（电机与电器专业论文）地铁开关磁阻电机控制系统.pdf

北京交通夭半口咂士学啦论文 系统有了定性的认识。根据地铁车辆应用的特点以及开关 磁阻电机的控制方式，制定了本系统的控制策略。设计并 制作了控制电路，编写了用于主控芯片的程序，并完成控 制系统的调试。另外为了进行该调速系统的负载试验又制 作并完成了一套负载试验系统。在没有测功机的情况下对 一台电磁调速电动机进行改动，使之成为一台准测功机用 在该负载试验系统中。最后在该负载试验台上完成了地铁 开关磁阻电机调速系统的部分负载试验，得到了大量的试 验数据。一方面这些试验数据的分析结果验证了系统所采 用的控制策略，控制电路设计的合理性；另一方面在这些 试验数据的基础上得出了开关磁阻电机的一些特性曲线。 同时这些试验数据还证明了以电磁调速电机为准测功机这 一设想的可行性与正确性。 关键词：开关磁阻电机，电磁调速电机，负载试验 j t 京交通大学q 页士学位论文 a b s t r a c t n o w ，m e t r oa n dl i g h tr a i l i r a n s i th a sb e c o m et h eb e s t w a yt os o l v ep r o b l e mo ft r a 艏cj a m i nb i gc i t y t h r o u g ht h i s k i n do ft r a n s p o r t a t i o nw ec a no v e r l o o kt h ep r o b l e ms u c ha s f i n i t u d ee n e r g y ，e x h a l e ，r u m b l e a 1 t h o u 曲t h ee 1 e c t r i cv 乩i c l e h a ss om a n ym e r i t s ，f o re x a m p l ec l e a r ，p o l l u t i o n f r e e ，h i g h e m c i e n c ya n ds oo n ，i ti sh a r dt or e p l a c et h ef u e lo i l c a ri n s h o r tp e r i o db e c a u s et h eb o t t l e n e c ko fv e h i c l eb a t t e r y t h i s k i n do f t r a l l s p o r t a t i o n h a st h em e r i t ss u c ha s l a r g e t r a n s p o r t a t i o nb u r d e n ，h i 曲s p e e d ，1 0 w - g r a d ec o n t a m i n a t i o n i tc a nb es a i dt ob et h e o n l yp o p u l a r i z a t i o n v e h i c l e 、o f p r e d o m i n a n ta n dc o m p e t i t i v ei ne n e r g ya n de n v i r o n m e m i ti s t h en e c e s s a r ym e t h o dt os o l v et h et r a m cp r o b l e mb e c a u s eo f t h ec i t ye x p a n s i o na n dp o p u l a t i o ne x p a n s i o ni no u rc o u n t r y i t h ec o n s t r u c t i o no ft h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k b e t w e e n c i t i e sh a sb e c o m eo n eo ft h e i m p o r t a n tp r o j e c t s o f i n 丘a s t r u c t u r ec o n s t r u c t i o n ，a n dh a sg e n e r a t e dh u g ep r o m o t e r a c t i o nt ot h ei n c r e a s eo fn a t i o n a le c o n o m y t h es u b d e c ti n v e s t i g a t e do ft h i st h e s i si st h ed y n a m i c s y s t e mo fu n d e r g r o u n dv e h i c l ef o rt h el o o pl i n eo fb e i j i n g m e t r o w es e l e c ts w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o ra st h ep u l l i n g m o t o ro fu n d e r g r o u n dv e h i c l e t h ec p ui st m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ， p a r t o ft h et m s 3 2 0 c 2 0 0 0p l a c f b r mo f6 x e d p o i n td s p s i i i ! ! ! 苎兰查兰竺主堂苎塑 s e v e r a la d v a n c e d p e r i p h e r a l s ，o p t h n i z e df o rd i g i t a lm o t o ra n d m o t i o nc o n t r o la p p l i c a t i o n s ，h a v eb e e n i n t e g r a t e dt op r o v i d ea t r u es i n 9 1 e c h i pd s pc o n t r o l l e r ，i ti s a d 印t e dt oc o n t r o l 王i n g s r m v e r ym u c h t h i st h e s i s f i r s t l yi n t r o d u c e st h es 仃u c t u r e ，p r i n c i p l e a n dc h a r a c t e r j s t i co fs w j t c h e dr e 】u c t a l l c em o t o r i nd r d e rt o h a v eaq u a l i t a t i v ec o g n i t i o nw ea l s om a k eas i m u l a t i o no f t h i s k i n do f s p e e dr e g u l a t i n gs y s t e m a c c o r d i n gt ot h i sa p p l i c a t i o n i nu n d e r g r o u n dv e h i c l ea n dt h ec o n t r 0 1m o d eo fs w i t c h e d r e l u c t a n c em o t o rw es t i p u i a t ef o rt h ec o m r o ls t r a t e g yo ft h e s y s t e m ，d e s i g na n df a b r i c a t i o nt h ec o n t r q lc i r c u i t ，c o m p i l e t h em a i np r o g r a ma n da c c o m p l i s ht h e d e b u g g i n go fc o n t r o l s y s t e m i na d d i t i o n ，w ed e s i g nas e to ft e s t i n gs y s t e mf o rt h e l o a dt e x t w i t l l o u tt h ed y n a m o m e t e rm a c h i n ew em a k es o m e c h a n g e so n a n e l e c t r o m a g n e t i cs p e e d - a d j u s t a b l em o t o ra n d m a k ei tt ob ead y n a m o m e t e rm a c h i n eu s e di nt h el o a dt e x t s y s t e m a t1 a 8 ta c c o m p l i s ht h el o a dt e x to ft h es w i t c h e d r e l u c t a n c em o t o r ，o b t a i nm a s sd a t a 0 nt h eo n eh a n dt h e a n a l y s i so ft e x td a t ac e n i f yt h ev a l i do fc o n t r o ls t r a t e g ya 芏1 d t h ed e s i g no fc i r c u i t ， o nt h eo t h e rh a n dw ee d u c es o m e c h a r a c t e r i s t i cc u r v eo ft h es w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r a tt h e s a m et i m et h eo b t a i n m e n to ft h et e x td a t av a l i d a t ef e a s i b i l i t ) o ft l ea s s u m e rt h a tu s e e l e c t r o m a g n e t i cs p e e d a d j u s t a b l e m o t o ra sad y n a m o m e t e rm a c h i n e 一i v j t 京蔓：通大学硕士掌位论文 k e yw o r d s ：s w i t c h e dr e l u c t a n c e m o t o “s r m ) ， e l e c t r o m a g n e t i cs p e e d - a d j u s t a b l em o t o r ， 1 0 a dt e x t v j e 京交通大学硕士学位截奠屯一一绪论 1 1 选题背景 第一章绪论 随着城市人口的膨胀和汽车进入家庭的影响，城市交通问题日 益突出。而城市轨道交通运量大、速度快、污染少，可以说是唯一 的绿色环保型大众交通工具，城市轨道交通也是我国加快城市基础 设旌建设、提高城市公共交通运营能力，解决城市膨胀、人口剧增 带来的交通问题所采取的必要措施。因此各大城市均以此作为解决 城市交通环境问题的途径。城市轨道交通和城市之间的高速轨道交 通网络的建设已成为近年国家基础设施的重要投入项目之一，为国 家经济增长产生了巨大的拉动和促进作用。 目前，东部沿海经济发达城市和中西部大城市争先投入巨资建 设城市轨道交通，在建工程包括广州三号、四号线，北京四号、五 号、十号线，上海沪阂线，南京一号线，天津滨海线，重庆轻轨， 武汉轻轨，深圳地铁等；计划建设的有广州五号、六号、广佛线， 北京奥运支线，南京二号线，天滓二号、三号线，杭州地铁，苏州 地铁等。按照每公里投资以5 亿人民币计算，这是一个巨大的投资 领域，蕴含了巨大的商机，因此从事该领域的研究有着广阔的前景。 1 2 地铁车辆对牵引电机的基本要求 动力系统是地铁车辆的重要部分，作为动力系统的核心部件， 牵引电机更是重中之重。各种电动机各有长处，又各有不足。究竟 哪一种电动机最适合做牵引电机并没有定论。但纵观地铁的发展历 史，可以看出随着电力电子技术和计算机控制技术的发展，地铁牵 引电机已不再由调速性能优良而某些方面不尽如人意的直流电动机 所垄断，不难得出这样的结论：牵引电机在类型上有了较大的选择 余地，各种交流电动机如同步机、异步机以及许多特种电机都可以 j 匕京j j 毫大酵峰页士掌位截嚏一一绪论 用于地铁牵引。作为牵引电机的电动机或调速系统都必须满足一点， 那就是必须符合地铁车辆对于牵引电机的基本要求： 1 、由于地铁车辆频繁处于加速、减速等运行状态，即牵引电机 频繁的处于起动，制动等工况，这就需要调速系统有良好的控制性 能，使得牵引电机能够频繁的切换于电动和发电两种状态。 2 、效率高。地铁车辆不同于干线机车，它需要频繁的制动，因 此高效率可以从很大程度上节省电能降低运营成本。这就要求，牵 引电机能够运行于发电状态，将车辆制动或下坡时的动能转化为电 能并通过接触网回馈到牵引变电站或网上运行的其他车辆。 3 、类似于串励直流电动机的恒功机械特性。即低速时牵引力大 而高速时牵引力较小，这样能使牵引电机以额定功率在起动或低速 时获得较大的牵引力而不必为此增加功率。 4 、牵引电机和控制系统有足够的电应力。地铁车辆频繁起动、 制动以及两种状态的切换，对于牵引电机而言免不了产生冲击电流 或冲击电压。为了保证系统正常运行，就要有足够的电应力去承受 随时出现的过电流、过电压。 5 、环境方面的承受力。在地铁车辆的运行过程中各种环境因素 恶劣，因此牵引电机和调速系统的其他部件都要有良好的抗震、防 水、防尘、以及散热等性能以保证系统正常运行。 6 尽量高的可靠性，尽量长的维护周期。地铁车辆是用来运送 旅客的，这事关旅客的人身安全，因此可靠性是最重要的。至于长 的维护周期是从节省人力、财力等方面考虑的，当然前提是保证足 够的可靠性。 1 3 各种牵引电机比较 满足上述要求的牵引电机不之一种，目前地铁车辆采用的主要 有直流电动机和交流感应电动机。 1 、直流电动机 直流电动机的优点是机械特性好，具有良好的调速性能，缺点 是工作时电刷与换向器之间的换向火花和机械磨损不仅使电动机经 常需要维修和维护，而且还有能量损失，不利于向高速方向发展， 一2 北京变通大掣h 页士掣啦谗文一绪论 同时对整车的电磁环境有不良影响，在某些转速范围内效率较低。 电动机本身体积大、质量大、价格高。尽管如此，优良的调速性能 使得直流牵引电机仍是主要选择。我国的东风系列干线内燃机车都 是采用直流电动机作为牵引电机，北京环线地铁也是采用直流电动 机做牵引电机。 2 、交流感应电动机 随着电力电子技术的不断发展，交流感应电机也被应用于牵引 电机，并逐步显示出优越性。这种电动机的突出优点在于结构简单 牢固、经久耐用，转速极限高，成本低，体积小，效率超过直流电 动机，制动时还能将回收的能量回馈电网。但是其功率因数低，控 制装置复杂，还需使用复杂的变流装置。这些不利因素仍较大的影 响着交流感应电机在牵引领域的应用，然而这并不影响交流感应电 动机取代直流电动机的趋势。 3 、永磁同步电机 这是一种高性能的电动机。具有高转矩质量比和功率质量 比，尺寸较小，不需要激磁电流i 没有激磁铜耗，具有较高的系统 效率和功率因数。这种电动机的不足之处是永磁材料价格昂贵，性 能受工作温度影响较大，较难实现电动机最大功率的恒定输出，而 且，受到永磁材料工艺的影响和限制，使得永磁电动机的功率范围 较小，最大功率仅几十千瓦。永磁材料在受到振动、高温和过载电 流作用时，其导磁性能可能会下降或发生退磁现象，将降低永磁电 动机的性能，严重时还会损坏电动机，在使用中必须严格控制，使 其不发生过载。 4 、开关磁阻电机 磁阻电动机诞生于一百六十年前，但一直被认为是一种性能不 高的电动机。但是，二十世纪七十年代以后，随着电力电子技术与 计算机控制技术的发展，已逐渐发展成为一种新型驱动装置。开关 磁阻电动机可以看作是磁阻电动机和电力电子开关电路相结合而产 生的一种机电一体化新产品。它可以实现高精度、快响应、高效率 以及高输出的性能指标，目前其多项性能指标已能在较大功率范围 内不低于其他形式的电动机。 作为一种驱动装置，开关磁阻电机( s r m ) 综合了交流感应电 一3 一 j 匕京蓦：鞠，太掌萄k b 学位- 跨文一一嗣 论 动机和直流电动机的许多优点，被广泛认为是极具潜力的调速系统， 开关磁阻电机的主要优点包括： 结构简单，转子仅由硅钢片构成，没有任何形式的绕组，因 此不需要滑环、换向器等部件；而定子上只有简单的集中绕组，端 部连接短，没有分散绕组所需的相间跨接线。因此制作工序少、成 本低、工作可靠、可高速运行。 功率电路简单可靠。由于转矩与电流的极性无关，只需要单 向的电流激励，从理论上讲，开关磁阻电机的功率变换电路中每相 可以只用一个开关元件。而且每个开关元件都与电机绕组串联，不 存在p w m 逆变器中电源有直通两个开关的危险，功率电路的保护 电路可以简化，这样既降低了成本又提高了工作的可靠性，其成本 低于p w m 交流调速系统。 易于高速运行。由于明显的双凸极结构，转予上没有导体和 永磁体，以及开关频率相对较低，因此高速运行时s r m 只考虑叠片 的压装质量和轴承质量就可以。 起动转矩大，起动电流低。这是开关磁阻电动机的突出优点， 典型数据是百分之十五的额定电流可获得百分之百的额定转矩。这 一点明显优于直流电动机和交流感应电动机，而且起动转矩大，起 动电流小这一特点可延伸到低速运行段，因此十分适合类似于地铁 车辆的需要重载起动或低速重载运行的负载。 可控参数多，调整性能好。s r m 系统可以通过相电流幅值、 相绕组电压、开通角及关断角等的控制，得到满足不同负载要求的 机械特性，易于实现系统四象限运行等功能，控制灵活。并具有高 的起动转矩和类似于直流串励电动机的机械特性。 系统可靠性高。从电磁结构上看，各相绕组和磁路相互独立， 各自在一定轴角范围内产生电磁转矩，而从控制器结构看，各相绕 组单独供电，因此当电机的一相绕组发生故障时只需停止该相供电 即可，其他相照常工作，只是电机的输出功率有所降低，从这一点 讲开关磁阻电机调速系统是可靠性较高的系统。 由于采用了独特的结构和设计方法以及相应控制策略，s r m 控制系统的效率和出力在宽广的速度和负载范围内都可维持较高水 平，单位出力完全可以与交流感应电机相媲美。 一4 一 j c 京交通大学硕士学位论文一一绪论 图1 1s r m 剖面图 f i g 1 1s e c ti o np l a no fs r m s r m 的主要不足之处在于： 由于双凸极结构和磁路饱和的非线性影响，使s r m 的合成转 矩是含有一定谐波分量的脉动转矩，谐波的存在对s r m 的低速运行 性能有影响。 噪声和振动比一般的电机大，出线较多。 随着有关研究工作的深入，s r m 上述缺点通过对s r m 的优化 设计和采取更为合理的控制方案，是可以得到改进的。 1 4 地铁开关磁阻电机调速系统概述 开关磁阻电机调速系统( s r d ) 主要由开关磁阻电机、功率变 换器、控制器、位置检测、电流检测等构成。如图1 。2 所示。 1 、开关磁阻电机( s r m ) 开关磁阻电机是开关磁阻电机调速系统中实现机电能量转换的 部件，其主要优点前面已经有所论述。它可以设计成多种不同相数 的结构，而且定、转子的极数有多种不同的搭配。对于有自起动、 四象限运行要求的驱动场合，定、转子极数都应该有合理的组合方 案。 j e 京交通大掌砸士掌位论文一一辅。论 圈卜2s r d 系统构成框图 f ig 1 2s tr u c t u r e0 fs r d 2 、功率变换器 功率变换器的作用是将电源提供的能量经适当转换后提供给开 关磁阻电机，由第三轨的直流电供电。由于开关磁阻电机绕组电流 是单向的，使得其功率变换器主电路不仅结构较简单，而且相绕组 与主开关器件是串联的，因而可预防短路故障。开关磁阻电机的功 率变换器主电路的结构形式与供电电压、电机相数以及主开关器件 的种类等有关。 3 、控制器 控制器是系统的核心，它综合处理控制台指令、速度反馈信号 及电流传感器、位置传感器、以及故障保护电路的反馈信息，控制 功率变换器中主开关器件的工作状态，实现对s r m 运行状态的控 制，并完成必要的显示功能。 4 、开关磁阻电机调速系统的结构与性能特点 电机结构简单、成本低、适于高速； 功率电路简单可靠； 因为电机转矩方向与绕组电流方向无关，即只需单方向绕组电 流，故功率电路可以做到每相一个功率开关，电路结构简单。另外， 系统中每个功率开关器件均直接与电机绕组相串联，避免了直通短 一6 j 匕京j 江t 大荨颊士掌位雠一一绪论 路现象。因此开关磁阻电机调速系统中功率电路的保护电路可以简 化，既降低了成本，又具有高的工作可靠性。 效率高、功耗小； 开关磁阻电机调速系统是一种非常高效的调速系统。这是因为 一方面电动机转子不存在绕组铜耗，另一方面电动机可控参数多， 灵活方便，易于在宽转速范围和不同负载下实现高效优化控制。 高起动转矩、低起动电流； 从电源侧吸收较少的电流，在电动机侧得到较大的起动转矩是 本系统的一大特点。 可控参数多，调整性能好。 控制开关磁阻电动机的主要运行参数和方法至少有四种： ( 1 ) 控制开通角； ( 2 ) 控制关断角； ( 3 ) 控制相电流幅值； ( 4 ) 控制相绕组电压。 可控参数多，意味着控制灵活方便，可以根据对电动机的运行 要求和电动机的情况，采用不同控制方法和参数值，即可使之运行 于最佳状态( 如出力最大、效率最高等) ，还可使之实现各种不同的 功能和特定的特性曲线。 开关磁阻电机调速系统也存在着一些不足。例如振动噪声较大、 低速转矩脉动较大，并且相数越多，主接线数越多；需要根据定、 转子的相对位置投励，不能像异步电动机那样可以直接接入电网作 稳速运行，而必须与控制器一同使用等。 开关磁阻电机调速系统是由电机、位置传感器、功率电路和控 制电路所组成的机电统一体，各部分密切配合，缺一不可。电气传 动系统的传统设计方法都是利用已有的电机，然后在此基础上作系 统设计。设计电机时所作的优化仅涉及电机本身，对系统而言只能 称为“局部优化”，而开关磁阻电机调速系统因各部分不能单独使用， 只能是从系统总体性能优化的角度出发，而不是只考虑每一部分本 身的优化，这种设计方法同传统设计方法相比是一个质的飞跃j 实 际已经步入新兴学科“机械电子学”的范畴，在这种思想指导下设 计出的产品是典型的机电一体化产品。 j t 京交通夭窜硕士学位论文一一绪论 1 5 本文主要研究内容 主要内容有两部分： 1 、因为开关磁阻电机的可控参数多、效率高、起动电流小、起 动转矩大，结构简单，转子无绕组，完全由硅钢片叠成，坚固耐用， 机械特性类似于直流串励电动机，这些优点决定了它基本满足地铁 车辆对于牵引电机的要求。因此完成一套可用于地铁牵引的开关磁 阻电机控制系统是任务的第一部分，该系统以t i 公司数字信号处理 器芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为核心，实现了开关磁阻电机的数字化控制， 电机功率1 8 0 l j 矿，应用对象是北京环线地铁。主要工作包括绘制控 制电路原理图、印刷电路版图，完成硬件电路的焊接、调试。 2 、研制本调速系统用于地铁车辆的牵引是一种尝试，因此 需要进行大量的试验去验证和优化系统的控制方式并测试牵引电机 的性能，为此制作一套适合该系统的负载试验系统是任务的第二部 分。该负载试验系统主要由一台9 0 七矽的电磁调速电机构成，主要 工作是完成试验台的搭建，包括机械设备连接和相关电气连接，数 据采集系统的设计和连接，还包括一台9 0 | i 笼型异步电机的控制 柜。由于受试验设备和科研经费等非技术因素的影响，该系统的功 率等级并不足以对额定功率为1 8 0 形的牵引电机进行长时间的满载 试验。 j t 京交通太掌硕士掌位论文一一开美磁阻电机的基本原理 第二章开关磁阻电机的基本原理 2 1 开关磁阻电机的基本结构及原理 2 1 1 基本结构 开关磁阻电机是开关磁阻电机调速系统的执行元件，它的结构和工 作原理与传统的交直流电机有着根本的区别。它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一一磁阻性质的电磁 转矩。因此，它的结构原则是转子旋转时磁路的磁阻要有尽可能大的变 化。所以开关磁阻电动机采用凸极定予和凸极转子的双凸极结构，并且 定转子极数不同。 开关磁阻电动机结构有很多种，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。 图2 1 电机结构示意图 f i g 。2 1s k e t c hm a po fs r m 1 前端盖2 机壳3 吊环4 定子铁芯5 轴6 后端盖 7 固定环8 光电传感元件9 光电盘 10 风扇1 1 风扇罩 1 2 绕组 13 槽楔 14 转子铁芯15 接线盒 j e 京蓦：通犬掌硕士掌位论文一一开关磁殂电机的基本原理 图2 1 给出了一种开关磁阻电机结构，可见，该电机结构总体布局 与密封式笼型感应电动机结构基本一致，只是在后端盖和风扇之间增加 了角位移传感器。为了方便制造和增强零件的互换性，它的机壳前端盖、 接线盒以及轴身的形状和尺寸与后者完全一致。定子铁芯由硅铜片迭 成，迭装后压入定子机壳，这也与y 系列电动机相同。但是二者定子 冲片的形状却大不相同，这里定子冲片上只有1 2 个齿槽。转子铁芯也 是由硅钢片迭成，压装在转轴上。转子片上只有8 个齿槽，该开关磁阻 电动机为三相1 2 8 极结构。 2 1 2 工作原理 以1 2 8 极三相开关磁阻电机为例。图2 2 表示该电机的横切面和 一相电路的原理示意图，s l 、s 2 是电子开关，d 1 、d 2 是二极管，u s 是直流电源。它的定子和转子呈凸极形状，极数互不相等，转子由叠片 构成，无绕组，定子绕组可根据需要采用串联、并联或串并联结合的形 式在相应的极上得到径向磁场，转子带有位置检测器以提供转子位置信 号，使定子绕组按一定的顺序通断，保持电机的连续运行。电机磁阻随 着转予磁极与定子磁极的中心线对准或错开而变化，因为电感与磁阻成 反比，当转子磁极在定子磁极中心线位置时，相绕组电感最大，当转子 极间中心线对准定子磁极中心线时，相绕组电感最小。 图2 2 开关磁阻电机的工作原理 f ig 2 2p r i n c i p l eo fs r mo p e r a t i o n 当定子a 相磁极轴线o a 与转子磁极轴线o a 不重合时，开关s 1 、 s 2 合上，a 相绕组通电，电动机内建立起以o a 为轴线的径向磁场， 磁通通过定予轭、定子极、气隙、转子极、转子轭等处闭合。通过气隙 j e 京变通大国b 稠士学位- 硷文一一开关磁阻电机的基本原理 的磁力线是弯曲的，此时磁路的磁导小于定、转子磁极轴线重合时的磁 导，因此，转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，使转子顺时针方向转动，转子磁极的轴线o a 向定子a 相磁极轴线 0 a 趋近。当o a 和o a 轴线重合时，转子已达到平衡位置，即当a 相 定、转子极对极时，切向磁拉力消失，转子不再转动，此时打开a 相 开关s 1 、s 2 ，合上b 相开关，即在a 相断电的同时b 相通电，建立以 b 相定子磁极为轴线的磁场，电动机内磁场沿逆时针方向转过3 0 。，转 子在磁场磁拉力的作用下继续沿着顺时针方向转过1 5 。依此类推， 定子绕组a b c 三相轮流通电一次，转子顺时针转动了一个转子极距 tr ( tr - 2 ，n r ) ，对于三相1 2 ，8 极开关磁阻电机，tr = 3 6 0 。8 = 4 5 。， 定子磁极产生的磁场轴线则逆时针移动了3 3 0 。= 9 0 。空间角。可见， 连续不断地按a - b _ c a 的顺序分别给定子各相绕组通电，电动机内磁 场轴线沿a b c a 的方向不断移动，转子沿a c b a 的方向顺时针旋 转。如果按a c b - a 的顺序给定子各相绕组轮流通电，则磁场沿着 a 一b ，a 的方向转动，转子则沿着与之相反的a 。b c a 方向逆时针旋 转。 2 2 开关磁阻电机的仿真 建立开关磁阻电机数学模型，通常有以下三种方法：线性模型、 准线性模型( 分段线性模型) 和非线性模型。线性模型忽略了饱和及 边缘效应，认为绕组电感与电流无关。准线性模型将磁化曲线分段 线性化，近似考虑定转子齿极重叠时的饱和。以上两种模型，电感 参数有解析表达式，用于求解电机性能时，电流和转矩有解析解， 一般用于定性分析。事实上，由于电机的双凸极结构和磁路的饱和、 涡流和磁滞效应所产生的非线性，加上电机运行期间的开关性和可 控性，在电机运行期间绕组电感不是常数，而是电流和转子位置角 的函数。开关磁阻电机定予绕组的电流、磁链等参数随着转子位置 不同而变化的规律是很复杂的，难以用简单的解析表达式来表示， 因此很难建立一种精确可解的数学模型。 2 2 1 开关磁阻电机的数学模型 为了简化分析，忽略了铁芯损耗部分，并设开关磁阻电机的相 j e 衰交通大学硕士掌位论文一一开关肆# 阻电机的基本原理 数为m ，各相结构和参数对称。设p = ，埘相的电压、磁链、电 阻和电流及转矩分别为印、印、却、护、劢，转子位置角为口， 转速为o 。 1 、电压方程 根据能爨守恒定律和电磁感应定律，施加在各定子绕组端的电 压等于电阻压降和因磁链变化而产生的感应电势作用之和，第p 相 绕组电压方程： j 甲 ，2 彤+ 孑 2 - 1 2 、磁链方程 各相绕组磁链为该相电流与自感、其余各相电流与互感以及转 子位置角的函数： 、壬，p = 、壬，( ，；臼) ( 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间互感，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，这 时磁链方程可近似成： 甲，= 甲( ，口) = ( ，口) ( 2 3 ) 3 、转矩方程 根据机电能量转换原理，开关磁阻电机的电磁转矩表示为磁共 能对转子位置增加的速率 弓：旦! ；竽：丁( ，口) ( 2 4 ) 1 9 a 口 “p ”7 。 电机的合成转矩由各相转矩叠加而成 瓦= 丁( ，占) ( 2 5 ) d = l 4 、机械运动方程 ，冬= t 一占国一巧 出 。 。 ( 2 6 ) j e 京交通大掌硕士掌位论文一一开关磁阻电机的墨瘁原理 塑：( 2 7 ) 出 其中，i ，、b 、 分别为转动惯量、粘滞系数及负载转矩。 2 2 2 数学模型的求解方法 上述数学模型由于其严重的非线性，不可能得出解析解。因此， 在性能分析求解数学模型时不得不在实用和理想之间寻求一种折衷 的处理方法。到目前为止，人们针对磁链的变化，采用了以下几种 方法建立模型： 1 、理想线性模型 若不计电机磁路饱和的影响，假定相绕组的电感与电流的大小 无关，且不考虑磁场边缘扩散效应，可采用开关磁阻电机的理想线 性模型将磁链 f r p 近似为电流徊的线性函数，这种方法可了解电机 工作的基本特性和各参数间的相互关系，并可作为深入探讨各种控 制方式的依据，但求解的误差较大，精度较低。 2 、准线性模型 因为磁链p 的饱和区和非饱和区有不同的线性变化率，为了 近似地考虑磁路的饱和效应、边缘效应，可将实际的非线性磁化曲 线分段线性化，同时不考虑相间耦合效应。这样可以用解析式来表 示每段磁化曲线。可将矿。? 曲线分为两段( 线性区和饱和区) 或三段 ( 线性区、低饱和区和高饱和区) 。 3 、非线性函数拟合模型 将磁链即用一非线性函数近似拟合，函数的选取决定拟合的 精确度。 4 、查表法 该方法是把实测或计算所得的等角度、等电流问隔电机磁特性 数据矿( f ，目) 反演为等角度、等磁链间隔的电流特性数据f ( 矿，口) ， 连同矩角特性数据“f ，目) 以表格形式存入计算机中，然后用查表法 数值求解非线性模型，这种方法较为直接、也较为精确，既可用于 稳态分析，也可用于解瞬态问题。 2 2 3 以m a t l a b 为工具的仿真 为了进一步理解开关磁阻电机的电磁关系，以及直观的了解开 j e 隶交通太掌硕士掌位论文一一井关磁阻电机的基率原理 关磁阻电机的工作情况，我们以m t l a b 软件为工具对整个开关磁阻 电机系统进行了仿真。前面提到的数学模型的各种求解方法中，理 想模型实现起来最为简单，也能够定性的了解开关磁阻电机的运行 情况，但是，为了尽量准确的模拟实际中的运行情况，我们采用了 查表的方法进行仿真。所需的查表数据是用a n s o f t 软件进行的电 磁场计算的结果，如图2 3 ， 图2 3不同转子位置下磁链和电流的关系 f i g 。2 3r e l a t i o nb e t w e e n 掣a n dia t d i f f e r e n tr o t o rp o s t i o n 转换b 图2 4 系统仿真 j e 京交通大掌硕士掌位论文一一开关磁阻电机的基本原理 该曲线簇是不同电角度( 即转子位置) 下电流和磁链的关系。计 算时所需参数( 包括电机定转予结构、硅钢片的钢号、绕组铜线型 号等) 来源于实际的电机，可以说近似程度还是足够的。 有了甲( f ，占) 的关系，再加上开关磁阻电机的其他基本方程，就 可以进行仿真了。具体实现采用了m a t l a b 中的s i m u l i n k ，仿真 界面如图2 4 。 由于开关磁阻电机属于机电一体化的产品，也就是说只有电机 没有相应的控制器是不能运转的，因此仿真界面分为两部分，如图 所示，电机模型就是在前面分析的基础上建立的，主要是电磁关系 的数学模型。要想仿真电机运转还必须给电机一定的激励，这就需 要有控制器模型。该模型以系统采用的不对称半桥结构的主电路为 基础，控制策略也和实际系统采用的策略一致，在图中可以看出， 电机模型将电流、转速、位置等信息送给控制器模型，控制器模型 综合这些信息，还包括外加负载的信息，按照设计方案的算法将它 们综合起来计算并输出三相电压给电机模型，这也体现了开关磁阻 电机调速系统中控制器和电机密不可分这一特点。可以说这一仿真 属于整个系统的仿真，和实际的系统很接近，这一点通过比较仿真 结果和试验结果也可以看出。 ( a ) 起动波形 一1 5 j 匕京交通大学研士李啦莒宅- 文一一开关磁阻电机的蛊- # 原理 ( b ) 运行波形 图2 5 仿真结果 f i g 2 5r es u l to fs i 皿u l a t i o n 仿真结果如图2 5 所示，图( a ) 为起动时的三相波形，图( b ) 为运行过程中的三相波形，包括相电压、相电流、相电感等波形。 从电机的数学模型可知，电机在起动时电流很大，因此在控制方式 上采用了限流的措施，这在相电流波形图中的到了验证，另外，相 导通时关单管零压续流、相关断时关双管反压续流等控制方式在图 中都能体现，这一方面证明了该仿真的正确性，另方面也更进一 步加深了对开关磁阻电机运行原理的理解。 2 。3 开关磁阻电机的基本分析 2 3 1 电感与转子位置角的关系 由于开关磁阻电机的电磁转矩是磁阻性质的，又是双凸极结构， 其磁路是非线性的，加上运行时的开关性和可控性，使电动机内部 的电磁关系十分复杂。为弄清电机内部的基本电磁关系，有必要从 简化的线性模型，也就是上节所说的理想线性模型开始进行分析， 所得到的相绕组电感随转子位置角周期性变化的规律可用图2 6 说 明。 j e j c 交通大掌硕士掌位论文一一开j 撇阻电机的基本原理 哦u恤竹体u h 图2 6 电感与转予位置角的关系 f i g 2 6r e l a t i o nb e t w e e ni n d u c t a n c ea n d r o t o rp o s i t i 0 “ 图中横坐标为转子位置角，它的基准点即坐标原点口= o 的位 置，对应于定子凸极中心与转子凹槽中心重合的位置，这时相电感 为最小值三m 抽。在目j 口2 ( 口2 为转子磁极的前沿与定子磁极豹后 沿相遇的位置) 区域内，定转子磁极不相重叠，电感保持最小值l m i n 不变，这是因为开关磁阻电机的转子槽宽通常大于定子极弧，所以 当定子凸极对着转子槽时，便有一段定子极与转子槽之间的磁阻恒 为最大并不随转子位置变化的最小电感常数区；转子转过口2 后， 相电感便开始线性地上升直到口3 为止，口3 系转子磁极的前沿与定 子磁极的前沿重叠处，这时定转子磁极全部重叠，相电感变为最大 值工用卿；基于电机综合性能的考虑，转子极弧鼻，通常要求大于定 子极弧s ，因此在口3 p 4 ( 口4 为转子磁极的后沿与定子磁极的后 沿相遇的位置) 区域内，定转子磁极保持全部重叠，相应的定转子凸 极问磁阻恒为最小值，相电感保持在最大值上聊黜；从目一相电感开 始线性地下降，直到目5 处降为上埘伽，口5 、目j 均为转子磁极后沿 与定子磁极前沿重合处。如此周而复始，往复循环。 开关磁阻电机基于线性模型的绕组电感的分段线性解析式为 工( 9 ) = 罐 0 易玖矾反 q 岛岛良 睦 k k 硼k k j e 京变通太掌司i 士学位论文一畸关磁阻电机的基本原理 世：墨n 二生。：刍鹜二生i 皂一睦屈 2 3 2 电磁转矩的分析 根据能量守恒定律，在不考虑电路中电阻损耗、铁芯损耗和转 子旋转产生机械损耗的情况下，绕组输入的电能腑应等于结构中 磁储能孵与输出机械能之和，即为 d f 跆= d 阡挣d 阡锄( 2 9 ) 如果把电压“和感应电势p 的参考方向选得一致，根据电磁感 应定律，绕组电路的电压方程为 “= 一p = d 吼打 ( 2 一l o ) 绕组输入的电能可由其端电压、端电流计算，即为 d 耽= “泐 ( 2 1 1 ) 将式( 2 一l o ) 代入式( 2 1 1 ) ，得 d 乃毫= 嵇f ( 2 一1 2 ) 机械能可由电磁转矩r 和角位移目计算，即为 d 砌= 财目 ( 2 1 3 ) 将式( 2 1 2 ) 和式( 2 1 3 ) 代入式( 2 9 ) ，则得 d 阿”掣眵= 甜旺z 玎口( 2 一1 4 ) 式( 2 1 4 ) 表明，对无损系统，磁储能是由独立变量卿嚷示的 状态变量，磁储能由矫口研决定。当呦恒定值时，由式( 2 1 4 ) 得到 一般转矩计算式，为 丁：一! 墅竖旦( 2 一1 5 ) a 伊 在考虑转子处于任意位置时的电磁转矩时，可以假设转子无机 械转动，则由式( 2 9 ) 得 d 耽= d 矸丁( 2 16 ) 将式( 2 1 2 ) 代入式( 2 1 6 ) ，得 觋：r 埘甲( 2 1 7 哆3j 】埘甲 ( 2 1 7 设磁路中无磁滞损耗，再假设磁路为线性磁路( 这在气隙不太 小，磁路不太饱和时近似成立) ，则磁链呵由电感三表示为 j t 京交通大学硕士学位 吁赶一一开关碰阻电机的基本原理 鲈= 上f 将式( 2 1 8 ) 代入式( 2 一1 7 ) ，得到磁储能的计算式 驴：三工f 2 。 2 将式( 2 - 1 9 ) 代入式( 2 1 5 ) ，得 r ：土f z 丝 ( 2 一1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 由以上分析可得出如下结论： ( 1 ) 电动机的电磁转矩是由转子转动时气隙磁导变化产生的， 当磁导对转角的变化率大时，转矩也大。 ( 2 ) 电磁转矩的大小同绕组电流的平方成正比，即使考虑到电 流增大后铁芯饱和的影响，转矩不再与电流平方成正比，但仍随电 流的增大而增大，因此可以通过增大电流有效地增大转矩，并且可 以通过控制绕组电流得到恒转矩输出的特性。 ( 3 ) 转矩的方向与绕组电流的方向无关，只要在电感曲线的上 升段通入绕组电流就会产生正向电磁转矩，而在电感曲线的下降段 通入绕组电流则会产生反向的电磁转矩。 2 3 3 绕组电流的分析 当开关磁阻电机由恒压直流电源矾供电时，在绕组电感仅是 转子位置的线性函数的假设和忽略绕组电阻影响的情况下，由式 但1 ) 得 u 。：坐( 2 2 1 ) 。 出 将式( 2 1 8 ) 代入上式，得 搬= 三罢砌嚣 ( 2 _ z z ) 1 ) 在目目2 区段，三= 三m 拥，将i ( eo n ) = o ( oo n 为开始导通角) 代入式( 2 - 2 2 ) 中，解得 一1 9 j e 京交通太掣：司i 士掌位论文一一开关磁阻电机的恭本原理 f ( 占) ：兰出生( 2 棚) k i 式( 2 2 3 ) 表明，电流在最小电感恒值区域内是直线上升的，这是 因为该区域内电感恒为最小值，且无旋转电动势，因此开关磁阻电 动机相电流可在该区域内迅速建立。 2 ) 在口2 目彤区段( 目d 为关断角) ，将上述结果作为该区段 的初值条件，把式( 2 8 ) 代入式( 2 2 2 ) ，得 2 最 z a ， 同理可得 3 ) 在8 q 俨目3 区段，绕组电流为 f f 口) ：堡堡墅二垒二旦( 2 2 5 ) 、7 m 厶。i 。+ k ( 口一岛) 】 4 ) 在口3 口4 区段，绕组电流为 f 旧1 ：堡堡垒二垒二竺( 2 2 6 ) 甜k 5 ) 在口4 目5 区段，绕组电流为 = 蓑臻焉 z ， 、。 厶。一k ( 口一只) 】 显然，当目= 2 口够口d n 时，相电流已衰减至令。 这些分段电流函数可以用下面的通式统一描述，即 f p ) = 二2 ( ( 2 2 8 ) 由上式可知，绕组电流与外加电源电压矾、角速度甜、开通角 p d ，z 、关断角目哳最大电感三m 甜、最小电感上册帆定子极弧卢j 等有关。对结构一定的电动机，在口d n