（电机与电器专业论文）开关磁阻电机isad系统中起动发电性能和损耗的研究.pdf

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： 络磊 日期：2 ，矿g 年多月9 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究的背景及意义 第一章绪论 近几年来，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。 当前普遍使用的燃油发动机汽车存在种种弊病，统计表明在占8 0 以上的 道路条件下，一辆普通轿车仅利用了动力潜能的4 0 ，在市区还会跌至2 5 ， 更为严重的是排放废气污染环境。2 0 世纪9 0 年代以来，世界各国对改善环保的 呼声日益高涨，各种各样的电动汽车脱颖而出。替代燃油发动机汽车的方案也越 来越多，例如氢能源汽车、燃料电池汽车、混合动力汽车( h e v e v ) 等。但目前 最有实用性价值并巳有商业化运转的模式，只有混合动力汽车。所谓混合动力就 是将电动机与辅助动力单元组合在一辆汽车上做驱动力，辅助动力单元实际上是 一台小型燃料发动机或动力发电机组，让一部分动力由电池电动机系统承担。 这种混合动力装置既发挥了发动机持续工作时间长，动力性好的优点，又可以发 挥电动机无污染、低噪声的好处。 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川。 1 2i s a d 系统简介 起动助力发电一体化系统i s a d 和i s g ( i n t e g r a t e ds t a r t e rg e n e r a t o r ) ， 是一种新颖的混合动力实现形式，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一身，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 江苏大学硕士学位论文 数据，i s a d 系统已经使皮卡的燃油经济性至少改善了1 5 ，效果明显。据有关 方面预测，美国的所有汽油电力混合动力汽车最终都要装上这种整体式起动机一 发电机装置。在日本，丰田汽车致力于混合动力汽车研发，丰田p u s 并在美国 市场投产。c o n t i n e n t a l 、b o s c h 、，a l c 0 、鼬c a r d 、f o r d 和d e l p h i 等公司都在致力 于i s a d 技术的研究。汽车i s a d 系统必将取代目前传统的起动、发电系统，成 为未来汽车上最重要的装置之一。 我国近年来也非常重视该技术的发展，并将汽车i s i s g 课题列入“十 五”8 6 3 计划。南京航空航天大学开关磁阻电机课题组自1 9 9 5 年开始正式对航空 用s r 电机起动发电系统进行研究，目前已有一套成熟的起动发电系统仿真软 件，可进行电动、发电稳态分析以及动态分析，可进行系统的优化设计；先后研 制了以m c s 8 0 9 8 、m c s 8 0 c 1 9 6 k c 为控制核心的起动发电实验系统，对发电的 机理、起动特性、发电运行时的电压品质及系统的可靠性等做了大量的实验与深 入的研究。此外西北工业大学在近几年也开展了航空用2 7 0 v 高压直流s r 起动 发电机开发研究，国内对s r 电机起动发电系统的研究获得可喜的进展。 1 4i s a d 中开关磁阻起动，发电机系统结构 i s a d 中开关磁阻起动发电机系统主要是由开关磁阻电机s r m 、功率变换 器、控制器和位置检测器四个部分组成【2 】【3 】【4 1 。 1 ) 功率变换器 功率变换器是s r 电机运行时所需要能量的供给者，在整个s r d 成本中，功 率变换器占有很大的比重，合理选择和设计功率变换器是s r d 的性能价格比的关 键之一，功率变换器主电路形式的选取对s r 电机的设计也直接产生影响，应根 据具体性能，使用场所等方面综合考虑，找出最佳组合方案。 目前，s r d 常用的功率变换器主电路有许多种，应用最普遍的如下三种： 江苏大学硕士学位论文 r 7v jj v o zi 一 慕 ，( a ) 图2 4 开关磁阻电机一相绕组的矽，轨迹 而其下方的区域面积对应该点磁共能大小，f 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。 在任一运行点a 处的七相绕组的瞬时转矩可根据虚位移原理求得： 露= 普b 。删 ( 2 - 8 ) 其中，磁共能以= 似( 口，i 。) 以，a 即为耦合磁场在转子位移增量么口内的 磁共能增量。代入式( 2 - 8 ) ，得 瓦= 胖以 因此相数为m 的开关磁阻电机总的瞬时转矩为： 互= 喜刍咿以 2 3s r 电机模型 ( 2 9 ) ( 2 - l o ) 1 线性模型 影响s i m 运行特性的最主要因素是s r 电机相电流波形、电流的峰值和峰 值出现的位置。然而，s r 电机运行时绕组电流即非恒定直流量，亦非交变的正 弦量，而且起波形还随着电机的运行状态而变化，这些都给相电流的解析计算带 l o 江苏大学硕士学位论文 2 准线性模型 s r 电机一般运行在饱和状态，因此用理想线性模型计算其性能误差比较 大，但是如果考虑磁路的非线性，则使得计算过于复杂。因此为了近似地考虑磁 路的饱和效应和边缘效应，通过将实际的非线性磁化曲线分段线性化，并且不考 虑相间的耦合。作了这样的假设后，就可以用解析式来表示每段磁化曲线，此即 称为准线性模型。 分段线性化的方法有许多种，图2 6 给出了s r w 电机性能分析中常用的一种准线性模型的磁化曲线， 即用系列分段直线来近似一系列非线性磁化曲线。其 中，一段为磁化特性的非饱和段，此时电流小于i 1 ， 电感未达到饱和，斜率为电感的不饱和值；另一段为 饱和段，此时电流大于i l ，电感进入饱和区，斜率为厶砌 基于图2 6 的s r 电机准线性模型，可写出绕组电 感的分段解析式 三( p ，f ) = 上，m i n 厶。i 。+ k ( p 一岛)o f k i n + k ( 9 一岛) ff k ；o f f i k i n + k 。ff 三妇一k ( p 一幺)o f k i 。+ 生型竺盟f i f i l 图2 6 准线性模型s r 电机磁 化曲线 舅p 岛 岛臼岛 ( 2 1 2 ) 岛乡只 幺目岛 式中0 l ，0 2 、0 3 0 4 、0 5 、l l n i n 、l m x 和k 的含义与式( 2 1 1 ) 的一致。 此时，磁共能= f 甲( f ，p ) 旃= f ( 9 ，f ) 砌 由前面的分析可得准线性模型的瞬时电磁转距分段解析式 瓦( f ，秒) = o l 2 施2 k o 一2 ) o l 2 鼢2 一k ( f f i 2 ) q 9 岛 0 f f 岛秒岛 ( 2 1 3 ) o f b 9 幺 f 幺p 岛 1 2 江苏大学硕士学位论文 由式( 2 1 3 ) 可见，当s r 电机相电流很小时，磁路不饱和，瞬时转距t a 与电流平方成j 下比，这与基于简化线性模型推出的式完全一致；而若绕组电流较 大，则s r 电机运行在饱和状态，这时瞬时转距t a 与电流一次成正比。这种特 性与串励直流电机是相同的。 3 非线性模型 对于s r 电机性能的计算，对稳态运行特性进行仿真，必须采用非线性方 法。可大概分为两大类。 第一类是以数值方法或实验方法所获得的完整的电机磁化曲线为基础，建 立数据库或对磁化曲线进行模化，从而计算电机的运行性能。 第二类是利用s r 电机几个特殊位置的磁化曲线，将电流或磁链作为转子 位置角的函数进行模化，插值求取中间位置磁特性。该方法以对齐和不对齐位置 磁化曲线为基础，推导出电磁转距的解析计算公式，具有很快的计算速度和较好 的计算精度【2 1 。 性能计算准确性和快速性的协调统一是实现s r 电机优化设计的必要条件。 非线性磁参数法等方法计算准确，但速度比较慢，且不适宜于要求计算大量方案 的优化设计。 2 4s r 电机的起动发电原理 下面以三相6 4 结构的电机为例，根据以上线形模型下所得的方程，采用线 性模式分析3 】【1 8 】。我们假设电机磁路不饱和，因此，相绕组电感( 9 ) 与电流无关。 定义每相定子齿轴线与转子槽轴线的夹角为o ，当某相定子齿轴线与转子槽 轴线重合时该相处于o 。位置，此时相绕组电感为最小值k 。；而当定转子齿轴线 相互重合时则为4 5 。位置，此时相电感具有最大值三一。各相在一周期内o 。4 5 。 区间钇a 口 0 ；4 5 0 9 0 0 区间，钇a p 0 的区间内形成电流，产生正转矩，即可产生机械 能，电机可作电动工作；若在强a 口 o 的区间内形成电流，产生负转矩，即电 机吸收机械能，并把它转换成电能输出，故电机也可作为发电工作。这就是说， s r 电机只需位移主开关导通时间，就能实现电动、发电的可逆运行。 2 5s r 电机的控制模式 s r 电动机调速系统的控制参数主要有开通角、关断角、主电路电压以及相 电流，因此控制方式灵活多样，且与传统电机的控制方式存在较大差异。常用的 控制方式主要有电流斩波控制( c c c ) 方式、角度位置控制( a p c ) 方式，以及 脉宽调制控制( p w m ) 控制方式【3 】【6 】【9 】【3 5 1 。 2 5 1 角度位置控制 直流电压的斩波频率和占空比确定时，加于相绕组两端的电压大小不变的情 况下，可通过调节s r 电机的主开关器件的开通角气和关断角的值，来实现转 距和速度的调节，此种方法便称之为角度位置控制( a p c ) 。尤其是当电机转速较高， 1 4 江苏大学硕士学位论文 旋转电动势较大，电机绕组电流相对较小时，最宜采用此种控制方式。 角度位置控制是通过控制开通角气和关断角来改变电流波形以及电流 波形与绕组电感波形的相对位置，这样就可以改变电机的转距，从而改变电机的转 速在电机正常运行时，应使电流波形的主要部分位于电感波形的上升段；在电机 制动运行时，应使电流波形位于电感波形的下降段。改变开通角，可以改变电流的 波形宽度、电流波形的峰值和有效值大小以及电流波形与电感波形的相对位置； 改变关断角一般不影响电流峰值，但可以影响电流波形宽度以及与电感曲线的相 对位置，电流有效值也随之变化，因此，关断角同样对电机转距和转速产生影响， 只是其影响程度没有眈。那么大。故一般采用固定关断角，改变开通角气的 控制方式。 2 5 2 电流斩波控制 开关磁阻电机在基速以下运行时，由于转速较慢，旋转电动势较小，绕 组电流上升率较大，为避免过大的电流和磁链峰值，获得恒转矩机械特性，采用 电流斩波控制( c c c ) 方式。常见的c c c 方式是保持气、不变，通过主开 关器件的多次导通和关断将电流限制在给定的上、下限值之间，并借此控制转距。 电流斩波控制一般有两种方法：一种方法是限制电流的上限和固定关断时间；另 一种方法就是限制电流的上、下限。 1 限制电流上、下限 当相电流高于给定电流上限厶甜，时，就关断主开关；当相电流低于给定电 流下限厶础时，重新导通主开关，向绕组供电。其优点是电流波形平整，脉动 小；但主开关的开关频率不易控制。 2 限制电流上限和并恒定关断时间 与上面方式相比，区别在于绕组电流达到给定的最大值k 后，将主开关固 定关断一段时间f 再开通，迫使相电流下降，电流下降多少取决与电感量、电 感变化率、转速以及出的大小等因素，该方式电流的下限是变化的。垃时间选 取很重要，f 过大，相电流的脉动大；& 过小，斩波频率高。该方式优点能控 制斩波频率。 江苏大学硕士学位论文 2 5 3 脉宽调制控制 脉宽调制( p w m ) 控制方式的实质是通过调节绕组两端的励磁电压来控制电 磁转矩。具体方法是固定以n 和阮加用p w m 信号调制主开关器件相控信号，通 过调节p w m 信号的占空比，从而调节励磁电压加在相绕组上的的有效时间宽 度，改变相电压的有效值，进而改变输出转矩。p w m 方式可控性较好，在基速 以上或基速以下的范围都可以应用，适用于转速调节系统。通过对转速的给定值 和实际转速的反馈值之差进行p i 运算，调节p w m 信号占空比，达到转速快速 响应。缺点在于导通角度始终固定，功率元件开关频率高，开关损耗大，影响了 系统效率。 2 6 本章小结 本章主要介绍了开关磁阻电机的基本理论，利用理想线性数学模型分析了电 机的特性，通过对其特性的分析，可以看出开关磁阻电机有多个控制参数，控制 方法非常灵活。 1 6 江苏大学硕士学位论文 第三章 is a d 系统硬件设计 3 1 i s a d 系统的组成 车用i s a d 系统是集起动、助力、再生制动发电于一体的机电一体化系统。 汽车起动时s r 电机作为起动机，以最大的恒定电磁转矩将发动机迅速拖动至怠 速，使得发动机能够在瞬间点火成功。在轻载或正常行驶过程中，s r 电机不工 作，而在爬坡或者超车加速的时候，s r 电机则作为辅助动力来提供助力扭矩， 此时s r 电机在怠速以上的恒功率区，作电动助力运行。汽车在减速制动工况或 者j 下常运行过程中车载电池组电量不足时，s r 电机在发动机的拖动下作发电机 运行，把机械能转化为电能，为电池组充电。高效率的i s a d 系统还可以减少汽 车发动机的油量损耗和废气排量。由此可见，s r 电机作为i s a d 系统的驱动电 机，对于其起动、助力、发电等整体性能起着至关重要的作用。 六相电流 功率变换器 新倦虿e l流检测j i 触发脉i 黼ll斟凿号p 光电式位置 传感器 d s p2 8 1 2 控制器 懋鎏k j 传感器i 母线电流 霍尔电压 传感器 母线电压 图3 1 开关磁阻电机的调速系统原理框图 本文设计的开关磁阻电机的调速系统( 1 s a d 系统) 原理框图如图3 1 所示。 该系统包括1 2 l o 结构开关磁阻电机、汽车发动机、功率变换器、蓄电池、主控 制器、光电式位置传感器、霍尔电流传感器和霍尔电压传感器等。功率变换器采 用不对称半桥型电路结构，蓄电池给功率变换器提供直流电源。一路霍尔电流传 感器检测蓄电池输出的电流，防止过流，六路霍尔电流传感器检测s r 电机中六 个线圈的相电流大小，实现过流保护，霍尔电压传感器检测蓄电池的端电压，防 止过压。光电式位置传感器将检测到的s r 电机位置信号送给d s p 2 8 1 2 控制器， 1 7 江苏大学硕士学位论文 如图3 2 中，同一相的两个主开关都共用一个开关控制信号，当s 1 和s 7 同 时导通时两个主开关导通二极管截止，在一相回路中产生电流，为该相励磁。当 s 1 、s 7 关断，电流通过正向导通的两个续流二极管回馈给蓄电池组。电容c 吸 收部分磁场能量，其余能量回馈电源，起到了储能和稳定电压的作用。相与相之 间不直接构成回路，且各相间相互独立，保证一相发生故障导致缺相情况下电机 仍能运转。 图3 2 六相不对称半桥型功率变换器主电路 输出的六路触发脉冲信号要由驱动电路来驱动功率变换器的m o s f e t 管，关 于主开关管的选择，我们采用的是n 沟道的功率型m o s f e t 。因为m o s f e t 具有很 高的输入阻抗，属于电压驱动型开关管， 栅极要求驱动电流很小，驱动损耗小，而 挖椭号 且，m o s f e t 没有少数载流子存储时间，因 此，它的开关延时很短，具有更快的开关 船m 速度和很高的开关频率。这些特性对于开 图3 3 主开关驱动电路 关磁阻驱动系统来说，具有很重要的意义。另外，已有一些小功率的开关磁阻调 速系统的实践证明，m o s f e t 可以取得较好的效果，而成本却低于i g b t 。相对i g b t 来说，m o s f e t 的缺点是：通态电阻偏大。而对于驱动电路的设计，为了能够可 靠地驱动主开关，则采用了成本较低，驱动可靠的专用集成驱动芯片h c p l 3 1 2 0 ， 驱动电路如图3 3 所示。其中m c l 4 1 3 为反向缓冲器。 1 9 江苏大学硕士学位论文 3 3 控制器的设计 在l s a d 系统中s r 电机存在起动、助力、发电多种控制方式的切换以及s r 电机的非线性特点这就决定了控制会相对的复杂，所以为了避免控制器中的硬件 电路过于庞大，同时为了发挥s r 电机控制方式灵活多变的优势，我们采用了 d s p 加c p l d 的数字控制器【3 3 】【3 5 1 。 3 3 1 控制器系统构成 霍尔电渊；= 习a 符i 电流 传感器e ：j比较 霍泵嘶 传感器 d a 电址比较 电流比较 竺蝎嚣i 释嘉塞糯h 器嚣p 外部 总线 接l l 蛄刳靶l l _ 一事件管理 控制嚣p 刊+ 。苫篙 d s p 2 8 1 2 捕扶 单元 光也j 7 咒f 必嚣 图3 4i s a d 数字控制系统原理图 图3 4 是i s a d 数字控制系统的原理图。i s a d 数字控制系统采用t i 公司的 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 作为主要控制器，其外围电路包括c p l d 硬件控制电路、位置 检测电路、电流检测电路、电压检测电路、d a 单元、电流比较电路、隔离电路、 功率变换电路等。蓄电池输出电压、电流经霍尔电压传感器和霍尔电流传感器及 信号调理电路转化为电压信号，一方面通过d s p 的d 通道进行采样转换为数 字量，控制器依据此实时监控i s a d 系统运行状况，另一方面送给比较电路与电 压保护限、电流保护限进行比较实现过流、过压保护。s r 电机的六相电流经六 个霍尔电流传感器进行电流检测并转换为电流信号，分别与d a 输出的电流斩波 限进行比较，若某相电流超过斩波限，即关断该相，延时1 个输入时钟脉冲再开 通该相，如此反复控制，实现低速时对相电流的斩波控制。光电式位置传感器检 江苏大学硕士学位论文 测s r 电机的位置，同时送给c p l d 的综合逻辑和d s p 2 81 2 的g p i o a ，c p l d 的综合逻辑将p 、q 、r 三路位置信号进行三倍频得到方波z 信号。d s p2 8 1 2 根 据事件管理器e v a 的捕获单元捕获的位置z 信号作为计算速度和转子定位的参 考信号，并读取a d c 模块采样得到的蓄电池母线电流、蓄电池电压、油门信号 判断系统工况，决定功率变换器各相m o s f e t 管导通关断，进而输出六相触发 信号经保护电路和电流斩波电路以及隔离电路驱动功率变换裂3 】【l 引。 3 3 2d s p 控制器 一 a ) d s p 控制器 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列d s p 集微控制器和高性能d s p 的特点子一身，具有强大的 控制和信号处理能力，能够实现复杂的控制算法。t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列d s p 片上整 合了f 1 a s h 存储器、快速的a d 转换器、增强的c a n 模块、事件管理器、正交编 码电路接口、多通道缓冲串口等外设，此种整合使用户可以以更便宜的价格开发 高性能数字控制系统1 2 3 1 。 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列d s p 功能模块如下： 1 ) f 1 a s h 内存 c 2 0 0 0 f l a s h 存储器大小为8 一1 2 8 k b 并提供分区f 1 a s h 内存，允许改写没个分 区，而不清掉整个f 1 a s h 内存。 2 ) 时间管理器 定时器比较器模块减少了c p u 完成时间定时采样循环及p w m 生成等任务的开 销；可编程死区设置；捕捉单元和正交编码电路能够同检测元件直接接口；p d p 中断为系统提供无条件保护。 3 ) 模拟数字转换器 1 2 位模拟数字转换器；f 2 8 1 2 最快转换时间为6 0 n s ：外部模拟数字转换及 时间触发的模数转换不需占用额外c p u 时间；具有双缓冲的结果寄存器，减少中 断到取得转换结果所需要的时间：1 6 个模拟输入通道；转换自动排序器可增加 通道数目，而不需c p u 介入。 ， 4 ) 串行通信接口 异步通信格式；数据长度卜8 位可编程；可编程停止位长度1 或2 位：错误 检测；线空闲唤醒及地址位唤醒；半双工或双全工操作；c 2 8 x 有1 6 层的接收及 2 i 江苏大学硕士学位论文 封锁各相触发脉冲。 3 4 反馈信号检测 s r d 的反馈信号一般有位置、速度、电流等。 s r d 工作在自同步状态。位置闭环正是s r d 有别于步进电动机传动系统的重 要标志之。转子位置信号是各相主开关器件正确进行逻辑切换的根据。 s r d 低速运行时，为调节转矩和限制绕组电流的幅值，通常采用电流斩波控 制，这必须准确可靠地检测出实际相电流的大小；即使采用电压斩波控制和高速 运行中的a p c 控制，为防止系统过载或故障运行，亦需随时监测绕组的实际电流。 因此，电流检测也是s r d 中必不可少的。 s r d 作为一种性能优良的变速传动系统，为保证系统具有优良的动、静态性 能，必须依靠速度控制环节进行速度闭环控制。毫无疑问，速度检测自始至终也 是系统实际运行所必需的。 综上所述，准确检测上述三种反馈信号对保证s r d 达到预定的性能指标具有 十分重要的意义【3 1 。 3 4 1 位置信号检测 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，以确定对应相绕组是开通还 是关断。 位置检测分为直接和间接两种方案。直接法采用电磁式、光电式、磁敏式等 位置传感器，间接法则是硬件电路或者是软件的分析得到转子位置的信息。 本系统中我们采用直接法安装的是光电式位置传感器。由于1 2 1 0 结构的s r v g 、t 、 输出的位 置信号 图3 6 光电脉冲发生器电路 江苏大学硕士学位论文 电机转子是1 0 齿槽结构，齿槽等宽1 8 度，所以安装三只光电传感器在电机的机 壳上，相互间隔4 2 度。而光电传感器的型号采用h k 2 l 。图3 6 是光电脉冲电路 图。 3 4 2 速度检测 对于s r 电机一路转子位置检测信号的频率为 厂： 笠竺 。 万( m 一，) 由此可见，转子位置检测信号的频率与电机的转速成j 下比，测出转子位置检测信 号的频率即间接测得了转速。由于s r 位置检测输出信号为数字信号，所以其转 速测量不需要采用测速发电机或脉冲发生器等附加器件，十分简单可行。 3 4 3 电流检测 s r 电机的相电流检测是s r 电机电流斩波控制方式运行的需要，也是过电流 保护的需要。 s r 电机中电流检测器应具备如下的特点： 1 ) 快速性能好，从电流检测到控制主开关器件动作的延时应尽量小； 2 ) 被检测主电路和控制电路问应良好隔离，具有一定的抗干扰能力； 3 ) 灵敏度高，检测频带范围宽，可测喊有多次谐波成分的直流电流； 4 ) ，单向电流检测，在一定工作范围内具有良好的线性度。 鉴于s r 电机功率变换器中输出的相电流是单向脉动的，所以主要有如下几种 检测电流的方法： 1 ) 电阻采样 2 ) 直流电流互感器 3 ) 霍耳元件采样 4 ) 磁敏电阻采样 i s a d 系统对于电流检测的要求是：响应速度快、线性度高，并且电气隔离 性好。本文选用的是霍耳电流传感器，型号是c s m l 0 0 b 。其额定输入电流1 0 0 a ， 额定输出电流信号5 0 n 迭，电源电压为1 2 1 5 v ，频带宽度2 0 i 洫，精度o 2 ， 响应时间小于2 p s 。 江苏大学硕士学位论文 3 5 本章小结 本章针对六相1 2 1 0 结构开关磁阻电机的控制需要，阐述了i s a d 硬件部分 的功率变换器、控制器等的设计，为后面的起动发电性能的仿真研究和对电机的 优化提供了硬件基础。 江苏大学硕士学位论文 第四章六相12 10 开关磁阻电机的起动发电仿真研究 4 1s r 电机主要参数计算关系 一般来说，开关磁阻电机的设计包括电磁设计、结构设计以及工艺设计等几 个方面。其中电磁设计是核心内容，我们根据开关磁阻电机的设计目标、技术要 求和开关磁阻电机的理论和计算方法，进行主要结构参数和性能的设计；再根据 计算机仿真结果进行校核，不断调整设计参数，以获得我们需要的合理的结果 【1 8 】【2 0 】【4 1 1 。 下面我们就从开关磁阻电机电磁设计开始，来确定电机的合理尺寸。为了使 方程能够简洁、明了地反应各参数之间的关系，我们把方程进行了必要的简化和 假设。所下面我们采用线性模型来求解，并忽略了互感的影响，这样以电动状态 分析开关磁阻电机一些具体参数关系如下： 1 ) 电磁转矩 每相的电磁转矩： = 扣等= 扣岩 件， i 锄为出力半周期的相电流平均值。 电机额定转矩乃： 瓦= 壹= 筹= 孚 件2 ， l 2 再2 i i 2 彳 一。2 其中p 为额定功率，n 为额定转速( 单位r m ) ，m 为电机的相数，乙为每相的平 均转矩。 2 ) 电流( 母线电流+ 相电流) 电机的母线电流1 蛔 k 2 南 ( 4 3 ) 其中刁为电机效率，u 是电机的输入电压。 因为假设电机是线性模型所以它的电感是线性变化的相电流呈方波，所以每相平 江苏大学硕士学位论文 因为秒：拿：三 2 z 将其代入电磁转矩公式可得： d ，： 鱼q 丝互竺 ： q k 。j c 死m n a s zr b 26 k 6 ( 4 1 5 ) 其中c = 王 由于电机其它因素的影响，一般我们要加上一个系数( 饱和系数) 则： d ，：0 里鲤r ( 4 1 6 ) ( 1 一k ) c 7 m ，z 吼z ，b 2 j 七万 有了上面的公式之后，我们可以根据设计要求( 比如功率、额定转速，额定电压 等) 来确定开关磁阻电机的基本尺寸，同时也可以改变定转子齿数、绕组相数， 定转子极弧系数，气隙，气隙最大磁感应强度等参数，以得到各种不同大小尺寸 和性能指标的电机，直到符合我们的设计要求。 4 2s r 电机结构设计 电机的主要设计方法是根据s r 电机主要参数计算关系以及电机的设计目 标，确定s r 电机主要参数的初始值，见表4 1 ，采用a n s o f t 公司的r m x p r t 电 机设计软件来进行开关磁阻电机的设计和优化设计。其主要参数输入界面如图 4 1 4 4 。 表4 12 5 k w 六相开关磁阻起动发电机的初始给定结构参数 t$t$l4l4d,d, 定 江苏大学硕士学位论文 o p t t y p ，t二 ，+ 一 一 l - at ，c tp f ： r t do u p u tp 25 j l r t e dv 0 1 t e 菘一冒一习 r t ds p d。1 0 ；。p 二j o p t l n gt ”p t ui 手一互五一；1 确定取诮 j 一“ ( a ) 电机额定参数输入截面 - w _ t4 - ?# ( b ) 电机驱动电路选择 l _ i = “i 蕊_ t 焉一“j ：i 百矗一正并i 焉一一l k “h 4 “h 7 o d o d - h “d n f p 7 i 曼t r - ”p n ，- a 也 l “”t r 州p - l l 。t r ? o v “坤o 4 f 7 i nn “h 2 v r 。l t p * 。c _ a 1罐 c - 日4 0 _ - n if hl ；h - 堆：l一，9 h n t f o r 靠 i f 一 。| ( c ) 电路参数输入 图4 1 电机基本参数输入界面 ! 。r 二= 赢j j 二j l 燕j i = 了匿e ；：三曼t 薹蔓置互一j i 五二_ = 三三三五 0 d r0 iz “t 口m “t k i m 十， 一 i m r f h l n n t一_ _ h q “口【t m 一 。f h “fr 0 * s 幽叶f c f h - - ：1 + ”1 5 一蟹一 ：f m t ：一 ；- 4 h 【。【p n - ：zf 口。l h h k 06， ：1 k - c j-tjhlhlc “： ：h 女= “j 。 s b ，md d n _ ，* l 图4 2 定子板参数输入界面 “一 t 已：墨二二i 二二二二：碴t 二二二、受蕊l 囊i 爱薹兰【：= 二二二二二二二坠强 l i u d m nm c h - 5- m d ft ha d - b t -。l l 爱裂簏。 ： 。哆= 黑舞：量黑i l t p “r 0 1 - b a f 叫“，。l 0 f t - _ fs “ s s - i _ d ( m w f _ - r q0 一d 1 “- qu l c b 一一5 “竺生兰一! 熙一 i f n z 一o 一“1 弘 图4 3 定子参数绕组输入界面 江苏大学硕士学位论文 图4 4 转子极参数输入界面 经过参数化设计和优化设计，确定1 2 1 0 结构开关磁阻起动发电机的基本参 数如表4 2 。 表4 22 5 k w 六相开关磁阻起动发电机的基本结构参数 定子极数转子极数定子极弧转子极弧定子外径定子内径 1 21 00 4 5o 3 52 6 0 m m2 0 ( ) m m 转子内径每相匝数定子轭高转子轭高气隙叠厚 1 1 6 m m3 01 2 m m 2 5 3 m m0 7 m m7 7 m m 4 3s r 电机起动发电性能仿真研究 4 3 1s r 电机不同起动方式起动性能仿真分析 s r m 的起动比较简单，无需辅助设备，研究表明三相或者三相以上的s r m 可在任意转子位置正反方向起动，s i w 的优点之一是具有良好的起动性能：起 动转矩大、起动电流小、起动时间短。 两相同时通电起动方式起动转矩与单相起动方式相比，最小起动转矩大得多 带负载能力明显增强，而且最小起动转矩和最大起动转矩比值减小，所以起动比 较平稳。再者，若负载一定，两相起动所需的起动电流幅值将明显低于一相起动 所需的电流幅值。所以，两相起动性能优于单相起动。几相起动方式的选择其实 是由开通角和关断角的组合决定的，而对于我们采用的六相1 2 1 0 的s 蹦可以 采用两相( 1 3 周期导通) 、三相( 1 2 周期导通) 的混合起动方式，其最小起动转矩 明显增大，与最大起动转矩的差距相差不多。 在起动和低速时，一般采用电流斩波( c c c ) 控制方式，以避免过大的电流和 磁链峰值。常见的c c c 方式是保持包。、不变，通过主开关器件的多次导通 和关断将电流限制在给定的上、下值之吲9 】【1 0 1 【2 4 1 【4 3 1 。 江苏大学硕士学位论文 将曲轴加速到一定的转速即最低起动转速( 汽油机为6 0 l o o r m i n ，柴油机为 1 0 0 3 0 0 r m i n ) 后开始点火，图4 1 1 是带变负载时的速度曲线，速度先快速增 加，然后增长速度有所下降最后再快速上升到3 0 0 n ，i i l i n 后速度曲线出现波动， 所以开关磁阻电机完全能满足i s a d 系统起动的需要。 t 矾_ h r - 图4 1 0s r 电机输出转矩波形图4 1 1 起动速度曲线 4 3 3s r 电机发电性能仿真分析 1 ) 固定导通角1 2 周期导通时发电性能仿真 如图4 1 2 4 1 4 是用a n s o f t - _ m a x w e l l2 d 有限元电机仿真软件进行的1 2 周期的瞬态发电性能仿真波形。 2口 - _ 六相电流波形 图4 1 2 = 8 。， ，锯删锨杉 协爨够锃移饥分 、m 帅例例m i i - - d ( b ) 励磁电流和续流电流波形 = 2 6 发电性能仿真波形 氟漱鳞鳓撕燃蝴喇磷 -_s_in ( a ) 六相电流波形( b ) 励磁电流和续流电流波形 图4 1 3 = 1 2 ，= 3 0 发电性能仿真波形 3 3 矿- 。 口 m ，够矿， 。 ， _ 口 誓。卜二 i：；，： - - 日 - u 目 o 口 一f f o f 一 一f ji-d【一 虱； 习_； 江苏大学硕士学位论文 剃 o”lt - _ ( a ) 六相电流波形( b ) 励磁电流和续流电流波形形 图4 1 4 包。= 1 6 ，= 3 4 。发电性能仿真波形 由前面的发电原理知道，开关磁阻发电机发电分为两个阶段：前一阶段是励 磁阶段，吸收电能变化为磁场储能：后一阶段是续流发电，此时磁场储能和吸收 的机械能全部转化成电能输出，给蓄电池充电。从图中可以看出，随着开通角从 8 度变化到1 6 度，相电流在变大发电性能明显在提高【1 4 】【m 1 【4 7 1 。 在l 2 周期导通下三相完全导通，所以各相性能参数都较大。眈。= 8 0 时母线 上的平均励磁电流达到3 7 1 a ，充分励磁的情况下，续流母线平均电流自然大，达 到7 5 8 a ，净发电功率为2 2 8 0 1 w ，效率6 9 5 。随着开通角的靠后，励磁电流 变得越来越小，在眈。= 1 2 0 时平均励磁电流为3 1 o a ，母线上的平均续流电流 6 8 5 a ，净发电功率为2 1 1 7 2 w ，发电效率为6 5 8 ；在幺。= 1 6 0 时平均励磁电流 为2 2 1 a ，由于关断角太靠后续流电流进入下下一相的电感上升区，减小了制动 转矩的同时发电效率只有5 3 2 ，由此可以看出励磁电流的大小对开关磁阻发点 系统性能参数的重要性，所以在控制s r g 时应尽量使励磁电流加大，这也是强化 励磁的意义所在，而为了有利于励磁电流的增大所以一般在发电运行时尽量提高 电流的斩波限或不采用电流斩波。 2 ) 固定导通角l 3 周期导通时发电性能仿真 图4 1 5 4 1 7 是1 3 周期导通时发电性能的仿真波形。 扩 m - 一一 ； 萝； 江苏大学硕士学位论文 on 0tm f - _ ( a ) 六相电流波形 图4 1 5 气= 8 。， mmq 2 - - e d 六相电流波形 图4 1 6 见。= 1 2 ， 二 ； ；j t ，! ，2 5 九； # l 。， j ，? 7 ，= ：，：，0 ，；f ；“t ，； ，f ， ； i ，fr ；_ 拗删删删删棚 ont， t e ( b ) 励磁电流和续流电流渡形 2 0 。发电性能仿真波形 瞳 ；川州鲫圳! 蚓? 目毒，i ；聊；07 穰昏万曩，j ，搿 田 。 帅州 召。 宝 o i 。 裂辫彤燃燃渺 酬嘲溺 禹唾籀j 口m”m口 - t ( a ) 六相电流波形( b ) 励磁电流和续流电流泼形 图4 1 7 眈。= 1 6 。，= 2 8 。发电性能仿真波形 在1 3 周期导通时，各发电参数值和波动幅度都比1 2 周期导通时小，在 = 8 。时励磁电流较小，相电流也就较小，由于关断角太靠前续流发电时间太短， 母线上续流电流仅1 8 3 a ，发电效率只有4 8 2 ，显然没有充分发挥电机的发电 能力：在气= 1 2 。和气= 8 。时电机的续流发电不充分，而在吒= 1 6 。时，相电流幅 值达到4 0 多安培，母线上平均续流电流明显增大，达到4 6 8 a ，发电功率1 1 8 1 5 w 。 由以上仿真分析可知，关断角不能太靠前，否则各相续流发电时间太短，发电 鼍。誊： 驴鼍。；二 r 1 h m z i e _ ， o 伊 - - ， 。 习一一宝； 习到考； 习到耋； 江苏大学硕士学位论文 电流、发电功率就太小。此外，关断角的提前，互感的影响也较大。 4 4s r 电机参数优化设计 本节以六相1 2 1 0 丌关磁组电机为例，分析了开关磁组电机的主要参数对其 主要性能的影响，从而来优化开关磁组电机的参数【4 5 】。 4 4 1 绕组匝数和线径对电机性能的影响 1 ) 绕组匝数对开关磁阻电机起动转矩的影响 图4 1 8 是绕组分别为1 5 、3 0 匝时s r 电机的电感曲线，可以看出当绕组匝 数增加之后绕组的电感数值会在一个电感周期内普遍增大，使得绕组电感在一个 j r 周期内随角度的变化率等变大。 ( a ) 绕组匝数为15 匝电感( b ) 绕组匝数为3 0 匝电感 图4 1 8 不同绕组匝数的电感曲线波形 在电流一定的情况下同样根据r = 三f 2 嚣，增加绕组匝数可以提高电机起动 转矩。表4 3 为匝数不同所对应的最小起动转矩。 表4 3 匝数不同所对应的最小起动转矩 绕组匝数 起动转矩( n m ) 绕组匝数 起动转矩( n m 】 1 59 1 2 2 9 63 04 7 6 8 3 4 2 01 6 9 5 2 8 3 55 3 9 2 2 2 2 52 7 4 7 3 44 05 5 2 8 9 3 2 ) 绕组匝数对开关磁阻电机整体性能的影响 当绕组匝数越多时电流越小，绕组电感越大，电机低速时的输出转矩越大： 江苏大学硕士学位论文 绕缍匝数越少，爱i 绕组电阻、电感都越小，电机高速对的出力越大。线径一定的 情况下，绕组匝数越多，槽满率越高，则电机所能达到的最大效率也就越高。 对手给定的电机尺寸，绕组的有效空闯是一定的，措满率后，值范围一般在 o 3 5 o 5 之间，在槽满率比较低的情况下，适当增加线径可以提高电机效率，降 低相电流密度，但电机的质量会增加，功率比也会有所下降，根据具体情况来选。 改变绕组的匝数，r m x p f t 电机设计软件会自动设计线径，我们也可以选择 特定的线径，来改变绕组匝数分析电机性能，德此时需要对电机槽满率进行校验。 图4 1 9 为绕组匝数变化和线径自动变化是电机的效率随匝数变化的曲线图。可 以看出在某一匝数时，效率晟高，但随着匝数增加电机的效率成下降趋势。 图4 1 9 匝数变化与效率的关系曲线 4 。4 。2 气隙长度与电枫性能的关系 1 ) 气隙大小对开关磁阻电秽l 相电感曲线的影响【1 9 】 从图4 2 0 可以看出，开关磁阻电机气隙增大以后，相电感值在一个周期内 普遍变小，尤其对最大相电感的影响很大，而对电机最小电感几乎没有影响，因 而在整个电感周期内等的值普遍变小。 ( a ) 气穰长庹为o 6 衄轴) 气球长度为o 7 毗 图4 2 0 两种不同气隙下电机相电感曲线 3 7 江苏大学硕士学位论文 2 1 气隙的大小对开关磁阻电机起动转矩的影响 根据7 = 寺2 券可以看出，转矩除了跟电流的平方成正比之外，还跟电感的 变化率有关，从表5 2 中可以看出气隙大小对电机起动转矩的影响，基本规律是 随着气隙长度增大而减小，因此为了最大限度地增加电机的起动转矩，电机的气 隙长度应该尽量小，但是限于电机制作工艺的限制，气隙长度也不可能做得很小， 一般小型机不应小于o 2 5 衄。 表4 4 开关磁阻电机气隙长度对其起动转矩的影响 气隙长度( t m l l )起动转矩( n m )气隙长度( r 啪) 起动转矩( n m ) 0 15 3 9 6 7 5 o 6 4 1 7 7 7 3 0 24 9 9 7 6o 74 0 7 4 4 0 34 9 。8 1 4 70 。83 7 6 8 4 3 0 44 6 6 2 5 80 93 1 2 3 7 8 0 54 2 7 4 5 9l3 0 9 2 6 8 图4 2 l 气隙长度对其起动转矩的影响 从图4 2 l 也可以看出气隙大小对电机起动转矩的影响。总体规律是随着气 隙长度增大而减小的。 3 ) 气隙的大小对开关磁阻电机整体性能的影响 气隙对电机性能影响非常大，一般气隙越小，输出转矩和功率越大，加工工 艺要求也高。从图4 2 2 可以看出，气隙越小，效率越高。 6 - _ 图4 2 2 气隙对电机效率的影响 江苏大学硕士学位论文 4 4 3 定转子极弧系数对电机的性能的影响 1 ) 定转子极弧对开关磁阻电机相电感曲线的影响 从图4 2 3 可以看出定、转子极弧对相电感特性的影响比较明显，转子极弧 系数增大之后在一个电感周期内绕组的电感特别是最大电感会增大。 ，牟、 ， ， 、 ， ， ， 、 i 一 、 ， ， 、 7 _ _ ，、 、 、 、 彳 七 h 。 ( a ) 转子极弧系数为o 3 3 电感曲线( b