（电力电子与电力传动专业论文）开关磁阻电机设计方法及软件的研究.pdf

山东理丁人学硕 ：学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t s 谢t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ( s r m ) h a ss h o 、 ，1 1h u g ec o m l 娥i t i v ep o w e ri 1 1m a n yf i e l d so n b e h a l fo fi t ss h p l ec o n s t m 商o mr e l i a b i l 毋，h i 曲e 伍c i e n c ya n dl o wc o s t 1 t s 危a m r e so f m u l 6 一v a r i a b l e ，咖n gc o u p l 堍，n o n 1 i 1 1 e a rh a v eb r o u 出m e 雕a td i m c u l 够f o rt h es r m d e s i 驴e r s b a s e do nt h er e s e a r c ho fs i 己md e s i 盟m e m ) d ，t h i sp a p e rh a sd e s 嘶b e dp r o c e d u r e f o rs i ；u 订d e s i g ma n das e to fs o f h v a r eh a sb e e nd e v e l o p e d n ew o r ki n c r e a s e dt h ee 伍c i e r k y o f m es r m d e s i 鳃 1 1 1s u r i 砌n gu ps i t md e s i 印m e t h ( d sa th o m e 觚da b r o 越f h ep 印e rd e t e 劬e dt l l ek e y p o i i l tt o b et 量l em o d e lg u 锄e t e r s a c c m 斑ec o m p 喇i o na n ds i i i m l a t i o n i 芏lm a g n e t 妇i o n c u r v e sc o m p u t a ：t i o na s p e c t ，a n a l y z e df o n n e rc o m m o n l yu s e dm e t h o d s ，p r o p o s e da n 勰a l ”i c a l m o d e lo f 龇e n di n d u c 切n c e t u 曲2 d 雒( 13 df i n i t ee l e m e n ta i l a j y s i s ，砌i 捌o nl l a sb e a n p e 哟m l e d n em o d e lh a sm o r es t a b l ea n dl l i 曲e rp r e c i s i o n l a n 血ee n dc o e 伍c i e mm e m o d n 瑚u 曲砌i 缸i o nw i md i 胝n ts rm o t o r s i tm l p r o v e sm ea d a 阳t j o nt os 廿l l c n 脱o f 恤 m o t o r ，p r o v i d e sa 昏l a 】蹙i n ：t e ef o rm ec a l c u _ i a t i o no fs r m sp e r f b h n a n c er a p i d i ya n da c c u r a _ c e l y n l ep 印e ri n d 电盯e dt h es 砌s 油_ u l a t i o na l g o r i t h i na c c o r d i l l gt om es r mm a m e m a t i c a lm o d e l ， a n dc o m p a r e d 、啊t hm o d e ls i l l l u l a t i o n sr e s 此i 1 1m a n a b ，l l a sc o n 6 姗e d 船s h u l a t i o n c o m p u t a t i o n sa i c c u r a c y h 1 1 es o f t 、硼r ed e s i g l la s p o c t ，m ef o n no fm o d u l eh a sb e e na d o p t e d m a n yc o n l i n o n l y u s e dm n c t i o n s1 1 a v eb e e np a c k e di r i t oh i q ? e n d e mm o d u l e s ，t oe n h a i l c em ea d a 陋b i l 毋o fm e s o 觚a r e ，a n dr e u s a b i l 时f i l l m l yt h r o u 曲ad e m o l l s 昀t i o no f p r o t 0 帅es r md e s i g 坞s i r n u l 撕o n a i l dp e d b m l a i l c ec a l c d a t i o na r ep r e s c n t e d k e yw o r d s ：s 、疵h e dr e l u c t a i l c em o t o r ( s 鼢田；t 1 1 ee n de 侬斌o f 谢n d 吨s ；贼l 弘萌c f k l dc o m p u t a 乏i o n ； 山东理t 大学硕士学位论文 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它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己在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：如，警移 时间：工舯矽年月日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体 上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 导师签名： 时间：硝年 月同 时间：扣o g 年月日 山东理工人学硕一i ：学位论文第l 章绪论 1 1 课题的背景和意义 第1 章绪论 以开关磁阻电机为核心的开关磁阻电动机调速系统( 简称s r d s w 沁h e dr i e l u c t a i l c e d r i v 钮) 是继直流调速、变频调速、无换向器电动机调速之后发展起来的最新一代无级 调速系统，具有结构简单、运行可靠、效率高及节能效果好( 在额定转速和额定负载时 运行效率高达9 2 以上，在所有调速范围内，效率高达8 0 以上) 、起动转矩大、起动 电流小、能够软起动【lj 等突出特点，成为交流电机调速、直流电机调速和无刷直流电机 调速系统强有力的竞争者，引起各国学者和企业界的广泛关注【2 j i j j 。 随着s 量u 的广泛应用，s r m 的设计方法及其软件平台也逐渐成为研究热点。电机 设计软件主要经历分析计算、综合设计、优化设计这几个阶段，随着计算机技术的发展， 目前已经出现了很多电机设计的软件平台。 尽管s 砌订的电磁原理和结构都相当简单，但是由于运行状态的复杂性，其设计和 性能分析与传统电机差异较大，工程设计人员往往面临无从入手的困难。由于s 砌订和 传统的交直流电机相比不存在电流、磁通为常数的稳态运行状态，因此在功能上至少要 比普通电机设计软件平台多了仿真计算环节。而且只有通过仿真计算才能准确得到s r m 的性能参数，然后根据性能要求更改s i 之m 的设计方案。 社会分工越来越细，不可能要求每个普通s r m 应用人员都对s r m 的专业知识精通， 因此设计一个能够按照应用要求( 输入主要的参数) 来选择s r m 结构参数，并能够对 s i 己m 的性能进行准确仿真的软件平台也是广大s r m 应用人员的强烈要求。 本课题针对目前s i 之m 设计软件较少，计算精度不高，使用不方便的现状，通过研 究s r m 计算机辅助设计中的一些问题，提出了提高计算精度的方法，并开发出实用的、 s r m 设计软件。借助该仿真软件，可以解决s i 乇m 设计中遇到的大多数问题，降低开发 s r m 的难度，缩短开发周期，同时还能够降低开发成本，节约资源。 1 2 国内外研究水平和发展趋势 s i 蝴的结构简单，主要结构参数都可以参考已有的s r m 设计方案，几乎所有的s 蹦 设计软件都没有把重点放在结构设计方面。另外s r m 的工作状态要求s r m 的设计软件 必须包含仿真部分，此部分是性能计算和结构调整的依据。 仿真部分主要解决两个问题，即模型的建立和仿真算法的实现，其重点又在模型的 准确建立方面。由于s r m 的理论还不够成熟，模型的选取也没有公认的方法。目日i 对 s r m 的分析主要采用两种模型，线性和非线性模型。无论哪种模型都是为了逼近s i m f 的磁场情况，最终得到相对准确的磁化曲线，为s r d 的控制策略提供依据。目前还没有 山东理t 人学硕一i ：学位论文第1 苹绪论 比较准确的模型，因此改进模型的精度也是广大学者研究的领域。利用模型进行分析， 主要有以下三种方法： ( 1 ) 用a n s y s 等软件对s i u m 进行有限元分析，得到磁化曲线，建立模型。有限元 分析主要有二维和三维两种，但都很费时，不适合直接在设计阶段使用。在目前利用有 限元算法对磁场的研究中普遍采用分析特殊位置，来减少运算量，通过特殊位置的情况 来估计其他位置的情况，但是这样必然又要在精度和时间之间取舍。而且这种分析一般 也不考虑电机材料的不均匀与机械加工造成的差异，也就是说即使是三维有限元分析也 不是精确的。但由于有限元分析在理论上的相对准确性，所以有很多人在寻求改进有限 元分析的方法，常国强、边敦新、詹琼华提出了二维有限元分析中考虑转子运动时三角 形单元的自动生成方法1 4 j 1 5 】。采用该方法只需重新剖分气隙部分就可获得转子位置已变化 了的整个求解区域的网格剖分，可以节省大量机时，解决了采用场路耦合法模拟电机时 需频繁进行网格剖分而造成的“瓶颈问题。此方法对于文献 6 】中的模型的仿真有较高 的效率； ( 2 ) 神经网络分析方法，这种方法一般也需要以特殊位胃的参数为依据，而且大多 是在整个s r d 的装置中采用这种算法来改进参数不准确造成的控制精度的影响。齐剑玲 提出了一种提高b p 网络学习速度的方法，并基于b p 神经网络建立了开关磁阻电机磁特 性甲( 0 ，i ) 模型。神经网络的参数是经过优化选择的，训练的时间和步数都大为减少【7 】【8 】。 丁文、周会军、鱼振民在实测开关磁阻电机静态磁链曲线的基础上，计算获得开关磁阻 电机的矩角特性，并且将自适应的模糊神经网络用于开关磁阻电机的建模中【9 】。郑洪涛、 蔡际令、蒋静坪给出了开关磁阻电机变结构模糊神经网络非线性模型，在t 酞a g is u g e n 0 模糊神经网络基础上，提出可变结构的变步长学习算法f 1o 】【l l 】； ( 3 ) 以m a u a b s i m u l i n k 为工具，进行仿真。m a t l a b 分析起初主要利用线性，准线性 模型，其中多采用准线性模型，这种方法的优点是简单，容易上手。缺点是精度低，一 般只作为控制策略仿真工具。为了提高精度已经有人在准线性模型的基础上，采用三条 直线来逼近实际磁化曲线的方法。王巧花、叶平介绍了在开关磁阻电机的准线性数学模 型基础上，用m a t l a b s i l l l u l i n k 建立仿真模块库，其中包括电流计算、转子位移角计算、 电磁转矩计算等模块，然后将这些模块有机结合搭建成开关磁阻电机调速系统仿真模型 | 2 j i i 引。严加根、刘闯、严利、刘迪吉在分析s r g 数学模型的基础上，用m a t l a b 中的s i i i l u l i n l ( 模块建立了s r g 系统的非线性仿真模型。该模型中的电机绕组模块、功率变换器模块、 转子位置角度转换模块和电压控制模块都是独立的利于扩展【1 4 】【l5 1 。 目前见到的s r mc a d 软件的主要有以下几个： ( 1 ) s r dc a d 2 0 ，是个d o s 界面下的软件。本软件由华中科技大学詹琼华教授主 持吴建华、边敦新、郭伟、马志源、王双红、常囤强、李志强等协助开发。软件主要有 前期设计、性能计算、优化设计、修改尺寸、工具箱和结果输出这几个基本功能。软件 采用面向对象的c + + 编程。由于本软件开发的比较早，最初使用d o s 界面； ( 2 ) v s r d 为v i s u a le m c a d 系列电机c a d 软件成员之一，是在原来s r d c a d 基 础上做大量改进、完善，能够运行在w i n 3 2 平台的软件。此软件由浙江大学电机系吴 建华教授主持完成的，它具有以下特点：可计算三相6 4 极、四相8 6 极、三相1 2 8 极、 2 山东理工人学硕十学位论文第l 荦绪论 内外转子等；全程可视化，以图形实时反映电机结构参数变化，控制参数变化；与有限 元分析紧密结合，提供以场为基础、以路为基础等的多种性能仿真分析方法；磁链波形、 电流波形、转矩波形等多种工作特性仿真结果；智能化电机派生设计，开放的磁性材料 管理等等； ( 3 ) m o t o r - c a d ，此软件是由m o t o rd e s i 辨n d 。( 1 9 9 8 年创建，英国) 开发的，一 款功能强大的电机软件，其s 1 w 设计方面主要分为：径向剖面图、轴向剖面图、绕组 编辑、数据输入、原理图、数据输出、实时图表，国外软件普遍的价格昂贵不适合一般 中小企业和个人的使用。 此外还有很多电机专业设计人员，采用目前比较通用的有限元软件进行电机的设计 与仿真，如a 1 s y s 、a n s o r 等。但这种设计方法，需要很广泛的专业知识和有限元基础， 而且建模也比较繁琐，具体尺寸需设计人员手工输入，还存在着软件价格太高不容易获 得的问题。因此这种方法还是主要用在结果验证方面。 1 3 本课题的主要工作 本课题主要是对s r m 设计方法进行研究，在对s i m i 性能及参数计算方法分析的基 础上开发一套能够完成s r m 设计的软件，方便s r m 的设计人员使用。 主要研究工作有以下几个方面： 1 ) 总结s 鼢倒s i 的基本原理、数学模型； 2 ) 根据s r m 的设计特点确定设计中使用的模型，将工作重点放在模型参数，即磁 化曲线的准确计算上； 3 ) 对以往s i 乏m 磁化曲线的计算方法，进行改进和提高，着重考虑端部电感的准确 计算； 4 ) 研究s i 己m 模型仿真计算的算法，以m a t l a b 为基础进行比较测试； 5 ) 完成相关模块的开发及测试。对软件进行整体测试，对不满意的部分进行改进 和提高。编写相关文件，并由用户试用。 3 【i i4 洲一t 、j + 仙i | 亨。似i t 上 鹕2 带s r mi ：汁，。! 础 2 1s r d 的基本构成 第2 章s r m 设计基础 s i d 是一种新型的电动机调速系统。它具有电机结构简单、速度调节和控制性能好、 效率高等特点，在低压、小助牢条件下，其性能远远优于普通的交直流r 乜动机。抓d 从 功能部件上分，由磁阻电动机s r m 、功率r 乜路、角位移传感器和控制电路四部分组成， 如冈2 一l 所示。从产品结构上看，每套系统，通常山l 也动机和控制器两部分组成，其电 动机部分包括位置传感器，控制器部分禽功二簪电路和控制电路。 操铂 2 1 1 开关磁阻电动机 图2 1s r m 系统框图 s r m 是s r d 中实现机电能量转换的部件，它的结构和t 作原理与传统的交流电机有 很火的差别。图2 2 为三相s r m 定转予实物图，它的定转子均【j | 砖钢片叠门锕j 成，转子 上既无绕组也兀永磁体，定f 各极上有集q j 绕组，径阳相刈极的绕组串联，构成相。 图2 2 四相12 8 极s r m 定转子实物图 山东理【人学硕士学位论文第2 章s r m 改计基础 s r m 可以设计成单相、两相、三相、四相及多相等不同相数结构，且有每极单齿结 构和每极多齿结构，轴向气隙、径向气隙和轴向径向混合气隙结构，内转子和外转子 结构。低于三相的s r m 一般没有自起动能力。相数多，有利于减小转矩波动，但会导致 结构复杂、主开关器件多、成本增高。目前应用较多的是三相6 4 极结构和四相8 6 极结构，表2 1 为常见s r m 定、转子极数组合方案，本文所采用的是三相6 4 极结构和 三相1 2 8 极结构。 表2 1 常见定、转子极数组合方案 s r m 的运行原理遵循“磁阻最小原理”，磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，而具有 一定形状的转子铁心在移动到最小磁阻位置时，必使自己的主轴线与磁场的轴线重合。 因此，只要依一定次序给定子的相绕组通电，电机转子就会连续转动起来。图2 3 所示 为一个四相8 6 极的s r m 截面图。 图2 3 四相8 6 极s 刚典型结构原理图 当a 相绕组单独通电时，在电动机内建立以a a 为轴线的磁场，如图2 4 所示，该 磁场作用于转子，将产生使邻近的转子极与之相重合的电磁转矩。并使转子转动。若在 上述二者重合时改为b 相绕组通电，则由于定子极矩为4 5 度，而转子极矩为6 0 度。由 此产生的转距将使转子逆时针转动1 5 度。同理，再改为c 相通电时，转子继续逆时针转 动1 5 度。由此可知，若四相绕组轮流通电，即a b _ c d a 则转子连续逆时针转动。若改 变通电相序为c b a d - c ，则可使转子顺时针转动。若改变相电流的大小，则可改变电 动机转矩的大小，进而可以改变电动机转速。若在转子极转离定子极时通电，所产生的 电磁转矩与转予旋转方向相反，为制动转矩。由此可知，通过简单地改变控制方式便可 改变电动机的转向、转矩、转速和工作状态。 6 山东理工人学硕上学位论文第2 章s r m 没计基础 a ) a 相通电 2 1 2 功率变换电路 a ) b 相通电c ) c 相通电d ) d 相通电 图2 - 4 四相轮流通电情况 功率变换器是s r m 运行时所需能量的供给者，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提高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 m 的设计也直接产生影响，应根据具体功能、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，应用最普遍的主要有三种，如图2 5 所示。 a ) 不对称半桥电路b ) 双绕组电路c ) 裂相式电路 图2 5 三种基本的功率变换器电路 图2 5 a 所示的主电路为单电源供电方式，每相有两个主开关，工作原理简单。斩波 时可以同时关断两个主开关，也可只关断一个。这种主电路中主开关承受的额定电压为 u 。它可用于任何相数、任何功率等级的情况，在高电压、大功率场合有明显的优势。 图2 5 b 所示的主电路特点是有一个初级绕组彬与一个次级绕组暇完全耦合( 通常 采用双股并绕) 。工作时，电源通过开关管y 向绕组彬供电；矿关断后，磁场储能由职 通过续流二极管肋向电源回馈。矿承受的最大工作电压为2 u ，考虑到过电压因素的影 响，矿的反向阻断电压定额通常取4 【，。可以看出，这种主电路每相只有一个主开关， 所用开关器件数少。其缺点是电机与功率变换器的连线较多，电机的绕组利用率较低。 图2 5 c 所示的主电路为裂相式电路，以对称电源供电。每相只有一个主开关，上桥 7 山东理工人学硕j 二学位论文第2 章s r m 没计幂础 臂从上电源吸收能量，并将剩余的能量回馈到下电源，或从下电源吸取能量，将剩余的 能量回馈到上电源。因此，为保证上、下桥臂电压的平衡，这种主电路只能使用于偶数 相电机。主开关正常工作时的最大反向电压为u 。由于每相绕组导通时绕组两端电压仅 为u 2 ，要做到s r m 出力相当，电机绕组的工作电流须为图2 5 a 所示的主电路时的两 倍。 这三种主电路各有优缺点。图2 5 b 、c 所示的主电路所需主开关的数目少，图2 5 a 所示的主电路控制起来灵活，流经主开关的电流小，适配电机的范围大。由于各主电路 的主开关总伏安容量大抵相等，成本相差不大。 2 1 3 位置传感器 为了在电动机运行过程中随时知道转子的瞬时位置，电动机中必须装置角位移传感 器，这是开关磁阻电动机与其它一般电动机的一个明显区别：要使电动机正常工作，须 在转子转到适当位置时导通适当的相绕组，并在转动过程中始终正确切换各相绕组。若 不能做到这一点，不但电动机不能按要求转动，还会发生停转、反转或乱转现象。 角位移传感器向控制器提供转子位置及速度等信号，使控制器能正确地决定绕组的 导通和关断时刻。这里要求角位移传感器具有输出信号较大、抗干扰能力强、位置精度 高、温度范围宽、环境适应能力强、耐振动、寿命长和安装定位方便的特点。通常采用 光电器件、霍尔元件或电磁线圈法进行位置检测，采用无位置传感器的位置检测方法是 s r d 的发展方向，对降低系统成本、提高系统可靠性有重要意义。 2 1 4 控制电路 控制电路的作用是根据使用者的操作要求和系统的实际工作情况对系统进行相应调 节。使之满足预定运行工况。控制电路一般应包括下列几个部分： ( 1 )操作电路接受外部指令信号，如起动、转速、转向信号。这种外部信号可 以是来自手动操作，也可来自其它自动化元件； ( 2 )调节器电路将给定量与被控量相比较，并按规定算法计算出控制参数的调 节量。如当转速低于给定值时通过调节加大绕组电流值； ( 3 )工作逻辑电路决定控制电路的工作逻辑，如正反转相序逻辑、高低速抑制 方式等； ( 4 ) 传感器电路检测系统工作中的有关物理量，如转速、角位移、电流和电压 等； ( 5 )保护电路当系统工作时某些物理量超过允许值时，采取相应的保护措施。 如过电流保护、过载保护等； ( 6 )信号输出电路用于直接控制各被控量。如控制功率开关器件的导通与关断 8 山东理t 大学硕士学位论文第2 章s r m 设计基础 等； ( 7 ) 状态显示电路用于指示系统工作参数和状况。如指示电动机转速、指示故 障保护情况等。 应当指出，控制电路的具体结构形式依据系统性能要求的不同差异会很大，如伺服 系统要求动态响应快，转速精度高；车辆传动系统要求起动和低速输出转矩大，可四象 限运行等；二者的控制电路必然相差很大，但其共同点是一般均应包括上述几个部分。 目前构成控制电路的硬件结构有两种形式，一种是全部由数字电路和线性电路构成， 另一种则以单片机为核心构成。前者控制分辨率高、响应快，后者功能强、稳定性好、 灵活性强。 2 2s i m 工作原理及特点 2 2 1s r d 工作原理 控制电路接受起动命令信号，在检测系统状态一切正常的情况下，根据角位移传感 器提供的电动机转子位置信号，按起动逻辑给出相应的输出信号，该信号控制功率电路 向电动机绕组供电，使电动机转子开始转动。当转子转过一定角度时，控制电路根据角 位移传感器信号的变化通过功率电路使电动机通电相改变。当电动机转速达一定值时， 控制电路从起动逻辑转换为低速运行逻辑，或再从低速运行逻辑转换为高速运行逻辑。 运行中，控制电路测试电动机运行中的转速或转矩等，并对其进行连续调节。当操作命 令改变时，如停车、制动等，控制电路再次改变工作逻辑，通过功率电路使电动机实现 操作要求。若运行中出现故障情况，如堵转、过载等，控制电路通过功率电路采取故障 停车等保护措施，并通过显示电路报警。 根据速度的不同s r m 主要有两种控制方式，低速时为了使s r m 的电流、磁链不超过 允许值，一般采用电流斩波控制( c c c ) 方式；高速时一般采用角度位置控制( a p c ) ，改 变丌通关断角来改变s r m 的运行状态。 由s r d 工作原理可以看出，开关磁阻电动调速系统是由电动机、角位移传感器、功 率电路和控制电路组成的机电统一体，各部分密切结合，缺一不可。其中每一部分都难 以单独使用，但几部分组合起来便构成高性能的机电一体化产品。 2 2 2s r d 特点 s r d 主要有以下优点： ( 1 ) 效率高 s r d 是一种非常高效的调速系统。一方面电动机转子不存在绕组铜损，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。其电 机效率在很宽范围内都在9 0 以上，这是其它调速系统不容易达到的。 9 山东理工人学硕上学位论文第2 章s r m 设计摹础 ( 2 ) 高起动转矩，低起动电流 本系统的一大特点是电机起动时控制器从电源侧吸收较少的电流，在电动机侧就能 得到较大的起动转矩。典型产品的数据是：起动电流为1 5 额定电流时获得起动转矩为 l o o 的额定转矩。对比其它调速系统的起动特性，如直流电动机为1 0 0 电流，获得1 0 0 转矩；笼型异步电动机为3 0 0 的电流，获得1 0 0 的转矩。起动电流小，转矩大的优 点还可以延伸到低速运行段。因此本系统非常适合那些需要重载起动和较长时间低速重 载运行的机械，如电动车辆等。 ( 3 ) 结构简单、成本低、适用于高速 开关磁阻电动机的结构比通常认为最简单的鼠笼型异步电动机还要简单。其突出的 优点是转子上没有任何型式的绕组，因此不会有笼型异步电动机制造过程中笼条铸造不 良等问题。其转子机械强度极高，可以用于超高速运转( 如每分钟上万转) 。在定子方面， 它只有几个集中绕组，因此制造简便，绝缘简单。 ( 4 ) 各相独立工作，可构成可靠性极高的系统 从电动机的电磁结构上看，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，而不像在一般电动机中必须在各相绕组和磁路共同作用下产生一个圆形旋转 磁场，电动机才能正常运转。从控制器结构上看，各相电路各自给一相绕组供电，一般 也是相互独立工作。由此可知，当电动机一相绕组或控制器一相电路发生故障时，只须 停止该相工作，电动机除总输出功率能力有所减小外，并无其它障碍，因此s i 可构成 可靠性极高的系统，可以适用于宇航等特殊场所。 ( 5 ) 可控参数多，调整性能好 控制开关磁阻电动机运行的主要参数和常用方法至少有四种：开通角、关断角、相 电流幅值、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情况 和运行要求，采用不同控制方法和参数值，既可使之运行于最佳状态( 如出力最大、效 率最高等) ，又可使之实现各种不同的功能和特定的特性曲线。如使电动机具有完全相同 的四象限运行( 即正转、反转、电动、制动) 能力，并具有高起动转矩和串励电动机的 负载能力曲线。 ( 6 ) 适用于频繁起停及正反向转换运行 本系统具有的高起动转矩，低起动电流的特点，使之在起动过程中电流冲击小，电 动机和控制器发热较连续额定运行时还小。可控参数多使之能在制动运行时同电动运行 时具有同样优良的转矩输出能力和工作特性。二者综合作用的结果必然使之适用于频繁 起停及正反向转换运行，次数可达1 0 0 0 次小时。这类生产机械有龙门刨床、铣床、冶 金行业可逆轧机、飞锯、飞剪等。 ( 7 ) 可通过机和电的统一协调设计，满足各种特殊使用要求 当然，s i m 也存在一些不足，如振动噪声较大、低速脉动转矩较大等。随着有关研 究工作的深入，这些缺点正在被逐步克服。 l o 山东理工大学硕士学位论文 第2 章s r m 设计基础 2 3s 跚数学模型 2 3 1 电压方程式 如图2 3 所示，一台q 相s r m ，假设各相结构和电磁参数对称，根据电路定律，可 以写出s r m 第七相的电压平衡方程式： = r + 华 ( 2 一1 ) 口f 第k 相端电压，r 第k 相的电阻，丘第k 相的电流，一第k 相的磁链。 在s r m 中，各相绕组的磁链是转子位置角矽和各相绕组电流的函数，故磁链眠为 = ( ，之，屯，秒) ( 2 2 ) 2 3 2 转矩方程式 电磁转矩瓦可以表示为磁共能形。的函数 z ：翌竺盟军盘：垒：竺 ( 2 3 ) 。 a 口 当电动机电磁转矩z 与作用在电机轴上的负载转矩不相符时，转速就会发生变化， 产生角加速度d 酬斫，根据力学原理，可以写出这时的转矩方程式： z = 警+ q + 咒 式中：j 系统转动惯量；摩擦系数；冕一负载转矩。 综上所述，s r m 的基本方程组可以写为： 坼= 民t + 警 = ( ，之，；目) 瓦= ，警+ k q + 瓦 q ：塑 个a 形( ，之，乞；印 ， = - - - - - - - - - 二- - - 一 。 a 臼 七= 1 ，2 ，口 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 山东理丁人学硕i ：学位论文 第2 章s r m 设计基础 2 4s 壬u 计算机辅助设计 电机辅助设计软件主要包含以下几个部分： ( 1 ) 电机方案设计 设计人员接到电机开发任务书或用户的产品订单后，电机设计软件可以根据用户的 技术要求，结合电机设计者的设计经验，辅助电机设计人员进行电机产品的结构方案决 策与优选。 ( 2 ) 电机的结构设计与分析 设计人员在完成电机方案设计后，软件可以帮助设计人员进行电机结构及其组成部 分的几何模型( 二维或立体) 设计与分析；可以进行手工无法进行的复杂计算与计算结果 的海量数据的整理与表达。并可以在计算机中便捷地进行电机结构的立体( 三维) 几何外 形的设计与修改。工程技术人员能从多角度直观地观察产品结构的外部形态和颜色是否 合理与美观。 ( 3 ) 电机性能分析与仿真 设计人员在完成电机的结构设计和分析后；软件可以帮助设计人员进行产品结构工 作过程腿动过程的仿真观察，对电机的性能进行计算分析，并将计算结果以直观的图形 再现在设计人员面前，以便判断是否满足用户的要求；并提出修改意见。这些工作靠手 工是无法进行的。 s r m 的设计也主要包括以上三个部分，但是由于s l 之m 的运行性能计算没有成熟可 靠的计算公式，不能通过计算、查表等方法得到结果，需要用数值计算方法，对运行情 况进行仿真，得到随时问变化的电流、电压等波形数据，在此基础上进行性能的计算。 因此s i 己m 设计的重点在电机仿真与性能分析，并以此为依据修改设计方案。 s i 己m 仿真的基础是建立准确的模型，前面的模型比较复杂，要实际应用，需要进一 步简化。首先要对s r d 的非电机部分进行简化，本文的重点是s l 之m 的设计，所以对其 它部分的简化不用过多考虑精度问题，取常用的最简单的模型即可。本文中认为控制器 和位置检测部分有足够小的采样周期，不存在延迟；开关及续流器件是理想的，只有导 通和非导通两种状态，导通时无压降，忽略过度状态。电源电压无波动，为恒值。 s i 己m 模型的建立是课题的重点，因此要研究各种s r m 磁链参数的计算方法，对原 有的算法进行分析改进。确定算法后，还要对s i u m 磁链模型的表示方法做深入的研究。 2 5 本章小结 本章介绍s r m ，s i m 的原理以及计算机辅助设计的基础知识，讨论了s r m 设计特点 及所要解决的主要问题。 1 2 山东理t 人学硕j 二学位论文第3 章s r m 磁链模型 第3 章s 蹦磁链模型 s r m 的性能参数需要仿真计算才能得到，所以设计工作必须包含仿真部分，而仿真 的前提是将s r m 简化为数学模型。因此必须对s 砌订模型进行分析，并选取合理的模型 应用在s i 蝴设计中。 2 3 节中的模型比较复杂，要实际应用，需要进一步简化。特别是磁链模型，它是多 相电流以及转子位置的函数。经过分析计算，s i u 相间互感很小可以忽略【l q ，这将使模 型得到很大简化，因此本文的分析主要基于忽略互感的磁链模型。 本章介绍了几种常用的s r m 磁链模型，并提出了本文仿真用的磁链模型。 3 1 线性模型 线性模型中作如下假设： ( 1 ) 忽略磁通边缘效应和磁路非线性，绕组电感l 是角度的分段线性函数； ( 2 ) 忽略所有功率损耗； ( 3 ) 忽略相间互感。 在上述假设条件下的模型中，绕组的电感与位置角( 非对齐位置为零度) 的关系为： 三p ) = 三m i l l k ( 秒一幺) + 三。i 。 三嗽 上。一k ( 秒一岛) ( _ 岛秒舅) ( - q 臼岛) ( _ 岛秒岛) ( _ 岛秒幺) k = 三磐k 竺堕( 3 二1 ) p s 厦定子磁极弧度 式3 1 中b 为定转子齿临界重叠角度，幺为定转子齿刚好完全重叠的角度，仗为定转子 齿临界脱离完全重合的位置，耽为定子齿后极边与转子齿后极边临界脱离的角度。 此模型是比较简单的模型，只要知道最大电感、最小电感以及定、转子极弧宽度就 可以得到任意位置的电感，从而计算出磁链、转矩等。 3 2 准线性模型 准线性模型将实际的非线性磁化曲线分段线性化，近似的考虑磁通边缘效应和和磁 饱和效应，从而既克服了线性模型只能用于定性分析的缺陷，又能使问题解析计算，具 山东理t 人学硕l ：学位论文第3 章s r m 磁链模型 有一定的精度。 最常用的准线性模型是用两段直线来代替同一位置角的实际磁化曲线，图3 1 是准 线性模型的磁化曲线图。 3 3 非线性模型 图3 1 准线性模型 非线性模型是用于电机性能计算、仿真设计的必要手段。要准确计算s r m 性能， 对稳态运行特性进行仿真，必须采用非线性方法。非线性模型中的磁化曲线参数一般是 以表格的形式表示的。 对于s r m 方程式的非线性求解方法，国内外已经提出许多计算方法，这些方法可 归纳为两大类【l 刀。 第一类是以数值方法或试验方法所获得的完整的电机磁化曲线为基础，建立数据库 或磁化曲线进行模化，从而计算电机的运行性能。j m s t e p h e n s o n 和j c o r d a 提出的非线 性磁参数法即是这种方法的典型代表。该方法利用计算或测量的磁化曲线族，建立 f ( 乡，) 表形式电机磁特性，用四阶龙格库塔法求解适当形式的绕组电压方程，求解过程 中不需要计算微分系数，输入数据较少，计算结果比较精确，很快被应用于s r m 稳态 性能的仿真1 1 8 j 。 第二类是利用s i 之m 几个特殊位置的磁化曲线，将电流或磁链作为转子位移角的函 数进行模化，插值求取中间位置磁特性。典型代表是t j e m i l l e r 等提出的一种快速非线 性法。该方法以对齐和非对齐位置磁化曲线为基础，推导出电磁转矩的解析计算公式， 计算速度快，计算精度较好，被实际应用于s r dl t d 公司的s r m 电机设计【1 9 1 。 1 4 山东理t 人学硕十学位论文第3 章s r m 磁链模型 3 4 本文s i 洲模型 通过以上三种模型的对比可以知道，非线性模型是最准确的，因此本文采用此模型。 一般的电机磁链模型只包含一条磁化曲线，但是s i ：u 订的工作原理即要求在不同位置下 的磁化曲线是不同的。 磁化曲线随着角度的变化而改变，所以只能计算出几条有代表性的曲线，然后通过 插值等方法求出其他位置的磁化曲线，本文选取四个特殊位置的磁化曲线。在所有的磁 化曲线中，最大电感和最小电感处的磁化曲线对电机的整体性能有着决定性的作用，因 此必须包括这两条曲线。中间两条分别选取转子极前沿同定子极前沿重合的舅位置，以 及转子极前沿同定子极中心线重合的秒。，位置。 考虑到软件功能的通用性，尽可能将目前出现的各种常用模型应用到软件当中，非 线性模型的磁链参数以表格的形式建立，而模型的选择问题转化如何为初始化磁链参数 表的问题。软件以列表的形式，提供上述的各种模型供用户选择。软件根据用户的不同 选择，初始化非线性模型中的磁链曲线各点的值，就可以得到不同的模型。 计算不同位置的s l 己m 的磁化曲线时，通过几个离散的点到磁链值进行曲线的拟合。 本文选取的四个特殊位置的磁化曲线中，最小电感位置和鼠拟合为直线，而半对齐和对 齐位置需要考虑磁路的饱和。后两个位置的磁化曲线进行分段拟合，在不饱和区域，仍 然拟合为直线，饱和后拟合为抛物线。 s i 蝴仿真时需要求出s 刚的静态转矩表，此表是死( 秒，f ) 的形式，可通挚磁场储 能和转子位移角的偏导数求取。忽略相间耦合，电磁转矩可写下式的形式： 疋= 罟k 磁共能为： = i 少( f ，秒瑚 根据匕面的公式可以得到静杰转矩表瞬杰转矩即可以通过杏表的方式得蛰i 。 3 5 本章小结 本章分析了s i u m 的各种磁链模型，确立了软件所选用是非线性模型。为了解决用 户需要对不同模型进行仿真计算的需求，软件通过非线性模型中磁链参数表赋不同值的 方法，解决了这个问题。这样做只需建立一种通用模型，提供统一的磁链参数表的初始 化接口，为以后的新模型的建立提供了方便。 山东理工人学硕 二学位论文第4 章s r m 模型参数 第4 章s 砌模型参数 前面分析了s r m 的磁链模型，可以看出要得到所需的模型，需要几个关键位置的 电感。这些电感可以用有限元方法计算，也可以用解析法等其他方法计算。在进行电机 设计时，用简单快捷的方法计算这些电感是非常关键的，对性能的计算精度等有重要影 响。 很多文献提出了计算电感的方法【2 0 卜删，本文在对这些方法总结，分析的基础上， 提出了端部电感的计算方法。这一方法计算简单，易于实现，适应性强，精度较高，适 合在设计阶段应用。 4 1 常用模型参数计算方法 s r m 的仿真以及各种性能的计算都是基于磁链模型( 目，f ) 的，因此准确计算磁链模 型中的参数是仿真及其他性能计算的关键，这也是本课题的一个重点。目前有有限元法 和解析法两种常用的方法计算模型参数。 有限元法分为二维和三维有限元法。二维有限元分析技术随着计算机的发展已经比 较成熟，而且已经出现了很多现成的二维有限元分析软件。三维有限元分析能够真实的 反应物体的空间结构，而且只要模型建立的准确就能得到准确的结果。但是三维分析的 建模和计算都很费时，而且只要电机结构包括位置角变化都需要重新分析。三维有限元 分析主要是作为准确值验证其他分析结果的正确性。解析法一般是根据磁场的分布，以 等效磁路或磁网络的形式来分析s r m ，由于此法简单快捷而被广泛应用。 4 1 1 有限元法 s r m 的二维有限元分析一般取轴截面进行分析，并作如下假设： ( 1 ) 忽略端部效应，磁场沿轴向均匀分布，电流密度j 和磁位矢量a 只有轴向分量； ( 2 ) 各种材料各向同性，具有单值b h 曲线； ( 3 ) 电机机壳外圆周为零矢量磁位线。 根据以上假设，在直角坐标系中，s i 之m 的二维静磁场的计算可以表示为式4 1 的边 值问题。 1 7 自、州1 人学坝卜 讧沦艾她4 囊s i t m 牛：i _ 型参数 fa ! 4 a2 彳 ， j 了+ j 了2 一 f 4 1 ) 1 孤2孤2 。 、斗l l 爿= 0 ：柑l 亨己夕l 、边界 小文采用a n s o | l 公州m a x w e l l 进行维和j 三维的分析计算，在此罐础j 二提 j 适合于 ：i i 计算的解析公式。a n s o rm a x w e l l 只体使用及操作过程参考义献f 2 4 2 5 。 用二维有限元分析比用三维有限冗分析要节省很多时m ，而r 在模型合理的情况下 利川二维有限元分析能够达到很高的精度。文献 2 0 指出对s r m 的轴饿面模型进行：维 有限元分析时，其精度受绕组端部效应的影响，并随着定转予齿对齐位置的减小而增大。 对齐位置误差约为3 5 ，而最小电感处误差会达高到3 3 a 右。 取电机非对齐位置的- 维轴截面模型进行分析，可以直接计算出电感的值( 需要在 软件巾设置有效叠长和匝数) ，并能得到如图4 1 所示的典型分布： f l u xl i n e s ，。? 移誉零 7 1 3 9 8 e 一0 0 3 ，j 哦 6 5 4 4 8 e 一0 0 3 5 9 4 9 8 e 一0 0 3 s 3 5 4 8 e 一0 0 3 4 7 5 9 8 e 一0 0 3 ? ? ：， 4 。1 6 4 9 e 一0 0 3 3 5 6 9 9 e 一0 0 3 2 9 7 4 9 e 一0 0 3 嚣参n 笺 2 3 7 9 9 e 0 0 3 荔缓蒺1 7 8 4 9 e 0 0 3 熙f 誉 戮1 1 9 0 0 e 0 0 3 l 饕? 5 9 4 9 9 e 0 0 4 6 5 1 9 3 e 0 0 9 k 氟酬一5 9 4 9 7 e 0 0 4 ：透 黼一1 1 9 0 0 e 0 0 3 溯一l - 7 8 4 9 e 0 0 3 嘲一2 3 7 9 9 e 0 0 3 嘲一2 9 7 4 9 e 0 0 3 j j 弋? i 劬 雕一3 5 6 9 9 e 0 0 3 豳一4 1 6 4 8 e 0 0 3 啊一4 7 5 9 8 e 0 0 3 _ 一s 3 5 4 8 e 一0 0 3 _ 一5 9 4 9 8 e 一0 0 3 飞碰乏超乏 一一6 5 4 4 8 e 一0 0 3 i 一7 1 3 9 7 e 0 0 3 4 1 2 解析法 图4 1 轴截面模型磁链分布图 h6 订很多文献都是根抛图4 1 所示的磁场分夼，寻找近似的磁路，然后用解析法求 m 电感。由二j ：此方法比较成熟，f 订闩计算结果l 刊轴截而j 位有限元的结果 艮接近，所以 本文也利h j 此方法。 山东理工人学砍_ j 二学位论文 第4 章s