永磁式开关磁阻电机原理及特性分析

1、第34卷第5期2000年9月Vol 345Sep. 2000浙 江 大 学 学 报(工学版)Journal of Zhejiang U niversity (Engineering Science)文章编号：1008 2973X (2000)0520579 206永磁式开关磁阻电机原理及特性分析廖海平，陈永校（浙江大学电机工程学系，浙江杭州310027）摘 要：提岀一种带永久磁钢的新型开关磁阻电动机（PMSRM）,对其基本结构、运行原理及电机性能等作了分析A该电机的定子上内嵌高性能永久磁钢 ，电机的转矩 体积比、效率均较相同功率等级的传统 SRM要高A同时不存在传统SRM所固有的一些缺点，并就

2、其出力能力与传统 SRM进行了比较A最后 给出了实验结果A 关键词：永久磁钢；SRM ；磁场分析 中图分类号：TM 351文献标识码：A_| |、.- I* 1 ."丄R： - '开关磁阻电机（SRM ）由于其结构简单、工作可靠，并在宽广调速范围内可获得较高的效率，近几十年来引起了各国学者广泛的研究兴趣，并在其设计、控制、性能分析与预测等领域获得丰富的研究成果1,2 A从工作机理上看，SRM的电磁转矩方向与电流方向无关，仅与相绕组电感的变化率有关/SRM工作在单方向电流脉冲状态下，电磁转矩必须在电感增加区域产生，在电感下降区到来之前，必须完成相绕组间换流，以避免制动转矩的产生

3、 ASRM实质上为单边单励电机，由于无独立 的激磁绕组，相绕组电流中必须提供激磁分量，输入的能量并非全部转化为机械能输出，而是存在能量利用率的问题 A由于以上特点，传统SRM存在着几个固有的缺点：（1）电机绕组利用率较低， 绕组最多只能导通半个周期 ；（2）由于电机绕组的最大电感较大，而换流常在最大电感区域附近发 生，功率开关管在大电感下关断，无疑将影响功率变换器和驱动系统运行的可靠性，这一点在大功图1 PM SRM 基本结构图Fig. 1 Basic constructi on design率电机中尤为突出；（3）随着容量和体积的减小，能量利用率问题更加突出，影响了 SRM转矩密度 和功率密

4、度的进一步提高 A针对传统SRM中所存在的这些问题，目前国外研究人员提出了一些对 现有SRM本体结构加以改进的方案，在其启发下，我们设计并研制了电动自行车驱动用永磁式开 关磁阻电机（PMSRM） A该电机保留了传统SRM结构简单的优点，同时通过高性能永久磁钢的引入， 克服了传统SRM中存在的换流相对较慢、能量利用率较低的缺点，增加了电机的转矩密度A!论分析与 实验结果均表明PMSRM在变速驱动，特别是小功率变速驱动领域里有着广泛的应用前景 A1 PM SRM的基本结构及运行原理PMSRM的基本结构如图1所示A与传统6 4极SRM相 比，区别主要在于定子轭部对称地嵌入两块磁钢，样机中采用了高性能

5、NdFeB磁钢N 30H A值得注意的是，PM SRM中相对 磁钢而言，外界气隙磁阻与转子位置无关，因此永久磁钢的工作总磁通基本上保持不变 A设计时，在电机基本结构确定的情 况下，其大小主要取决于所用磁钢的去磁特性及几何尺寸APMSRM中每相绕组的磁通由两部分构成：（1）永久磁钢单独作用产生的磁通；（2）绕组通电所产生的磁通A若仅考虑永收稿日期:1998202215作者简介:廖海平(1972-)，男，湖南湘潭人，浙江大学博士，主要从事电机驱动研究A© J994-20*09 China Ai2nde：vii£ JoEimjl Elicitihix Publi.siii.tTg

6、All rights riritimL hnp:w wwxnki.tiui第5期廖海平，等：永磁式开关磁阻电机原理及特性分析#第5期廖海平，等：永磁式开关磁阻电机原理及特性分析581EMF-,因此每相绕组中感应反电势为梯形波，如(b)阮也圭上陡转子位置变欝性图2 PM SRM的磁通、反电势特性Fig. 2 The characteristics of magnetic flux and(3)久磁钢所产生的与绕组交链的磁通，对每相绕组而言，定转子齿对齿位置时最大 ，而在定转子齿对槽位置时最小但理想情况下，该磁通随转子位置线性变化 图2所示A当定子绕组通电时，绕组电流与磁钢磁场作用，产生电磁转矩A

7、同时可以看出，在单相绕组单独通电情况 下，若不考虑永久磁钢的磁场，则可视磁钢区域为气隙，给绕组磁通回路带来较大的磁阻，因此在齿对齿以及齿对槽位置，绕组电感均较小，这也给电机相间快速 换流提供了有利条件 APMSRM运行原理可以从两个不同的角度去分 析：(1)电磁力的角度；(2)磁共能角度A前者较为直观， 而后者可以定量地描述这种电机中的电磁力矩，为设计提供指导A我们可以先从电磁力的角度去看电机运 行原理，然后再从磁共能的角度去分析影响电磁转矩 的几个因素 A如图3(a)所示位置，当各相绕组均不通电时,转子各极所受力相互平衡，合成电磁转矩为零，电counter2em. f of耐SRM机转子静止

8、A当 A相通以正向电流，使得极A与极-A下磁场增强，其效果为转子极1和极3两侧受力形成一力偶，使得转子沿逆时针旋转 A当转子逆时针方向旋转一小角度，到达图3(b)所示位置时，若B相通以负向电流，使得定子极B与极-B下磁场削弱，其效果为转子极2和极4两侧受力形成一力偶，其方向与前一力偶方向相 同A由此可以看出，两相导通时产生的电磁转矩为单相时的一倍A图3 PM SRM电磁转矩产生原理Fig. 3 T he princi p le of electrical m agnetic torque developm ent of PM SRMPM SRM的转矩产生机理可以从磁共能的角度进行定量的分析A相

9、绕组中的磁链Y由磁钢产生的磁链 Y及绕组通电产生的磁链Y两部分构成 旷相绕组单独通电时，可得Y=Y +YZ(1)而磁共能为W co =i/Yi,Hdi.综合式、(2)可得W coem =-1.2 i£+.5Yi.(3)5H25H5H由(3)式和以上分析可以得出如下结论(1) PMSRM中，电磁转矩包括传统SRM中的磁阻转矩和永久磁钢磁场的反应转矩两部分A但由前述分析可知，各相绕组的电感均较小，而且在一个开关周期中，若相绕组电流为矩形波，则平© 1994-2G09 ChiziJifuinia Eltclronic Publi?：打iii真 H-ouse. All ri昌tw

10、rameil. hlipv. w w-均磁阻转矩为零,故在PMSRM中,磁阻转矩不再是主要分量 A电磁转矩主要由永久磁钢磁场与绕 组电流作用产生，这与传统SRM完全不同A(2) PMSRM中,通过双凸极效应，引起磁钢与相绕组互感随转子位置变化，从而导致绕组交链磁通的变化,因此产生感应电势 A当绕组通以一定方向电流时，完成机电能量转换过程 A传统的SRM不存在独立的激磁绕组，因此绕组中的电流包含激磁分量和转矩产生分量，而PMSRM磁场主要由独立的高性能磁钢产生，绕组磁场能量较小A(3) 永久磁钢磁场产生的转矩，其方向与电流方向和磁链变化方向均有关 /要产生电动转矩，只 需在各相磁链上升区域通以正

11、向电流 (增磁),而在各相磁链下降区域中通以负向电流 (去磁)即可， 这也是PMSRM的基本控制策略 A3 PM SRM的二维磁场分析由于轭部磁钢的嵌入,PMSRM的磁场分布与传统 SRM有较大的不同A在PM SRM中,存在 着由永久磁钢产生的磁场和绕组通电产生的磁场A我们分别分析了两者单独作用和同时作用所产生的磁场，为便于与传统SRM比较，同时分析了相同冲片结构的SRM磁场分布情况 A图4 (a)(d)为典型位置时，各种情况下的磁场分布图 A(a)永典施钢单独非用(b? FHSfiK B相绕组单独通电第5期廖海平，等：永磁式开关磁阻电机原理及特性分析#第5期廖海平，等：永磁式开关磁阻电机原理

12、及特性分析#(c)PM SRM永久磁钢激磁,A、相同时通电(d)传统SRM ,B相单独通电图4典型位置下磁场分布图F ig 4 M agnetic field distribu ti on under typ ical locati on s由图4可以清楚地看到，由于永久磁钢的引入，就绕组而言，磁钢的存在给绕组磁路提供了很大的磁阻，使得一相绕组所产生的磁通不再像传统SRM那样几乎全部经过相对的两极闭合，而是有部分经过相邻极，这就使得电机绕组的互感较传统的SRM突出A有限元分析表明，绕组互感在aiEtzsiiL： Jifurriu E-ltclrunx Puhli.ihi.ttgAH right

13、s582浙江大学学报(工学版)2000 年定转子极一半重合处具有最大值；而由于轭部磁钢的存在，绕组电感在一半重合和全部重合处数值均较小A分析表明，PMSRM中轭部磁通密度较低 A定子极的磁通密度主要是由永久磁钢的磁场决 定,通正向电流时略有增加，而通反向电流时略有减小 ；而传统SRM中磁路的饱和程度由绕组通 电所产生的磁场决定 A同时也应注意到,在图4(a)情况下,即B相绕组磁通最大位置,B相绕组并 不是像传统SRM中那样几乎交链全部磁通；磁钢的部分磁通与 A、C相交链分流，这一点在电机设 计,特别是磁钢尺寸设计时必须加以考虑A对样机有限元分析表明，一相绕相磁链基本上随转子位置线性变化,根据下

14、式可以推算出空载不同转速下电机绕组的反电势大小AdY dY,、e= dt= d H 日Z一相空载反电势为一梯形波 A4 PM SRM 与传统SRM 出力能力比较在传统SRM中,输入能量中只有部分转化为机械能 ，另外一部分能量返回电源 A因此在传统 SRM中存在能量利用率因子，其意义与交流电机中的功率因数相仿 A PM SRM与传统SRM的出 力能力可通过其磁链-电流图作一直观比较，并作如下合理假设：(1) 两种电机主要尺寸相同 A由于散热条件相同，两种电机的铜耗保持一致 A(2) 绕组参数设计完全一致 (绕组匝数、线规等),均通以方波电流 A(3) 由于磁钢的作用，在转子不同位置处，PMSRM

15、中绕组均存在偏磁 A磁钢尺寸适当设计， PM SRM中空载绕组最大磁通变化 (磁通摆幅)与传统SRM的最大磁链变化(即最大磁链)Y相 同A图5,图6分别示出在一个电周期内，SRM与PM SRM 一相磁链-电流变化图A为保证两种电 机的铜耗一致，PMSRM双极性导通时的电流峰值仅为传统SRM的0. 707倍A00.707*O0.707* ip1图5传统SRM磁链-电流变化图图6PM SRM磁链-电流变化图Fig 5T he variati on of m agnetic fluxFig. 6T he variati on of m agnetic fluxlinkage 2u rren t of

16、 traditi onal SRMlinkage u rren t of PM SRM图5,图6中W1的大小(对应于闭合多边形的面积)直观地反映了两种电机在一个电周期内的出力情况A并可看出PMSRM的力矩明显高于传统 SRM的力矩A亦可通过简单的几何计算定量的 说明A在图5中，一个完整的电周期中，每相有面积为Soabc代表的磁能转化为机械能，即有效电磁能 量W 1,其几何关系为Soabc = W 1 = Y iP - W 2 - W 3,(5)式(5)中,W 2为续流阶段回馈至电源的能量，其大小直接取决于电机设计的饱和程度勿、功率SRM设计的饱和程度较浅，而在大功率SRM的饱和程度较深，反映在

17、图中W2在电源向电机提供的总能 量中所占比例的大小变化Z在图(6)中,一个完整的电周期中，每相有面积为Sabcdef的能量转化为机械能输出，其几何关系为*© ¥942009* China Acnde：ni£ JifEirriij QteltiMix Publis-hing |<use. All riescrieiL hliprv. ki.tict第5期廖海平，等：永磁式开关磁阻电机原理及特性分析583Sabcd ef = 2 X (Y-Y) X 0 707 X ip = 2 X Y X 0 707 X ip = 2 X Y X ip .(6)综合(5)、(6

18、)式可以得到SabcdefSoabc =由式可以看出，在相同电机尺寸和绕组参数设计下，PMSRM的输出力矩至少为 SRM的"2倍A理想情况下，两者的力矩比？可以达到2、2 A由此可以看出，PMSRM在小功率应用中的优 越性尤其明显A总之，从图5,图6可以发现，PMSRM的比功密度的增加基于以下几个方面的原因：(1) PMSRM工作在双极性状态，一相通电时间为2 3周期，而SRM工作在单极性状态，一相 导通时间不超过1 2周期；(2) 传统SRM的能量利用率的大小由设计的饱和程度决定A特别是在小功率应用场合，受电机体积等条件限制，设计在浅饱和状态，能量利用率问题更为突出，很难同时获得较

19、大的比功密度 和理想的运行效率 A而PMSRM中返回能量仅占总输入能量的一小部分，能量利用率较高，通过磁钢尺寸和绕组参数的合理设计完全可以同时获得较大的比功密度和较高的运行效率A(3) 由于PM SRM的最大电感较小，相间换流迅速，因此关断角可以十分接近完全重叠位置；而传统SRM为避免明显制动转矩的产生 ，必须提前关断A5 PMSRM性能分析及实验结果由前述分析可知，由于PM SRM采用高性能永久磁钢激磁，工作在双极性状态下，其能量转化 率和绕组利用率均较传统 SRM要高，因此它具有较高的比功密度 ，与相同功率等级的传统 SRM 相比，其体积较小APMSRM输出转矩直接取决于磁钢产生磁链的变化

20、率与绕组电流大小 ，通过调 整绕组匝数可以方便地调整输出转矩的大小 A由于采用高性能磁钢，其绕组匝数较小，加之体积和 绕组端部长度亦较小，电机铜耗也较传统的 SRM小A同时，这种电机的轭部磁密较小，磁密变化不 大，电机铁耗与传统SRM 一样都比较小，因此这种电机的工作效率较高 A在小功率应用范围内，由 于铜耗在总损耗中占较大份量 ，因此PM SRM在效率上的改进尤为明显 A在某些场合，需要电机体积较小，同时又要保证一定的输出转矩 ，PM SRM具有明显的优势 A当然，由于采用高性能永久磁钢，电机成本会较传统 SRM有所提高(这里不考虑电机体积减小所带来的成本降低因素)APMSRM的功率变换器可

21、以采用无刷直流电机(BLDC M )控制用的全桥式功率变换器 A其控制策略在 前面的分析中已经提及 ，这里不再重复 A与BLDC M驱 动一样，由于采用全桥式结构，功率变换器存在上下桥 臂直通的可能，但由于PMSRM中的最大电感较小，相 间换流迅速，通过对驱动线路采取适当的措施，完全可以避免直通情况的产生 ，样机实验亦证明了这一点 A采 用测功机对实验样机进行了负载测试，样机外形及测功实验装置如图7所示A图7样机外形及测功装置Outward appearance of sample mo tor and pow er m easu rem en t equ ipm en t实验样机为一小功率电

22、动自行车驱动电机，其额定输出功率为135W，额定速度为3 500 r m in，固定超前 角情况下测得样机的功率、转矩输出特性及系统运行效Fig 7率曲线如图7(a) 所示，图7(b)、(c)分别给出了低速及高速运行下的典型电流波形 A实验结果表明，样机输出功率和输出转矩均达到了设计要求 A特别是在 额定运行点附近驱动系统运行保持了较高的效率 (本样机效率达76% ) A若采用传统的SRM，电磁设计结果表明，相同容量和转速下驱动系统的效率很难达到以上指标A值得指出的是，由于对© 19S4-2&09 ChinziJournal EteelriMnic Puhiihi.tugAl

23、l rishis reiezveil.584浙江大学学报（工学版）2000 年PMSRM的研究只是刚起步,各方面还有待深入 A本实验样机并未优化,通过磁钢尺寸的调整及绕 组参数的合理设计，样机性能可进一步提高A相关的工作与对PMSRM的全面评价将进一步深入A6结论本文分析和研究了新型PMSRM的基本结构、工作原理及性能特点，并给出样机的实验结果A理论分析与实验结果表明该种电机具有以下几个特点：(1) 由于高性能磁钢的引入，电机具有较高的功率密度；(2) 结构简单，仍沿用传统SRM的双凸极结构，转子上无绕组，因此转子惯小，反应迅速；(3) 由于各相绕组电感较小，功率变换器不存在传统SRM功率变换

24、器中的大电感关断问题A功率变换器工作在双极性状态，电机绕组的利用率较传统的SRM高；(4) 在相同输出功率的情况下，电机体积、绕组匝数、铜耗均较小，因此具有较高的效率 A参考文献：.：/l 'h *|i> I ' '|广论t 仝1 L aw ren son PL. V ariab Ie2speed sw itched reluctance mo tors J . IEE Pro B, 1980, 7(4): 253- 265.2 M iller T J E. Sw itched reluctance mo tors and their contro l M . H illsbo ro: M agna Physics Pub lish ing, 1993Analysisof the pr inc iple and character istics of PM typeswitched reluctanee m otorL AO Hai/ing，CHEN YongZciao(D ept of E lectrical Engineering ，Zhejian