i o n 图2 5 中，皖为不对齐位置；岛为定子磁极与转子凸极开始发生重叠位置；岛 为定子磁极刚好与转子凸极完全重叠位置( 一般转子磁极宽度大于等于定子磁极 的宽度) 临界重叠位置；包为对齐位置或最大电感位置；0 4 为定子磁极与转子凸 极即将脱离完全重叠的位置；舅和岛为定子磁极刚刚与转子凸极完全脱离的位 置。由此，我们可以得到理想s r m 模型中相绕组电感与转子位置角的关系 ( 口) 2 k 如 岔0 _ 馥 l ( 护) = k ( o 一岛) + k 。岛 o - 0 3 ( 1 5 ) ( 口) 5 k 鼠秒 0 4 三( 口) 2 k k ( r 一幺) 包0 - 缺 k = ( k k 缸) 鸺- 0 2 ) = ( k k ) 展式中 屈定子磁极极弧 相绕绢磁链 s r m 一相绕组的主电路如图2 6 所示，当电机由恒定直流电源以供电 时，一相电路的电压方程为 u 础+ 等 式中，+ 号对应于绕组与电源接通时，“一”号对应于电源关断后绕组续 流期间，根据“忽略所有功率损耗 的假设，则上式可以简化为 以= d 出w , = 百d g z 瓦d 8 = q 芳( 1 - - 6 ) 或 d y = 詈d o ( 1 - 7 ) q ：塑“转子的角速度 v d t2f r ，i 詈詈c 哥2 f 图2 6 一相绕组主电路 f i g 。2 6c i r c u i to fl - p h a s ew i n d i n g 图2 7一相绕组的磁链 f i g 2 7m a g n e t i cf l u xo f o n ep h a s ew i n d e r 开关v t l 和v t 2 的合闸瞬间( t = 0 ) 为电路的初始状态，此时，= 0 ， p = 眈。，气为定子绕组接通电源瞬间定、转子磁极的相对位置角，称为开通 角。，。 将式( 1 - - 7 ) 取“+ ”，积分并带入初始条件，得通电阶段的磁链表达式 1 2 为沙= 童挚= 抄。叫 口= 时关断电源，此时磁链达到最大，其值为 = 妙一= 等( 一o o 门) = 告包n _ 9 ) 式中 见圹定子绕组断开电源瞬间定、转子磁极的相对位置角，称为关断角 包定子一相绕组的导通角，位= 一o o 。 式1 9 为电源关断后绕组续流期间的磁链初始值，对式1 7 取一 ，积分并 代入初始条件，得到续流阶段的磁链解析式为 = * ( 2 0 0 矿一o o 一0 ) ( 1 1 0 ) 由式( 1 - - 8 ) 一式( 卜1 0 ) ，可画出磁链随转子位置角变化的曲线，如图1 7 相绕组电流 式( 1 1 0 ) 可以改写为 u ：坐：竺+ f 竺q 5 d td td o u 。，讲d l 或五r l j 万十2 孑万( 1 1 1 ) 在转速、电压一定的条件下，绕组电流仅与转子位置角和初始条件有关。由 于绕组电感l ( o ，i ) 的表达式是一个分段解析式，因此需要分段给出初始条件，得 出 下式的解。 告警耶嘲 平u 了, ( e 币- o o 硼) ，岛口 ( 1 - 1 2 ) 巾) = 币 ( 了2 0 0 币- o o 硼- o ) ，p 岛 掣胚以幺 乖 ( = = 2 e o , 币- e o 硼- o ) ，眈伊 2 一气 式( 1 1 2 ) 是个完整的电流解析式，它是关于电源电压、电机转速、电机几 何尺寸和转子位置角口的函数。在电压和转速恒定的条件下，电流波形与开通角 吒、关断角、最大电感、最小电感k 抽、定子极弧屈等有关，图2 8 和 图2 9 别画出了在电压和转速恒定时，不通开通角和关断角对应的电流波形。 图2 8 电压、转运恒定时，对应不同开通角的相电流波形图2 9 电压、转速恒定时，对应不通关 断角的相电流波形 f i g2 8p h a s ec u r r e n ta td i f f e r e n to o n f i g 2 9p h a s ec u r r e n ta td i f f e r e n t 通过以上分析，我们可以得出如下结论： 1 主开关开通角o o 。对控制电流大小的作用十分明显，开通角e o 。减小，电流线 性上升的时间增加，电流峰值和电流波形的宽度增大。 2 主开关关断角包矿一般不影响电流峰值，但对相电流波形的宽度有影响。 眈旷增大，供电时间增加，电流波形的宽度就会增大。 3 电流的大小与供电电压成正比，与电机转速成反比。在转速很低，如起动 时，可能形成很大的电流峰值，必须注意限流。有效的限流方式就是采用电 流斩波控制 电磁转矩 在理想线性模型中，我们假定了电机的磁路不饱和。此时，有 既= 吃= 寺妒= 去三f 2 从而电磁转矩为 碰扔= 互1i 2 嚣 ( 1 - 1 3 ) 将电感的分段解析式代入式( 1 1 3 ) ，可得 乃= 丢l i 2 , 0 2 9 _ 岛 i ：盂b p _ 幺 ( 1 1 4 ) 7 , = - 1 ，k i 2 ，幺s 9 _ - 耽) ，绕组电流将产生制动转矩，因此，主丌关 的关断不能太迟。但关断过早也会由于电流有效值不够而导致转矩减小，且 在最大电感期f n j ，绕组也不产生转矩，因此取关断角皖旷= ( 幺+ b ) 2 ，即电 感上升区的中间位置，是比较好的选择。 2 3 2 开关磁阻电机本体的设计 在以上理论分析的基础上，运用抗磁性磁悬浮的方法结合丌关磁阻电机的设 计，设计小功率模型机。将开关磁阻电机的转子轴做成永磁材质，其磁化方向是 e 下的，这样就能够使之完全无接触悬浮旋转。其理论结构原理如图2 1 0 所示。 韫强礅镘 i 耵一一釉蝴器 鼢m 科1 = 署_ ；傲镘鞠椭律 一1 = = ：= _ 一哪。段硼件珊f 仲 开关磁阻一 电机定子 抗磁性甜摹4 飞蛇蟥子，开关 磁阻电机蜡子 图2 一l o 抗磁性悬浮转子开关磁阻电机结构图 f i g 2 一l o t h ec o n f i g u r a t i o no f as rm o t o rw i t ht h ed i a m a g n e t i cl e v i t a t i o nr o t o r 我们的课题研究设计中，实验采用设计的是盘式开关磁阻电机，该类型开关磁 阻电机能够更好的实现抗磁性的悬浮。在实验控制阶段，该盘式开关磁阻电机是 非悬浮的。盘式电机的总体结构如图2 1 1 所示： 定子圆 可微 2 图2 一l l 盘式开关磁阻电机结构图 在该盘式开关磁阻电机中，我们采用的是上下2 个定转子圆盘，定子圆盘有6 个凸极，转子圆盘有4 个凸极，在定子凸极上缠绕线圈，转子与定子凸极之间保 持间隙2 5 m m ，同时定子支架还能做上下2 5 m m 的微调，这样有利于调节转子与 定子凸极之间的间隙，从而让盘式电机工作在最佳状态。如下图2 1 2 和2 1 3 是转 子圆盘和定子圆盘的设计： 1 6 定 转子圆 4 个转子子螺栓所 在圆弧直径6 图2 1 1定子圆盘 图2 1 2转子圆盘 2 4 悬浮试验和仿真 2 4 1 检测抗磁体 本实验中用的抗磁材料是石墨，因为石墨在加工过程中的纯度和工艺不同，石 墨的抗磁效果不同，如果石墨中的杂质过多，尤其是铁杂质，对石墨的抗磁效果 影响比较大。如果石墨的抗磁性很小，其效果可能不明显。加工工艺对石墨的抗 磁性影响也很大，热解石墨的抗磁性比较强，是目前所知道的最好的固态抗磁体， 与平面垂直的加工工艺磁化率比较高，与平面平行的加工方法磁化率比较低，低 于任意方向的加工方法。 检验一个石墨样品是不是具有抗磁性的方法很简单，用一段细线悬挂一个小 的永磁块，慢慢靠近石墨，如果永磁块被轻微的排斥，说明石墨具有抗磁性。 石墨的磁化率的大小可以通过实验来测得，根据前面给出的抗磁力的计算方 法，可以首先测出悬浮体所受到的抗磁力，反推出抗磁体的磁化率。当然，抗磁 体的磁化率也可以通过手册来查到。 2 4 2 抗磁性悬浮试验 根据前面的分析，选用合适的永磁体和抗磁材料，能够产生永磁体的稳定悬浮， 通过选择偏置磁体和悬浮体的大小和材料，抗磁材料的间距，本实验成功演示了 抗磁悬浮的情况。如图2 1 3 所示，本实验中采用的偏置磁体是( p 3 5 1 6 的n 3 8 h 柱 形体，剩磁是1 2 6 5 t ：悬浮转子是n 3 5 h 柱形体，质量是1 0 1 0 5 克，剩磁为l - 2 3 5 t ： 抗磁体是盘形的石墨材料。通过调节偏置磁体的高度和抗磁体的位置，悬浮体可 以自由稳定悬浮。 选用不同的悬浮体进行实验，本实验中运用1 0 5 、8 ：i ：4 、( b 6 4 8 、5 * 2 等不同大小的永磁块进行实验均能成功悬浮。如果偏置磁体的剩磁较大，抗磁体 的抗磁性增强，能够悬浮的悬浮体会大一些。 图2 - 1 3 抗磁悬浮实验图 f i g 2 1 3t h ee x p e r i m e n to f d i a m a g n e t i cl e v i t a t i o n 本试验中的悬浮体质量虽然很小，但是悬浮状态相当稳定。所测得的石墨盘之 间的间距d 与前面公式计算得出的数值比较符合，验证了理论计算的正确性。 悬浮体 中1 0 * 50 8 * 46 * 4 8咖5 * 2 理论d ( m m ) 7 76 86 24 9 试验d ( m m )7 5 6 76 24 8 表2 - 1 实验与理论间距d 的比较 t a b l e2 1c o m p a r eb e t w e e ne x p e r i m e n tsa n dt h e o r yd 2 4 3 抗磁性悬浮仿真 运用a n s o j f t 对抗磁悬浮进行了有限元的分析计算，图2 1 4 ( a ) 表示没有抗磁 盘之前永磁体中磁场强度h 的分布情况，( b ) 表示加入抗磁盘后h 的分布。可以 石出加入抗磁盘使永磁的磁场强度削弱了，这是因为抗磁物质放入强磁场中，产 生一个与外磁场相反的弱磁场，所以使得原磁场削弱，这与前面的分析结果是一 致的。 1 9 e 塞窒适厶堂亟盛：堂位论塞笠= 三童磁! 壁淫珏筮丝阻生扭 ( a )( b ) 图2 - 14 抗磁物质存在前后永磁体的磁场强度分布图 f i g 2 1 4t h ed i s t r i b u t eo ft h eh i nt h ep e r m a n e n tw i t h o u ta n dw i t hd i a m a g n e t i s m s 图2 一1 5 是用于a n s o f t 计算的悬浮模型，图2 1 6 是在抗磁体距离为6 2 m m 的 情况下，运用a n s o f t 有限元的方法计算出的抗磁盘对悬浮转子产生的作用力，这 种方法! j 用解析式得出的结论是相致的。 图2 一l5a n s o f t 的抗磁悬浮模型 f i g 2 1 5t h em o d e lo fd i a m a g n e t i cl e v i t a t i o ni na n s o f t x l 矿d ，m 图2 16 由抗磁体产生的轴承力和抗磁盘间距关系图 f ig 2 1 6r e l a t i o no i 。t h eb e a r i n gf o r c eb r o u g h tb yt h ed i a m a g n e t i cm a t e r i a lsa n d t h ed i s t a n c eo l t h et w od i a m a g n e t is m s 2 0 由a n s o f t 得到的悬浮体所受的悬浮力和抗磁盘之间间距的关系，运用一次 插值得出的曲线如图2 1 7 。 图2 1 7h n s o f t 计算出的悬浮力插值曲线 f i g 2 1 7t h ec u r v eo fl e v i t a t i o nf o r c ee d u c e do fa n s o f t 图2 1 7 中f 表示悬浮体所受到的磁力，r 表示悬浮体悬浮高度，由图可以看 出力和悬浮高度不是线性变化的，这与试验的现象是一致的，加入抗磁物质后， 悬浮体可以在不同的高度稳定悬浮，稳定悬浮的高度仿真结果和试验结果相符合， 在0 1 ，1 0 5 ，2 0 高度的时候，悬浮体均能稳定悬浮。 2 5 本章小结 本章首先介绍了开关磁阻电动机的基本构造，然后第二节描述了开关磁阻电 机的基本运行原理，第三节给出了电机的数学模型，重点描述了实验用模型机的 设计在第四节中，给出了抗磁性磁悬浮的试验和仿真。 2 1 第三章功率变换器研究与设计 功率变换器是向电机直接提供能量的部件，它以功率开关管为主要功能器件， 受控制电路的控制，把电源能量变换成始于电机控制的形式，最终实现机电能量 转化。 3 1 功率变换器研究 功率变换器是直流电源和s r m 的接口，在控制器的控制下起到开关作用，使 绕组与电源接通或断开；同时还为绕组的储能提供回馈路径。s r d 的性能和成本 很大程度上取决于功率变换器，因此合理设计功率变换器是整个s r d 设计成败的 关键。性能优良的功率变换器应同时具备如下条件： ( 1 ) 具有较少量的主开关元件； ( 2 ) 可将电源电压全部加给电动机相绕组； ( 3 ) 主开关器件的电压额定值与电动机接近； ( 4 ) 具备迅速增加相绕组电流的能力； ( 5 ) 可通过主开关器件调制，有效的控制相电流； ( 6 ) 能将绕组储能回馈给电源。 功率变换器设计的主要问题一是功率变换器主电路结构的设计，二是功率器 件的选择及其电流定额的确定。 3 1 1 功率变换器常见的主电路形式 s r d 的功率变换器电路结构有许多种，不同结构电路的主开关器件数量与定 额、能量回馈方式以及适用场合均不同，这时在设计时应考虑到的。 双开关型主电路 图3 1 双开关型功率变换器 如图3 1 所示，双开关型功率变换器每相有两只主开关和两只续流二极管。 当两只开光v t l 和v t 2 同时导通时，电源u s 向电机相绕组供电；当v t l 和v t 2 同时关断时，相电流沿图中箭头方向经续流二极管v d l 和v d 2 续流，将电机的磁 场储能以电能形式迅速回馈电源，实现强迫换相。 这种结构的主要优点一是开关器件电压容量要求比较低，特别适合于高压和 大容量场合：二是各相绕组电流可以独立控制，且控制简单。缺点是开关器件数 量较多。 h 桥型主电路 图3 2h 桥型主电路 f i g3 2h t y p ec i r c u i t 如图3 2 所示，h 桥型主电路换相的磁能以电能形式一部分回馈电源，另一个 部分注入导通相绕组，引起中点电位的较大浮动。它要求每一瞬间上、下桥臂必 须各有一相导通。本电路特有的优