开关磁阻电机课件

电机可以根据转矩产生的机理粗略的分为两大类：一类是由电磁作用原理产生转矩；另一类是由磁阻变化原理产生转矩。在第一类电机中，运动是定、转子两个磁场相互作用的结果。这种相互作用产生使两个磁场趋于同向的电磁转矩，这类似于两个磁铁的同极性相排斥、异极性相吸引的现象。目前大部分电机都是遵循这一原理，例如一般的直流电机和交流电机。第二类的电机，运动是由定、转子间气隙磁阻的变化产生的。当定子绕组通电时，产坐一个单相磁场，其分铀要遵循“磁阻最小原则”，即磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合。因此，当转子轴线与定子磁极的轴线不重合时，便公有磁阻力作用在转子上并产生转矩使其趋向于磁阻最小的位置。即两轴线重合位置，这类似于磁铁吸引铁质物质的现象。开关磁阻电机就是属于这一类型的电机。,1概述,一电机分类,开关磁阻电机的最早文献却可追溯到1838年，英格兰学者Davidson制造了一台用以推动蓄电池机车的驱动系统。70年代左右，英国Leeds大学步进电机和磁阻电机研究小组首创了一台现代开关磁阻电机的雏形。1980年，Lawrenson及其同事在ICEM会议上，发表著名论文“开关磁阻调速电动机”，系统地介绍了他们的工作成果，阐述了SR电机的原理及设计特点，在国际上奠定了现代SR电机的地位，这也标志着SRD正式得到国际认证。从此，世界上大批学者投入到SR电机的研究领域。到日前为止，在SRD系统的开发研制方面，英国一直处于国际领先地位。除英国外，美国、中国、加拿大、印度、韩国等国家也都开展了SRD系统的研究工作。通过20多年的研究和改进，SRD的性能不断提高，目前已能在数百瓦到数百千瓦的功率范围内使其性能不低于其他形式的电机。,二开关磁阻电机发展历史,8,电动汽车用开关磁阻电机,9,开关磁阻电机驱动的纯电动汽车,五相SRM,三相SRM,10,于2004年6月投入了武汉市的510公汽线路上运行至今。,11,2002年12月50/100kW开关磁阻电机在东风技术中心的装车照片,1定子和转子均为凸极结构；2定子上空间相对的两个极上的线圈串联或并联构成一相绕组3定子集中绕阻、绕组为单方向通电4转子上无绕组,2SRD基本结构,电机的定子铁芯有六个齿极，由导磁良好的硅钢片冲制。,电机的转子铁芯有四个齿极，由导磁良好的硅钢片冲制。,由于定子与转子都有凸起的齿极，这种形式也称为双凸极结构。在定子齿极上绕有线圈（定子绕组），用来向电机提供工作磁场。在转子上没有线圈，这是磁阻电机的主要特点。,SR电动机定、转子实际结构,SR电动机定、转子实际结构,相数3456789定子极数681012141618转子极数46810121416步进角(度)3015964.283.212.5,SR电机常用方案,3SRD运行原理及组成,磁通总要沿着磁阻最小路径闭合，一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必定使自己的轴线与主磁场的轴线重合,A-A通电1-1与A-A重合B-B通电2-2与B-B重合C-C通电3-3与C-C重合D-D通电1-1与D-D重合,依次给A-B-C-D绕组通电，转子逆励磁顺序方向连续旋转,工作机理,开关磁阻电机的工作机理基于磁通总是沿磁导最大的路径闭合的原理。当定、转子齿中心线不重合、磁导不为最大时，磁场就会产生磁拉力，形成磁阻转矩，使转子转到磁导最大的位置。当向定子各相绕组中依次通入电流时，电机转子将一步一步地沿着通电相序相反的方向转动。如果改变定子各相的通电次序，电机将改变转向。但相电流通流方向的改变是不会影响转子的转向的。,开关磁阻电机,两相4/2,四相8/6,三相6/4,系统工作状态,SRD结构,4功率变换器,从功率变换器应与电动机的结构匹配、效率高、控制方便、结构简单、成本低等基本要求出发，一个理想的功率变换器主电路结构形式应具备如下条件：(1)较少数量的主开关元件；(2)可将全部电源电压加给电动机相绕组；(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，有效地控制相电流；(6)能将能量回馈给电源。,双绕组型电路特点,主开关S1导通时，电源对主绕组A供电；当其关断时，靠磁耦合将主绕组A的电流转移到副绕组，通过二极管D1续流，向电源回馈电能，实现强迫换相。,早期使用的双绕组结构，每相有主、副两个绕组，主、副绕组双线并绕，同名端反接，其匝数比为1：1。,缺点：1）由于主、副绕组之间不可能完全耦合，在S1关断的瞬间，因漏磁及漏感作用，其上会形成较高的尖峰电压，故S1需要有良好的吸收回路。2）由于采用主、副两个绕组，因而电机槽及铜线利用率低。铜耗增加、体积增大。,优点：适用于任何相数的SRM，尤其适宜于低压直流电源供电场合,电容分压型（电源分裂式）,两个相串联的电容C1和C2将电源电压一分为二,构成中点电位。每相只有一个主开关S和一只续流二极管D。,当S1导通时，上侧电容C1对A相绕组放电，电源对A相供电，经下侧电容C2构成回路；当S1关断时，A相电流经D1续流，向下侧电容C2充电。,电容分压型电路的特点,1）只适用于偶数相SR电机2）主开关数较少3）相控独立性：不独立4）电源利用率低，每相电压为电源电压的1/2。5）需限制中点电位漂移,H桥型,该变换器比四相电容分压型功率变换器主电路少了两个串联的分压电容，换相相的磁能以电能形式一部分回馈电源，另一部分注入导通相绕组，引起中点电位的较大浮动。它要求每一瞬间必须上、下各有一相导通。,工作制：AB-BC-CD-DA,H桥型电路的特点,1）只适用于4的倍数相SR电机2）主开关数较少3）相控独立性：不独立4）相绕组电压浮动5）本电路特有的优点:可以实现零压续流，提高系统的控制性能。,电容转储型功率变换器主电路（一相）,单绕组双开关型功率变换器主电路,单绕组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。当两只主开关S1和S2同时导通时，电源Us向电机相绕组A供电；当S1和S2同对关断时，相电流沿图中箭头方向经续流二极管VD1和VD2续流，绕组两端的电压近似为-Us，将电机磁场储能以电能形式迅速回馈电源，实现强迫换相。当主开关S1和S2中一个开通另一个关断，相电流不经电源续流，而通过其中一个二极管续流，在续流段，绕组两端的电压近似为0，无能量回馈。,5SRM传动系统的反馈信号检测,位置检测与换相逻辑,光电传感器,静止部分,运动部分,红外发光二极管、光敏三极管、辅助电路,与SRM转子同轴安装的遮光盘、遮光盘有6个30o间隔的齿,位置检测,位置信号检测电路原理图,VG为光耦，R1、R2限流电阻，两个非门对输出信号进行整形，以消除毛刺和上升沿、下降沿。,槽型光电耦合开光,4相SR电机位置传感器安装示意图,定子上安装两个相距75o的光敏器件S、P,分别与定子极中心线成37.5o夹角。,可输出两路相差15o、占空比为50%的方波信号,将其组合为4种不同状态，代表定子绕组4种不同参考位置,位置1：0o,导通相分析：令转向为逆时针旋转，则应为A、B两相导通位置传感器信号：S未遮，输出高电平，持续15o。P被遮，输出低电平，持续30o。,位置2：转过15o,导通相分析：令转向为逆时针旋转，则应为B、C两相导通位置传感器信号：S被遮，输出低电平，持续30o。P被遮，输出低电平，持续15o。,位置3：转过30o,导通相分析：令转向为逆时针旋转，则应为C、D两相导通位置传感器信号：S被遮，输出低电平，持续15o。P未遮，输出高电平，持续30o。,位置4：转过45o,导通相分析：令转向为逆时针旋转，则应为D、A两相导通位置传感器信号：S未遮，输出高电平，持续30o。P未遮，输出高电平，持续15o。,位置5：转过60o,导通相分析：令转向为逆时针旋转，则应为A、B两相导通位置传感器信号：S未遮，输出高电平，持续15o。P被遮，输出低电平，持续30o。,定、转子相对位置同位置1，60o一周期。,正转逻辑关系,逆时针旋转,反转逻辑关系,3相12/8极SR电机,3相12/8极SR电机位置传感器示意图,三个光电开关依次相隔15o安装产生占空比为50%、依次相差15的三个信号合成六个不同状态，代表电动机绕组不同参考位置,光耦输出信号与转子位置关系,角度细分电路(I),角度细分电路(II),软件角度细分电路(I),软件角度细分电路(II),速度检测,一路转子位置信号的频率为,转子位置检测信号的频率与电机的转速成正比，将测出的转子位置信号的频率经过转换即可得到转速。由于SRD系统位置检测输出信号为数字信号，故其转速检测不需要附加器件，十分简单易行，且便于与计算机接口。,用LM2907构成的F/V转换电路,M法测速与T法测速,M法适用于高速运行时的测速，低速时测量精度较低。因为在pN和Tc相同的条件下，高转速时m1较大，量化误差较小。,M法测速,T法测速,M法测速原理图,T法测速原理图,M/T法测速,M/T法测速方案之一,M/T法测速原理,电流检测,SR电动机电阻采样电流检测电路,霍尔电流传感器检测电路,四相SR电动机电流检测,三相SR电动机电流检测,6SRM的磁场,有限元法是目前工程技术领域中实用性最强，应用最为广泛的数值模拟方法有限元方法的基本思想是离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来代替对实际结构的分析这样可以解决很多实际工程需要解决但理论分析又无法实现的复杂问题。对于开关磁阻电机的电磁场分析，我们主要采用Ansoft或是Ansys等有限元软件进行。,下表给出了一台功率为1kW，额定转速为55000r/min的6/4极开关磁阻电机样机参数。,下图给出样机在单相通电时二维磁场的等磁位线分布图，相绕组电流均为10A。,=0,下图给出样机在单相通电时二维磁场的等磁位线分布图，相绕组电流均为10A。,=15,下图给出样机在单相通电时二维磁场的等磁位线分布图，相绕组电流均为10A。,=30,下图给出样机在单相通电时二维磁场的等磁位线分布图，相绕组电流均为10A。,=45,磁化曲线族,电感特性曲线,二维矩角特性曲线,三维矩角特性,7电磁转矩Tem的基本理论,磁共能的表达式为：,Y-i,磁能的表达式为：,线性模式下,提高,的方法:,加大,(与电机结构有关,要求,增大,减小,优化设计),增大,(以加大电机体积和成本为代价),的方向与,的方向无关,0,0,0,0,调节,的方法,调节,调节,调速；,调节,可通过调,实现。,8SRD的特点,开关磁阻电动机（SwitchedReluctanceDrive：SRD）是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统之后发展起来的最新一代无级调速系统，是集现代微电子技术、数字技术、电力电子技术、红外光电技术及现代电磁理论、设计和制作技术为一体的光、机、电一体化高新技术。它具有调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点。英、美等经济发达国家对开关磁阻电动机调速系统的研究起步较早，并已取得显著效果，产品功率等级从数w直到数百kw，广泛应用于家用电器、航空、航天、电子、机械及电动车辆等领域。,SR电机基本方程,不计磁滞、涡流及绕组间互感时，m相SR电机系统示意图J转子与负载的转动惯量TL负载转矩,9SRD的线性模式分析,电路方程,第k相绕组的相电压平衡方程:,磁链方程,所以：,为电磁转矩,Wf为磁场储能，wr为转子机械角速度,如果忽略绕组电阻R，则上面的方程可写为：,机械运动方程：,式中Te电磁转矩；J系统的转动惯量；K摩擦系数；TL负载转矩。,线性模型有利于对SR电机的定性分析，了解其运动的物理状况、内部各物理量的基本特点和相互关系；,基于理想线性模型的SR电动机分析,线性模型：不计磁路饱和，假定绕组电感与电流无关，此时电感只与转子位置有关,1023045,SR电机相电感随转子位置变化,=1位置,转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置,1,=0o位置,定子磁极轴线与转子凹槽中心重合,=0o,=2位置,转子磁极前沿与定子磁极前沿相遇位置,2,=3位置,转子磁极前沿与定子磁极前沿重合位置,rotor,3,=4位置,转子凹槽前沿与定子磁极后沿重合位置,4,=5位置,rotor,转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置,5,1023045,=0定子磁极轴线与转子凹槽中心重合1(5)转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置2转子磁极前沿与定子磁极前沿相遇位置3转子磁极前沿与定子磁极前沿重合位置4转子凹槽前沿与定子磁极后沿重合位置,SR电机绕组电感的分段线性解析式：,K=(Lmax-Lmin)/(3-2)=(Lmax-Lmin)/s,特征：随定、转子磁极重叠的增加和减少，相电感在Lmax和Lmin之间线性地变化。Lmin为定子磁极轴线对转子凹槽中心时的电感,Lmax定子磁极轴线对转子磁极轴线的电感。,相电流解析分析,第k相绕组模型,忽略电阻，相绕组电压方程：,所以：,而：=Li,相电流解析分析,同时可以导出：,KT为常数,1)当12,L=Lmin,Us为+,因：L=Lmin,Us取+,则：,又：i(on)=0,所以，,当12时，,2)当2off,L=Lmin+K(-2)，Us为+,积分得：,由初始条件：i(2)=Us(2-on)/(Lmin)确定C=Uson/，所以,2)当2off时,在2off期间,3)当off3,L=Lmin+K(-2)，Us为-,4)当34,L=Lmax，Us为-,5)当42off-on5,L=Lmax-K(-4)，Us为-,on2:电感上升，使绕组电流下降,off3:在电感达最大之前，绕组关断，绕组续流。,3z4(z=2off-on)在电感下降之前，续流结束。否则会产生反向转矩,典型电流波形,不同开通角下电流波形,特点：开通角越小，电流幅值越大，续流时间越长。,不同关断角下电流波形,变化趋势：结构一定，在on和off不变时，绕组电流随外加电压的增大而增大，随转速的升高而减小；通过调整开关角和关断角也可以影响绕组电流，从而就间接地使电动机的电磁转矩增大。,影响绕组电流的因素：外加电源电压Us、角速度r、开通角on、关断角off、最大电感Lmax、最小电感Lmin、定子极弧s等。,线性模型忽略了许多因素，计算结果误差很大，只能定性地说明影响电流、转矩的因素。,SRD控制系统原理及其实现,SRD控制系统原理图,10控制器的设计,基于DSP的SRD控制器,基于DSP的SRD系统硬件介绍,1）控制器：TMS320F2812核心-实现数字控制DSP具有PWM发生单元，可产生16路PWM信号;DSP最小系统还包括32K的16位快速RAM、20MHz时钟电路、看门狗电路、电压监测及复位电路、与上位机进行通信的RS232通信电路,。,给定速度通过DSP的ADC模块输入，实际速度由位置传感器来检测、通过捕获单元输入。DSP利用PI算法通过比较单元和PWM发生单元输出PWM信号，PWM信号经光电隔离输入到功率器件的驱动电路，控制器件开、关，实现SRM闭环调速。,基于DSP的SRD系统硬件介绍,2）位置信号输入电路：光电传感器反馈转子位置信号。通过F2812的捕获单元(CAP14)对脉冲信号进行实时检测来实现对转子位置信号的检测。3)转速计算：CAP单元不仅能检测信号的变化,而且还能记录两次信号变化的时间间隔，由此可以确定电机转子的位置,并可计算出电机的实际运行速度，进而准确地控制各相的开通和关断。,基于DSP的SRD系统硬件介绍,4)电流检测