（电力电子与电力传动专业论文）车用1210结构开关磁阻电机isad系统运行控制研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ( s r m ) i san o v e ld r i v em a c h i n ed e v e l o p e ds i n c e 1 9 7 0 s ，诵lt h ei n h e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so fs i m p l ea n dr u g g e dc o n s t r u c t i o n , g o o d s t a r tp e r f o r m a n c e ，l o w - c o s t , f a u l tt o l e r a n ta n df o u r - q u a d r a n to p e r a t i o nc a p a b i l i t y , i n t e g r a t e ds t a r t e ra l t e r n a t o rd a m p e r ( i s a d ) i sas y s t e mw i t h i nh y b r i de l e c t r i c a l v e h i c l e ( i - m v ) ，c o m b i n i n gt h es t a 橱；a l t e r n a t o r , a n dd a m p e r t h ea p p l i c a t i o no f s r mi ni s a di sp r o s p e c t i v ef o r w e l lp e r f o r m a n c e so ft h ew h o l eh e v , l o w e ro i l c o n s u n l p t i o na n de m i s s i o n f o c u s e do na1 2 1 0s r ma p p l i e di ni s a df o rh e v , t h ec o n t r o ls c h e m eo f s r mi ss t u d i e d c o n s i d e r i n gt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fs r m ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so f s r mi nt h em o t o ra n dg e n e r a t o ro p e r a t i o na r ea n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h e p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n to fi s a d 。c o n t r o ls t r a t e g i e so fs r m i ns t a 慨b o o s t e ra n d a l t e r n a t o rm o d e sa l e p r e s e n t e dr e s p e c t i v e l y t h e n t h es r m - b a s e di s a d e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi se s t a b l i s h e d , t h ec o n t r o ls o f t w a r ei sa l s od e s i g n e d t h e d e s i g n e ds y s t e mr e c o g n i z e sr u n n j i l gm o d ew i t ht h ec q j r r e n ta n dv o l t a g ef e e d b a c k , a n dt h e na 由t l s 坞c o n t r o lp a r a m e t e r sa c c o r d i n g l y 、j v h e ni ns t a r t e rm o d e ，i ts t a r t sw i t h l o a dt oi d l es p e e d w h e ni nb o o s tm o d e ，i tb o o s t st h ee l l g i n ew i t he f f i c i e n c ya n d t o r q u eo p t i m u m w h e ni na l t e r n a t o rm o d e ，i tc h a r g e sb a t t e r yw i t hc u r r e n t - c o n s t a n t m o d eo r v o l t a g e - c o n s t a n tm o d e t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t si l l u m i n a t e st h e p e r f o r m a n c e so f t h ed e s i g n e di s a ds y s t e mb a s e d o ns r m a n d j u s t i f yt h ep r e s e n t e d c o n t r o ls t r a t e g y k e y w o r d s ：s r m ，i s a d ，h e v ，d s p 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 学位论文作者签名； 邳槊 导师魏厄f 会绫 签字日期：矽忙占月f 7 日签字日期：。7 年b 月f 7 习 学位论文作者毕业后去向； 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 独创性声明 本人郑重声明；所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 邳槊 日期：”。7 年占月f 7 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 i s a d 系统简介 第一章绪论 混合动力汽车( h y b r i de l e c t r i c v e h i c l e ，简称h e v ) ，是指同时装备汽车发 动机和电动机两种动力源的新型车辆。通过双动力源的配置，动力系统可以按 照整车的实际运程工况要求灵活调控，而发动机保持在综合性能最佳的区域内 工作。具体的说，混合动力汽车有如下优点：控制发动机的启动，从而取消发 动机怠速，降低油耗和排放；在减速和制动工况下，对部分能量进行吸收；加 速或者大负荷工况对，电动机能够辅助驱动车轮，弥补发动机本身动力输出的 不足；在行驶过程中，发动机等速运转，发动机产生的能量可以在车轮的驱动 需求和发电机的充电需求之间进行调节。通过以上优点，混合动力系统能提高 整车的动力性能，提高燃油经济性，减小排放和对环境的污染。同时，与纯电 动汽车和燃料电池电动汽车相圪，混合动力汽车可以依托现有的加油网点提供 能源，行驶距离更远，在技术上和商业上更容易实现。因此，混合动力汽车已 成为各国的汽车科技研发重点项耳。 集成起动发电阻尼一体化( i n t e g r a t e ds t a r t e ra l t e r n a t o rd a m p e r ，简称 i s a d ) 系统是一种新颖的混合动力实现形式1 ，2 ，3 1 ，由电机、功率半导体器件、 微控制器、高功率密度蓄电池或超级电容组成，电机安装在发动机曲轴末端， 其转子代替飞轮，定子用作飞轮壳。电机集起动机和发电机功能于身，直接 替代了传统汽车内起动机和发电机两套机组，并且省去了原系统中飞轮、皮带、 滑轮和动力传动系统中的振荡阻尼器、皮带张力等部件。该系统最早出现在 1 9 9 9 年3 月份举行的日内瓦汽车展览会上，由宝马和雪铁龙两大汽车生产商联 合推出。雪铁龙萨拉( x s a r a ) 牌轿车样车上使用了此套系统。即使在低转速情况 下，它能够提供长达3 0 秒高达1 5 0 n m 的扭矩，这远远超过了1 6 l 燃油喷射汽 油机在中速状态取得的1 3 5 n m 的最大扭矩，车辆动力系统的长度只增加了 6 8 m m 4 j 。 i s a d 的出现，直接简化了汽车设计，优化了汽车结构配置，提升了汽车 的电气化水平。除了为整车设计进化提出了可能，i s a d 系统还可为汽车提供 江苏大学硕士学位论文 良好的性能。起动时，直接由电机利用电磁转矩迅速达到怠逮，随后发动机点 火，实现汽车快速、清洁的重新起动，因此发动机可以在空转时关闭。这对城 市交通中频繁出现的红绿灯、交通拥堵场合具有非常重要的意义。首先，发动 机频繁起步和怠速空转是发动机耗油的主要原因之一，在i s a d 系统下，由电 机带动发动机达到怠速后再对发动机点火，避免了发动机低速起动，可节省大 量的燃料。其次，汽车临时停车时，可关闭发动机，利用i s a d 电机直接快速 起动，因而可以大大减少尾气排放。第三，利用i s a d 系统的大功率电机实现 汽车快速起动和即停即起，提供了更好的动力性。在车辆加速或爬坡时，可以 利用电机的这部分功率为发动机提供短时助力，提高整车的牵引功率，缩短车 辆的加速时间。i s a d 系统的电机作为发电机运转时，可以实现再生制动，将 汽车多余的动能转化为电能回馈给车载电源。这进一步提高了整车效率和燃油 经济性，并且可以使汽车由原先的纯机械刹车转变为机械一电气双制动，提高 了安全性。在车辆下坡时，就可以利用再生制动使车辆平稳减速。在车载电源 储能不足时，可利用i s a d 系统的电机作为发电机给车载电源充电，甚至为车 载照明直接供电，从而提高车内电功率和电压等级。i s a d 系统也为解决发动 机的转矩脉动提供了可能，用i s a d 系统中电机的转予代替发动机连接的飞轮， 在发动机的不同冲程分别提供动力转矩和制动转矩，平稳发动机的转矩脉动， 起刭阻尼减震的作用。 由此可见，i s a d 系统并不是汽车起动机和发电机的简单叠加，它是汽车 技术在更深层次上的一项技术变革，能够带来汽车各方面技术广泛的提升，能 够创造巨大的经济效益和社会效益，具有良好的应用前景和重大的研究价值。 1 2 开关磁阻电机的发展概况 开关磁阻电机( s w i t c h e dr e l u c t a n c em a c h i n e ，简称s r m ) 的雏形最早可 追溯到1 9 世纪4 0 年代，但直到2 0 世纪6 0 年代，随着电力电子技术和微处理 器技术的发展，开关磁阻电机才真正得以实现，并重新获得了重视。1 9 6 9 年美 国学者s a n a s a r 撰写的论文中描述了这种电机的两个基本特性：开关特性和 磁阻性。1 9 8 0 年，英国l e e d s 大学v j l a w r e n s o n 教授发表的著名论文 变速开 关磁阻电动机，阐述了开关磁阻电机的原理及设计特点，成为现代开关磁阻电 2 江苏大学硬士学位论文 机理论的奠基之作【弱。 由于开关磁阻电机具有简单坚固的结构，低廉的成本，独特的调速性能， 一问世，就引起了相关领域各国研究人员的浓厚兴趣。近三十年来，国内外对 开关磁阻电机的研究异常活跃，开关磁阻电机的非线性建模与仿真，电机本体 设计，调速系统控制方法，无位置传感器控制，功率变换器拓扑，转矩脉动抑 制等课题都成为国际上研究的热点。开关磁阻电机的性能独特，已被成功应用 在风机水泵、电动汽车驱动、家用电器、牵引电机、伺服系统和执行部件、航 空发电机、高速电机等场合，成为调速系统中发展较快的新型电机。 我国对开关磁阻电机的研究起步较早，早在1 9 8 4 年，就紧随国际步伐展开 了对开关磁阻电机的研究。目前在国内的清华、南航、浙大、华南理工等高校 以及中纺机电研究所等科研院所都已有了丰富的技术积淀。理前，国内山东科 汇等企业也推出了成熟的开关磁阻电机调速产品。 1 3 开关磁阻电机在i s a d 系统上的应用 电机是i s a d 系统的关键执行部件，其运行性能关系到i s a d 系统的最终 性能。混合动力汽车常用的传动电机主要有直流电机、异步电机、永磁无刷电 机和开关磁阻电机。国内外相关研究人员针对这几种电动汽车的常用传动电机， 从多方面对其性能进行了比较研究 6 , 7 1 。表1 1 给出了混合动力汽车常用的传动 电机的性能对比。 表1 1 混合动力汽车传动电机的性能对比嘲 项目直流电机异步电机开关磁阻电机永磁无刷电机 外形尺寸大中小 小 结构的坚固性 差 好优秀一般 驱动器性能最好好好好 电机成本低中中高 功率密度 低中较高高 效率中中高高 由表1 1 可见，开关磁阻电机与其它三种电机相比，整体性能优良，尤其 是结构非常坚固，因此可靠性高，可工作在恶劣环境和高速条件下。 i s a d 电机是在异步电机的基础上开发出来的。使用永磁同步电机也可以， 但由于其生产的成本较高而遭放弃刚。从表1 1 可见开关磁阻电机在效率和功 率密度上接近永磁同步电机，而结构简单坚固，成本低廉，因此非常适合于i s a d 3 扛苏大学硕士学位论文 系统应用。开关磁阻电机用于i s a d 系统主要有几方面具体优势限1 0 , 2 4 1 ： ( 1 ) 结构优势： 转子由硅钢片叠成，无绕组无永磁体，因此损耗低，有较高的允许温升， 工艺简单，机械强度高，适用于高速运转和极端恶劣的工作环境； 定子集中绕组，线圈嵌装容易，端部短而牢固，铜耗少，绕组承受的匝间 电压蜂值为几十伏，不存在绝缘疲劳老化，寿命较长，热耗大部分在定子，易 于冷却。 可见，开关磁阻电机结构简单，便于制造，节省材料，成本低，免维护。 ( 2 ) 性能优势： 1 调速性能：具有四象限工作能力，可作为电动机或发电机工作，在宽广的 转速和功率范围内都具有高输出和高效率。控制参数多，控制方式灵活，可控 性好，改变励磁相序可实现正反转，改变励磁角度可实现电动和发电运行，并 改变输出效率和转矩。 可靠性【1 1 l ：交流电机主电路存在直通短路隐患，当某相电路出现故障时， 不能产生旋转电磁场，电机不能运行；开关磁阻电机主电路不存在直通短路故 障隐患，各相独立工作，一相放障不影响整个电机的运行，因而具有一定的容 错性，可靠性高【1 2 1 。 起动性能：低起动电流，高起动转矩。起动电流为额定电流的3 0 时起动 转矩可达额定转矩的1 5 0 1 1 3 1 。起动电流小，对车载电源冲击小；起动转矩大， 可重载起动，并可作为加速、爬坡时的辅助动力。结构坚固，可频繁起动。 发电性能；开关磁阻发电机理与传统发电机不同，等效于电流源向外输出 电能，对蓄电池的充电效果好，可实现快速充电并延长电池寿命。 节能性：在很宽的调速范围和负载范围内，系统高效率运行。 开关磁阻电机的独特性能契合了i s a d 系统传动电机的性能要求，非常适 合i s a d 系统传动电机应用。目前，国外已有一些机构将开关磁阻电机用于混 合动力汽车的起动发电机- 1 5 , 1 6 1 ，例如澳大利亚联邦科学与产业研究组织 ( c s l r o ) 研制的并联驱动混合动力概念车e c o m m o d o r e 17 ，嘲。 4 江苏大学硕士学位论文 1 4 课题研究背景及意义 近十年来，随着我国人均收入水平的提高，国内汽车市场已经日益孕育成 熟，显出举足轻重的地位。各大国际汽车厂商竞相进入中国市场，带动了我国 汽车产业的快速发展。汽车产业在国民经济体系中所占的比重逐年递增，成为 我国国民经济发展的又一重要增长点。目前，国家正大力推进我国汽车产业的 发展。 另一方面，我国已由一个能源净出口国转变为一个能源净进口国，面临与 发达国家同样的能源短缺危机。不断增加的汽车产量所带来的能源消耗，已日 益威胁到我国国民经济的安全和健康发展。同时，随着汽车保有量的增加，汽 车尾气排放造成的大气污染问题也日益突出。在国内一些大城市，减少汽车尾 气排放已成为关系到城市和谐发展，人民健康生活的大问题。 因此，减少现有车型的油耗和排放，发展节能环保型汽车已成为当务之急。 我国2 0 0 4 年颁布的汽车产业发展政策明确指出：“积极开展电动汽车、车 用动力电池等新型动力的研究和产业化，重点发展混合动力汽车技术和轿车柴 油发动机技术”。混合动力汽车就是一种新型环保车辆。当前，发展具有自主知 识产权的混合动力汽车，已成为汽车产业发展的一项战略性目标。 i s a d 系统是混合动力汽车的一项核心技术，研究i s a d 系统中开关磁阻电 机的运行控制，实现其电动与发电状态的高效运行，对研制基于i s a d 系统的 混合动力汽车，提升我国的混合动力汽车研发水平，缩短我国与发达国家的技 术差距，解决当前车辆高油耗和高排放造成的一系列问题，具有至关重要的意 义。同时也能加深对开关磁阻电机的理论和应用水平，为拓宽开关磁阻电机的 应用领域打下基础。 本课题作为江苏省教育厅产学研项目( j h 0 1 0 5 8 ) 和无锡柴油机厂科研基金 资助课题，通过对1 2 1 0 结构开关磁阻电机i s a d 系统进行理论和实际应用研 究，进一步推动开关磁阻电机在混合动力汽车等领域的广泛应用。 1 5 本文主要研究内容 本文研究3 k w l 2 l o 结构开关磁阻电机在混合动力汽车i s a d 系统中的运 行控制，重点研究了1 2 1 0 结构开关磁阻电机在起动、助力、发电三种状态的 5 江苏大学硪士学位论文 控制策略，从理论上对车用开关磁阻电机的i s a d 系统控制要求进行了分析。 在分析研究的基础上，构建了1 2 1 0 结构开关磁阻电机的i s a d 系统实验平台， 设计了控制软件，进行了实验。 本文各章的主要内容为： 第一章为引言部分，介绍了混合动力汽车i s a d 系统的组成、功能，开关 磁阻电机应用于i s a d 系统的优势，课题研究的目的、现状、背景及意义等。 第二章为开关磁阻电机的基本理论部分，分别阐述了开关磁阻电机调速系 统的组成，开关磁阻电机的原理、结构，电机的基本方程、数学模型及特性分 析，控制方法以及发电运行。 第三章为1 2 1 0 结构开关磁阻电机i s a d 系统硬件设计，分别介绍了功率 变换器、主控制器和检测电路的设计。 第四章为1 2 1 0 结构开关磁阻电机i s a d 系统的控制策略和软件设计部分， 介绍了基于开关磁阻电机实现i s a d 的运行控制策略，以及不同运行状态各控 制策略的具体实现和软件流程。 第五章为1 2 1 0 结构开关磁阻电机i s a d 系统的实验和结果分析部分，按 照i s a d 系统的实际运行状态进行了实验，得出实验数据，给出分析结论。 第六章为全文总结与展望。 6 扛苏大学硬士学位论文 第二章开关磁阻电机的基本理论 与传统电机相比，开关磁阻电机的原理、结构、控制方法、调速性能都与 众不同。传统电机成熟的性能分析方法和控制理论对开关磁阻电机不尽适用。 因此，需要对开关磁睚电机的基本理论进行研究。 2 1 开关磁阻电机调速系统的基本组成 开关磁阻电机调速系统( s r d ) 的基本部件从功能上分，主要由开关磁阻 电动机、功率变换器、控制器、位置电流检测器等四大部分组成，如图2 1 所 示。 出 图2 1 开关磁阻电机调速系统基本组成图 ( 1 ) 开关磁阻电机1 9 l ：开关磁阻电机是s r d 中实现机电能量转换的部 件， 其定子和转子均为凸极构造，定子极上绕 有集中绕组，转予无绕组也无永磁体 2 0 l 。图2 2 显示了1 2 1 0 结构六相开关磁阻电机的截面 原理图。开关磁阻电机运转遵循“最小磁阻原 理”，根据转予位置信息根据一定逻辑关系切换 定子极绕组通电，即可实现连续运转。 ( 2 ) 功率变换器【2 l 】：功率变换器是连接 电源和开关磁阻电机绕组的部件。其每个工作 周期分为两个阶段：励磁阶段，向定子绕组提 供励磁电流，电能由电源馈入电机；续流阶段， 7 江苏大学硕士学位论文 不管哪一阶段绕组中电流方向不变。可用于混合动力汽车驱动的开关磁阻电机 功率变换器拓扑结构有多种形式 2 2 1 。既有每相可仅一个开关器件的拓扑形式， 如双线绕组式( 如图2 3 a ) 和直流电源分裂式1 2 3 】( 如图2 3 b ) ，也有在每相采 用两个开关器件和两个二极管的拓扑形式，称不对称半桥式( 如图2 3 e ) 。前 者存在开关器件承受电压较高，需要附加额外的绕组或电容，控制复杂等缺点。 后者虽然功率半导体成本增加，但却使开关磁阻电机具有完全独立的分相控制 能力，并且在四个象限中实现完全可控，因而成为目前最常用的拓扑结构。 ( a w - 线绕组式 ( b ) 直流电源分裂式( c ) 不对称半桥式 图2 3 常用开关磁阻电机拓扑结构( 莱一单相的情况) ( 3 ) 控制器：是整个调速系统的核心，根据控制器中设定好的控制策略及 其相应的算法，将外部反馈的电流、位置等检测输入量与内部程序中计算得出 的给定量进行比较判断，决定电机的控制方式，并在合理的转子位置控制功率 变换器中各相主开关器件的开关状态，实现机电能量合理、有效的转化。 ( 4 ) 位置检测器：开关磁阻电机调速系统是位置闭环调速系统，开关磁阻 电机各相绕组必须与转子位置同步激励，并且转子位置测量的精度和分辨率直 接影响到调速性能的好坏。位置检测的目的是确定定、转子的相对位置，即要 用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。目前，无位置传感器是s r d 技术研究的热点之一，但其 实质都是对转子位置的间接测量，转子位置信息对于开关磁阻电机的连续运转 是必需的。 电流检测器：相电流检测是开关磁阻电机电流斩波控制方式( c c c 方式) 运行的需要，也是系统过流保护的需要。单向、脉动以及波形随运行方式、运 行条件不同而变化很大是开关磁阻电机相电流的基本特点。因此开关磁阻电机 的电流检测器应具有快速性好，灵敏度高，单向电流检测，线性度好，抗干扰 的优点。 8 江苏大学硕士学位论文 2 2 开关磁阻电机的原理、基本结构与特点 电机根据产生电磁转矩的方式可以大致分为两类：一类由磁场之间的相互 吸引和排斥产生转矩，另一类遵循“最小磁阻原理”，即磁通总要沿着磁阻最小 的路径闭合，从而有磁拉力作用在磁路上，使其趋于最小磁阻位置。前者如直 流电机，异步电机，同步电机等各种电磁式电机。后者如开关磁阻电机。 由于转矩形成的机理不同。与一般传统电机相比，开关磁阻电机具有明显 的结构特征：定、转子均为凸极构造，由普通硅钢片叠压而成；定子极上绕有 集中绕组，径向相对的两个绕组串联构成一相绕组；转子既无绕组也无永磁体。 开关磁阻电动机可以设计成多种不同的相数结构，而且定、转子的极数也 有多种不同的搭配，如表2 1 所示。相数多，步距角小，利于减小转矩脉动， 但结构复杂，且主开关器件相应增多，增加了功率电路的成本。三相以下的开 关磁阻电机无自起动能力，因此目前应用较多的是相数在三相及三相以上的开 关磁阻电机。根据开关磁阻电机转矩形成的原理，定转子要不断形成偏离最小 磁阻位置的磁路，因此定转子极数不同，一般使定子极数大于转子极数。定转 子极数的差值即为一相所对应的磁极数。因此1 1 0 结构的开关磁阻电机定子 有1 2 个齿极，转子有1 0 个齿极，每相对应两个励磁极，共六相。 表2 1 开关磁阻电动机的各种方案嗍 相数 3456789 定子极数n s 681 01 21 41 61 8 转子极数n r 4681 01 21 41 6 步进角 3 0 。1 5 。9 。6 。4 2 8 。3 2 l 。2 5 。 开关磁阻电机的旋转过程可用图2 4 说明，为简单计，图中仅画出了c 相 一相的不对称半桥式功率变换电路，其它各相与c 相相同。当主开关器件v l 、 v 2 导通时，c 相从直流电源酞吸收电能，定予c c 极励磁，电机内建立以c c 为轴线的磁场，其磁通经过定子轭、定子极、气隙、转子极、转子轭闭合。 此时定子凸极c c 与转子凸极2 2 错位，气隙大，穿过气隙的磁力线是弯曲 的，磁阻大于定、转子轴线重合时的磁阻，根据“最小磁阻原理”，转子凸极2 和2 将受到弯曲磁力线切向分力所产生的转矩的作用，沿逆时针方向转动至转 子极轴线2 2 与定子极轴线c c 对齐的位置，此时磁路中磁阻最小，c 相励 磁绕组的电感最大。在最小磁阻位置附近关断主开关器件v l 、v 2 关断后，绕 9 扛苏大学硕士学位论文 组电流经二极管v d i 、v d 2 继续流通，并回馈给电源阢。若以图中定、转子所 处的相对位置作为起始位置，依次给c b a f e d 相的绕组通电，转子 以逆时针方向连续旋转；反之，若依次给e f a b c d 相的绕组通电， 则转子就会沿着顺时针的方向连续旋转。可见开关磁阻电动机的转向与相绕组 电流的方向无关，而仅仅于相绕组通电的顺序有关。转子的旋转过程体现出一 定的周期性。如图中以c b a f e d 的相序每相轮流通电一次后，转子 极3 逆时针转到与定子极e 的轴线对齐的位置，再下一个c b a f e d 励磁周期转子极3 运转到与定子极f 的轴线对齐的位置，可见每完成一次六相 轮流励磁周期，转子转过一个转子极距矗，因此这个励磁周期转过的角度称为 电角度周期角，其值与转子极距矗相同。对1 2 1 0 结构的开关磁阻电机，其转 子极距为3 6 。，因此每个电角度周期对应3 6 。而每相励磁一次，转过6 。， 称为一个步进角。 图2 41 2 1 0 极开关磁阻电动机运行机理图 开关磁阻电机综合了交流电机和直流电机的优点，由它构成的驱动系统在 电机本体结构、变换器型式以及控制方式上都与众不同，具有一系列独特的性 能。表2 2 总结了开关磁阻电机的优缺点。 表2 2 开关磁阻电机的优缺点融2 j 优点缺点 成本低，节省材料需要位置信息 结构简单坚固，可高速、恶劣条件下运行转矩脉动大 不会发生赢通故障，可靠性高噪声大 可在缺相情况下运行，容错性好磁路饱和且非线性 在很宽的调速范围内高效率运行运行需要控制器 控制灵活，调速性能好，可四象限运行 低起动电流，高起动转矩 单向电流，可应用直流电源 1 0 江苏大学硕士学位论文 2 3 开关磁阻电机的数学模型冽 开关磁阻电机磁路饱和，具有强非线性，因此很难建立准确的开关磁阻电 机数学模型。在一定假设条件下，得到开关磁阻电机的三个基本方程以及理想 线性数学模型。利用线性模型，可以对开关磁阻电机的一些特性进行分析。 2 3 1 开关磁阻电机的基本方程 开关磁阻电机与其它电磁式机电装置类似地都可以看成是一对电端口和一 对机械端口的二端口装置，如图2 5 。对m 相开关磁阻电动机，若不计磁滞、 涡流和相间的互感，则整个机电系统动态过程的微分方程可由电动势平衡方程、 机械方程和机电联系方程三部分组成。 无损耗磁场系统 r 鞋瓴r 妒) 魄，p ) “，口) 图2 5m 相开关磁阻电动机系统示意图 ( 1 ) 电动势平衡方程 假设m 相开关磁阻电机各相结构和电磁参数对称，则根据电路基本定理可 得开关磁阻电机第ko 【= j ，m ) 相的电压平衡方程式为： 以= 取+ 警 ) 电机各相绕组的磁链为关于该相绕组电流矗和转子位置角伊的函数，即： 帆= 甄( ，d ( 2 2 ) 由于开关磁阻电机各相之间的互感相对自感来说甚小，为了便于计算，在 开关磁阻电机的计算中一般忽略相问互感，不考虑两相以上电流导通时定、转 子轭部饱和在各相之间产生的相互影响，可以得到用电感和电流的乘积表示的 磁链方程： = 矿( ：o k ) = 丘( b ，) ( 2 3 ) 将式( 2 3 ) 代入( 2 一1 ) ，即可以得到 江苏大学硕士学位论文 以= 墨t + 等鲁+ 警鲁。毗+ ( + 薏) 鲁+ ，嚣，警但叫 式( 2 4 ) 表明，电源电压与电路中的三部分电压降相平衡。等式右边第一 项是第k 相回路中的电阻压降，第二项是由电流变化引起磁链变化所感应的电 动势，叫做变压器电动势，第三项是由转予位置改变引起磁链变化所感应的电 动势，叫做旋转电动势，它与电磁机械能量转换直接有关。 ( 2 ) 机械方程 按照力学定律可列出电机电磁转矩l 和负载转矩r 作用下的转子机械运 动方程： c = ，争d 鲁+ 瓦 ( 2 5 ) 其中，为传动系统转动惯量，d 为粘滞系数。 ( 3 ) 机电联系方程 忽略各相绕组之间的互感，可以从一相来考虑开关磁阻电动机的电磁转矩。 一相绕组的泖轨迹如图2 6 所示。轨迹介于两条极限磁化曲线内，两条曲线 分另目对应于定、转子凸极中心线重合的最小磁阻位置f 晌和定子凸极中心与转 子凹槽中心线重合的最大磁阻位置口。图中c 为换相点，在该点处主开关器 件关断，绕组电流由上升转而开始下降。运行点所对应转子位置处的磁化曲线 以左的区域面积对应该点磁储能形大小( 点状阴影区即为换相点处的绕组磁储 能) ，而其下方的区域面积对应该点磁共能形大小，钟轨迹包围的横线阴影 区域即为每相在一周期内输出的总机械能昂石。 f ( a ) 图2 6 开关磁阻电机一相绕组的伽轨迹 江苏大学硕士学位论文 在任一运行点c t 处的k 相绕组的瞬时转矩可根据虚位移原理求得： 瓦= 吾k ( 2 6 ) 其中，磁共能形= j 玩( 幺i 。) 嗷，o w 即为耦合磁场在转子位移增量么学内 的磁共能增量。代入式( 2 6 ) ，得 五= 降魂 因此相数为n l 的开关磁阻电机总的瞬时转矩为： = 艺k f f i l 嘉m 懒 = 虽p 帆妒，) 也 u 口i 综上可得开关磁阻电机的基本方程： 电动势平衡方程u 吨鹕+ 磊鲁蟾等r 窨 机械方程： 机电联系方程： 2 3 2 开关磁阻电机的线性模型 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 4 ( 2 5 ) ( 2 8 ) 在实际的开关磁阻电机中，随着相电流的增加，通常会出现明显的磁饱和 现象，相电感不仅与位置有关，还与相电流有关，开关磁阻电机的实际绕组电 感曲线如图2 7 所示盼硐。开关磁阻电机中磁饱和的影响可由其磁化曲线看出。 图2 8 给出了一簇典型的开关磁阻电机磁化曲线1 2 7 ，可见每条曲线上磁链和电 流之间均是非线性关系，且非线性的程度不一样：磁场非线性在定转子完全对 齐位置附近尤其明显，在定转子完全不对齐的位置不很明显。 由此可见开关磁阻电机的电磁特性实际上是由磁链一电流一角度位置 ( p - i - 0 ) 之间的非线性关系来表征的，可以通过实际测量和有限元方法获得三 者函数关系，但过程往往比较复杂。 瓦 域 塑毋 “ 妙 塑扩勒 “ ，“ 乃 江苏大学硕士学位论文 图2 7 开关磁阻电机实际绕组电感曲线圉2 8 开关磁阻电机实际饱和捌化曲线 由于开关磁阻电机磁路高度饱和非线性带来电机性能分析上的困难。为便 予分析，忽略磁路饱和，假定相绕组电感与电流大小无关，且不考虑磁场边缘 扩散效应，可得开关磁阻电机的线性模型 2 4 2 8 , 2 9 , 3 0 1 。线性模型的绕组电感曲线 和磁化曲线分别见图2 9 、图2 1 0 。 图2 9 开关磁阻电磐线性模型绕组电感曲 图2 1 0 开关磁阻电机线性模型磁化曲线 线 。一” 由图可知线性模型下，开关磁阻电机相电感的分段线性表达式： 其中； 工( 国= k 足( 护一岛) + 上曲 k k x 妒一只) x ：- - l m i n ：l 一- l m 岛一日屈 2 3 3开关磁阻电机的磁链特性 0 1 口0 2 0 2 0 _ 0 3 ( 2 - 9 ) 0 3 口s 0 4 0 4 s 口 0 5 忽略绕组电阻压降，一相电压平衡方程( 2 一1 ) 可改写为： 士弧= 警= 等警= 考q ( 2 - 1 0 ， 。 d ld 8d td 9 1 4 扛苏大学硕士学位论文 卜帮 脓触哦蚰蜴 【一= 芳缉 续流阶段( 口s 2 一气) 。 f 加：丝d o励磁阶段( 以口以) 麓， ( 2 1 2 ) l 如一警硎 续流阶段( 口s 2 一气) 。 川喾0 弘 篡麓一等纠。， ( 口) = o s 口如，2 一如s 9 詈 ( 2 1 3 ) l 鲁( 2 一吒一口) 0 - 2 一气 1 图2 1 1 磁链随0 的变化曲线 2 3 4 开关磁阻电机的电流分析 一个电感周期内电流波形如图2 1 2 所示，一l 如内主开关器件开通，即 0 1 0 0 2 ；如喝内主开关器件关断，即0 2 0 0 一0 3 。 扛苏大学硕士学位论文 图2 1 2 角度位王控制方式下电动运行典型相电流波形 线性条件下，可推导出开关磁阻电机的分段电流解析式： u s8 9 m 三m m观 u ( p 一目k ) 啡【工- n + k ( 口一口2 ) 】 柳- 老端 u , ( 2 0 n g 如一们 观一 暨! 兰丝：鱼二塑 & 【面一k ( o 一口) 】 岛口 岛 岛口s6 ：咿 o 0 3 ( 2 1 4 ) 只口 幺 只一s 2 岛r 一如岛 从( 2 1 4 ) 可见： ( i ) 8s 口 只区域内，电流在最小电感恒值区域内是直线上升的。由于 此区域电感恒为最小值曲，且旋转电动式( i w 棚i l d # ) 为零，因此开关磁阻电 机的相电流可在该区域内迅速建立。 ( 2 ) 岛口区域内，电流变化率为 訾= 糍渊( 2 - i s r ( o - o ：) ， d 口 q 【上h + 2 】 由上式可见 若o o n o ，电流将在兜之后的电感上升区上升。 t 6 江苏大学硬士学位论文 ( 3 ) 如庐净 岛区域内，可见 若0 舻- - ( 0 3 埘l 衄炮，则续流电流将在岛前的电感上升区衰减至零； 若如以盼钆i ) 陀，则续流将进入岛之后的最大电感区，甚至电感下降区。 ( 4 ) 0 3 口 见区域内，电流变化率 百d i ( o ) ：一阜= c o i l s t o ，弛面d l 0 ，工较大，f l 拭( 2 2 4 ) 可见嵩 o ，但值较小， 因此电流上升较慢。 ( 2 ) 区间i i ( 【以，踟) ：区间内u d o ，尸嚣啡= o ，可见开关磁阻电机吸 收的电能，完全转化为磁储能，无机械能输出。式( 2 2 4 ) 简化为嵩= 丢毛， 电流线性上升。 ( 3 ) 区间m ( 慨，纠) ：区间内u p o ，f 2 等q o ， 且值较大，因此电流快速上升。 ( 4 ) 区间( 【8 呵，巩】) ：区 间内一洲，尹嚣q o ，则嵩 o ，电流 继续上升；若转速嘶较小，则旋转 电动势小于电源电压， 一。 r j 7 图2 1 4