SRD开关磁阻电动机及其控制

1、1会计学SRD开关磁阻电动机及其控制开关磁阻电动机及其控制 位位置置检检测测 功功率率变变换换器器 SR电电动动机机 电电流流检检测测 控控制制信信号号 控控制制器器 电电 源源 负负 载载 1、双凸极、双凸极结构结构2、定子集、定子集中绕阻、绕中绕阻、绕组为单方向组为单方向通电通电 3、转子无、转子无绕阻绕阻1 1、为了避免单边磁拉力，径向必须对称，所以、为了避免单边磁拉力，径向必须对称，所以双凸极的双凸极的定子和转子齿槽数应为偶数定子和转子齿槽数应为偶数(even (even number)number)。2 2、定子和转子齿槽数不相等，但应尽量接近。、定子和转子齿槽数不相等，但应尽量接近

2、。因为当定子和转子齿槽数相近时，就可能加大定因为当定子和转子齿槽数相近时，就可能加大定子相绕组电感随转角的平均变化率，这是提高电子相绕组电感随转角的平均变化率，这是提高电机出力的重要因素。机出力的重要因素。 相数相数 3 4 5 6 7 8 9定子极数定子极数 6 8 10 12 14 16 18转子极数转子极数 4 6 8 10 12 14 16步进角步进角(度度) 30 15 9 6 4.28 3.21 2.5 SR电机常用方案电机常用方案相数越大，转矩脉动越小，但成本越高，故常相数越大，转矩脉动越小，但成本越高，故常用三相、四相，还有人在研究两相、单相用三相、四相，还有人在研究两相、单相

3、SRM低于三相的低于三相的SRM 没有自起动能力没有自起动能力（1） 2-phase 4 stator pole/2 rotor pole（2） 4-phase 8 stator pole/6 rotor pole（3） 3-phase 6 stator pole/4 rotor pole（4）5-phase 10 stator pole/8 rotor pole12/8 极三相开关磁阻电动机极三相开关磁阻电动机电机原理演示电机原理演示电机原理演示电机原理演示电机原理演示电机原理演示磁通总要沿着磁阻最小路径闭合，一定形状的铁心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，

4、必定使自己的轴线与主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磁场的轴线重合A-A 通电通电 1-1 与与A-A重合重合B-B 通电通电 2-2 与与B-B重合重合C-C 通电通电 3-3 与与C-C重合重合D-D 通电通电 1-1 与与D-D重合重合UU相通电1-1 与U-U重合VV 相通电2-2 与V-V 重合WW 相通电3-3 与W-W重合UU相通电 2-2 与U-U重合RR相通电 1-1 与R-R重合2sN2221 2222srrsrrrrsNNkNNN NkmmmNNr2rsrsrmNNmGN例图4 638G60nmNfrD60nNmffrD航空工业航空工业 家用电器

5、家用电器 机械传动机械传动 伺服系统伺服系统 电动车电动车 1 0 2 3 0 4 5 SR电机相电感随转子位置变化电机相电感随转子位置变化stator = 1位置位置rotor转子凹槽转子凹槽后沿后沿与定子磁极与定子磁极前沿前沿相遇位置相遇位置 1stator =0o位置位置rotor定子磁定子磁极轴线极轴线与转子凹槽与转子凹槽中心线中心线重合重合 =0ostator = 2位置位置rotor转子磁极转子磁极前沿前沿与定子磁极与定子磁极前沿前沿相遇位置相遇位置 2stator = 3位置位置转子磁极转子磁极前沿前沿与定子与定子磁极磁极前沿重合位置前沿重合位置rotor 3stator = 4

6、位置位置rotor转子凹槽转子凹槽后沿后沿与定子磁极与定子磁极后沿后沿重合位置重合位置 4stator = 5位置位置rotor转子凹槽转子凹槽前沿前沿与定子磁极与定子磁极前沿前沿相遇位置相遇位置 5 1 0 2 3 0 4 5 =0 定子磁极轴线与转子凹槽中心重合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转子凹槽前沿与定子磁极后沿重合位置

7、图1：绕组电感L与转子位移角在一个 转子极距内的关系曲线u为不对齐位置或最小电感位置； 1为临界重叠位置； kr为半重叠位置； a为对齐位置或最大电感位置； 2为定子励磁极刚好与转子磁极完全重叠位置（假设转子磁极宽度大于或等于定子磁极宽度）； 3为定子励磁极刚好与转子磁极临界脱离完全重叠的位置； 4为定子励磁极后极边与转子磁极后极边临界相离的位置。 电感与转子位置的关系SR电机绕组电感的分段线性解析式：电机绕组电感的分段线性解析式：544max43max32min221min)()()(KLLLKLLK=(Lmax-Lmin)/(3-2)= (Lmax-Lmin)/sLmin为定子磁极轴线对转

8、子凹槽中心时的电感为定子磁极轴线对转子凹槽中心时的电感, Lmax定子磁极定子磁极轴线对转子磁极轴线的电感轴线对转子磁极轴线的电感 。s定子磁极极弧(pole arc)。0)2()(onponUU）onpppon其它位置()2()(onpcdddtdU)(/(maxonpU)(22)(2)()(1maxmax1min1minminKLULUKLUKLULUionponponponon)2()()()()(54433221onpppdtdLidtdiLu0)(, 000ononiit)(LzonzoffsoffonsUU,0uk忽略电阻，相绕组电压方程忽略电阻，相绕组电压方程：而：而： =L i

9、dtdUSdidLdidLUsLiLidtdtdtd相电流解析分析相电流解析分析同时可以同时可以导出：导出：54243322200000iKiKTTTKT为常数为常数sdidLULidtdsUdidLLiddminsUdiLdmin( )sonUiL min2()sUCLKimin2min2min2()()()()sUdidLdiLiLKiKddddidiLKKiKdddid K iLKddmin2()( )()sonUiLKmin2(2)( )()soffonUiLKmax(2)( )soffonUiLmax4(2)( )()soffonUiLK12min2min23min234max45m

10、ax4()()(2)()()(2)(2)()sonsonoffsoffonoffsoffonsoffonULULKUiLKULULK开通角开通角关关断断角角 on 2 :电感上升，使绕组电感上升，使绕组电流下降电流下降 off 3 : 在电感达最大之前，绕组在电感达最大之前，绕组关断，绕组续流。关断，绕组续流。 3 z 4 (zz=2=2offoff- -onon) ) 在电感下降之前，续流结在电感下降之前，续流结束。否则会产生反向转矩束。否则会产生反向转矩典型电流波形典型电流波形1) on 是控制转矩的重要参数：是控制转矩的重要参数： 一定时，若一定时，若开通角开通角 on较小，相电流直线上

11、升时间较长，较小，相电流直线上升时间较长，从而增大电流，提高转矩从而增大电流，提高转矩。2) 在在 on一定时，增大一定时，增大 off,平均转矩也相应增大平均转矩也相应增大。但导通角。但导通角 c= off- on有一个最佳值，超过此有一个最佳值，超过此值，值， c 增大，平均转矩反而减小。增大，平均转矩反而减小。讨论：讨论：LiconstiiW),(idiiW0),(22210210KiKiTe)()()()(54433221 iL LiiWWmm22121 LiWTm221rrN/2mmWWT0onrpN/OEFrCOEFANAT dfuNNdiNNNmATrNrssrrOEFav/20

12、2244/221emT1emP)21)(2minmax2min2222LLLUNmToffonoffSravdiiWci0),(i),(iWTcediTmNTrNerav/20),(2221LiddLi221dtdLiLidtdui222121ddLiLiddui222121320ddL430ddLRWW540ddL结构一定，在结构一定，在onon和和offoff不变时不变时，绕组电流随外加电压的增大而增大，随转，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也可以影响绕组电流，从而就间接地

13、使电动机的电磁转矩增大。机的电磁转矩增大。 ：外加电源电压外加电源电压UsUs、角、角速度速度r r、开通角、开通角onon、关断角、关断角offoff、最大电、最大电感感Lmaxmax、最小电感、最小电感Lminmin、定子极弧、定子极弧s s等。等。 线性模型忽略了许多因素，计算结果误差很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、转矩的因素大，只能定性地说明影响电流、转矩的因素。VTuuponVDuuWPwon不计磁滞、涡流及绕组间互感时，不计磁滞、涡流及绕组间互感时，m相相SR电电机系统示意图机系统示意图 J转转子与负载的转动惯量子与负载的转动惯量 D粘粘性摩擦系

14、数性摩擦系数 TL负负载转矩载转矩 Te K J TL R1 d 1/dtt1 u1 + - . . . Rm d m/dt um + - 耦合磁场耦合磁场 i1 im 第第k相绕组的相电压平衡方程相绕组的相电压平衡方程:所以：所以：电阻压降电阻压降dtdLidtdiiLiLiRdtddtdiiiRUkkkkkkkkkkkkkkkkLeTdtdDdtdJT22为避免繁琐计算，又近似考虑磁路的饱和效应，常为避免繁琐计算，又近似考虑磁路的饱和效应，常借助准线性模型：将实际非线性磁化曲线分段线性借助准线性模型：将实际非线性磁化曲线分段线性，且不考虑磁耦合，且不考虑磁耦合一段为饱和段，视为与一段为饱和

15、段，视为与 =0的位置的的位置的磁化曲线平行磁化曲线平行,斜率为斜率为Lmin；一段为非饱和段，为；一段为非饱和段，为L( ,i)的的 不饱和段。不饱和段。实际磁化曲线实际磁化曲线分段线性磁化曲线分段线性磁化曲线i1准线性模型绕阻电感准线性模型绕阻电感L(i, ): 基于准线性模型，基于准线性模型，L(i, )是可解析的，可是可解析的，可以分别求出绕阻磁链与磁共能的分段解析式，以分别求出绕阻磁链与磁共能的分段解析式，由此得到由此得到SR电机的瞬时转矩的分段解析式：电机的瞬时转矩的分段解析式：123maxmax12minmin2min)()()(),(iiKLLiiKLLKLiL111100ii

16、iiiiii)()()(433221),(),(iWiTmemiimidiiLdiiiWr00),(,),(02)(210),(112iiKiKiiTem110iiii)()()(433221 恒转矩区恒转矩区 恒功率区恒功率区 串励特性区串励特性区 CCC 方式方式 APC 方式方式 1 2 c固定固定 o T scfcnn ,fcn可控量为：可控量为：Us、 on 、 off控制法控制法1：固定：固定 on , off，通过电流斩波限，通过电流斩波限制电流，得到恒转矩制电流，得到恒转矩控制法控制法2：固定：固定 on , off，由速度设定值和，由速度设定值和实际值之差调制实际值之差调制U

17、s，进而改变转矩，进而改变转矩*基速以上，角度位置控制基速以上，角度位置控制(APC)，输出恒功率，输出恒功率 A B C D D A B C D D Te 30 O 导通相控制导通相控制 60 Tstmin srssSImTIT, D A C AB BC CD DA Te 30 O 导通相控制导通相控制 60 B D O i Imin Imax O i Imax O i onSLUimin)(HonSCILU2minmax O T off on增大增大 0 0 Amin Cmaxn 2 1 电电流流斩斩波波可可控控区区 起起动动斩斩波波 定定角角度度斩斩波波 变变角角度度斩斩波波 APC控控

18、制制 可可变变角角度度运运行行区区 0/ddL0212ddLi0/ddL L i L, , i O Te - -Te r/2 on r off on off 导导 通通 区区 正正 转转 on off 导导 通通 区区 反反 转转 O L O Te Te L,Te转转 L,Te转转 L dtTTTTavav010/r rtNifFsin1 22cos1rrNifF电机原理演示电机原理演示电机原理演示电机原理演示电机原理演示电机原理演示磁通总要沿着磁阻最小路径闭合，一定形状的铁心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磁场的轴线重合A-A 通电通电 1-1 与与A-A重合重合B-B 通电通电 2-2 与与B-B重合重合C-C 通电通电 3-3 与与C-C重合重合D-D 通电通电 1-1 与与D-D重合重合 1 0 2 3 0 4 5 SR电机相电感随转子位置变化电机相电感随转子位置变化忽略电阻，相绕组电压方程忽略电阻，相绕组电压方程：而：而： =L idtdUSdidLdidLUsLiLidtdtdtd相电流解析