开关磁阻电动机

1、开关磁阻电动机 摘 要开关磁阻电动机(Switched Reluctance Motor，简称SRM)调速系统(Switched Reluctance Motor Drive，简称SRD)是一种新型的调速系统。因其结构简单，鲁棒性好，启动转矩大及调速范围宽等特点，日益受到国内外学者的关注.关键词：开关磁阻电动机；调速系统； ABSTRACTSwitched Reluctance Motor Drive is a new adjustable-speed motor system. Its structure is simple,SRD has robust very well.Its star

2、ting torque and a wide range of characteristics of speed, increasing the concern of scholars at home and abroad. This article focuses on the SRM nonlinear mathematical model,Key words: switched reluctance motor drive；Speed Control System 开关磁阻电机的基本结构和原理 开关磁阻电机的基本结构和步进电机非常相似，它是双凸极可变磁阻电机。电机的定子和转子均由硅钢片叠

3、压而成，转子既无绕组也无永磁体，定子极上绕有集中绕组，径向相对的两个绕组串联构成一对磁极，称为“一相”。由于低于三相的SR电动机没有自起动能力；而相数多的SR电动机步距角小，利于减小转矩脉动，但结构复杂，且主开关器件多，成本高，故目前应用较多的是四相8/6和三相6/4极结构。从原理上看，SR电动机与步进电动机相似，运行原理遵循“磁阻最小原理”，即磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合。所以当铁芯与磁场的轴线不重合时，便会有作用力将铁芯拉到磁场的轴线上来，这个作用力就是磁阻电机运行的动力。这是SR电机与步进电机的相似之处，但是，一般步进电动机是开环控制，而SR电机则是闭环控制；另外一般步进电动机是用在角

4、位移较精密的传动方面上，而SR电机是典型的功率型电气传动装置，主要应用在牵引传动方面。因此，SR电机要突出速度控制和实现高效率，所以其结构和控制系统设计思路也大不相同。如图所示为四相8/6极SR电动机结构原理图(图中只简要画出A相绕组及其供电图1-1 四相8/6极SR电动机结构电路。 现以图中四相8/6极SR电机结构所示为例，介绍开关磁阻电动机的工作原理。图中，是电子开关，是二极管，是直流电源。电机定子和转子呈凸极形状，极数互不相等，转子由叠片构成，且带有位置检测器以提供转子位置信号，使定子绕组按一定的顺序通断，维持电动机的连续运行。电机磁阻随着转子磁极与定子磁极的中心线对准或错开而变化，当转

5、子磁极在定子磁极中心线位置时，相绕组电感最大，当转子极间中心线对准定子磁极中心线时，相绕组电感最小。图1-1中，当定子D-D极励磁时，所产生的磁力则力图使转子旋转到转子极轴线1-1与定子极轴线D-D重合的位置，并使D相励磁绕组的电感最大。若以图中定、转子所处的相对位置作为起始位置，则依次给DABC相绕组通电，转子即会以逆时针方向连续旋转；反之，若依次给BADC相通电，则电机即会沿着顺时针方向旋转。可以看出，SR电动机的转向与相绕组的电流方向无关，而仅取决于相绕组通电的顺序。另外，从图1-1可以看出，当主开关器件导通时，A相绕组从直流电源吸收电能，而当关断时，绕组电流经续流二极管继续流通，并回馈

6、给电源，因此，SR电机传图1-2 相电感、转矩随转子位置的变化图a)相电感随转子位置的变化b)一定电流下转矩随转子位置的变化动的共性特点是具有能量再生作用，系统效率高。 从上面简单的分析可以知道，SR电动机的转矩是由磁路选择最小磁阻结构的趋势来产生的。由于电动机磁路的非线性，通常SR电动机的转矩应根据磁共能来计算，即： （1-1）式中转矩，磁共能，转子位置角，绕组电流显然，磁共能的改变不仅取决于转子的位置，还取决于绕组电流的大小。在对SR电动机性能作定性分析时，为避免繁琐的数学推导，不妨忽略磁路饱和及边缘效应，并假定电感同电流无关。这时，一对定子极下电感随转子位置角的变化曲线如图1-2a所示，

7、电动机每转一圈，电感变化的周期数正比于转子的极对数，该周期的长度为转子极距。基于图1-2a的简化线性模型，式(1-1)可化简为式(1-2)，即： （1-2）由上式可知，相绕组在恒定电流作用下，产生的对应转矩如图1-2b所示。由此可见，SR电动机的转矩方向不受电流方向的影响，仅取决于电感随转角的变化；在相通电的过程中，若，则产生电动转矩；若，则产生制动力矩。因此，通过控制加到SR电动机绕组中电流脉冲的幅值、宽度及其与转子的相对位置，即可控制SR电动机转矩的大小与方向，这正是SR电动机调速控制的基本原理。SRD系统的组成图1-3 SRD系统基本结构一般SRD系统由SR电机和控制系统组成，基本结构如

8、图1-3所示。SRD系统包括:SR电动机、功率变换器、控制与检测单元、输入输出设备。其中控制系统主要包括功率驱动部份和控制器及检测部分。功率驱动部分是将蓄电池或交流电整流后得到的直流电能量经适当转换后提供给SR电机。由于电机绕组电流是单向的，使得其功率变换器主电路不仅结构较简单，而且相绕组与主开关器件是串联的可以避免直接短路的故障。功率变换器主电路的结构形式与供电电压、电动机相数及主开关器件的种类等有关，它是SRD系统能量传输的关键部分，工作在强电环境下，直接用来控制SR电机相绕组电流的通断来驱动电机转子的运转，是影响系统性能价格比的主要因素。控制器及检测单元是SRD系统的核心部分，它综合处理

9、电流传感器、位置传感器的反馈信息，控制功率变换器中主开关器件的工作状态，实现对SR电机运行状态的控制。若控制器发出一系列控制信号，使电动机各相主开关器件按一定的规律导通，则电动机会按逆时针或顺时针方向旋转，并输出机械能；若输出相反顺序的触发信号，则电动机将反转。它工作在弱电环境下，通过接受外围键盘等设备下达的指令，检测转子的位置和绕组电流的大小等信息，送入CPU并结合控制策略，得出控制方法，然后将控制输出信号送入功率电路，且同时将电机的运行状态通过显示设备显示出来，其设计的好坏直接影响电机的运行性能。SRD系统的特点和优点 SRD调速系统之所以被越来越多的人所关注，是因为其本身有许多自己的特点

10、和优点。 (1)SR电机结构简单、优点多 SR电机是将电能转化为机械能的装置，其突出的优点是电机无碳刷和换相器，转子上没有任何形式的绕组，制造成本低且转子的机械强度高，使得电动机可高速运转而不致变形；另外转子转动惯量小，易于加、减速。在定子方面，它只有几个集中绕组，线圈嵌装容易，端部短而牢固，因此制造简便，绝缘结构简单，并且发热大部分在定子，易于冷却；其次，电机转矩方向与相电流方向无关，在宽广的转速和功率范围内均具有高输出和高效率；最后，电机启动转矩大，可靠性高，能适用于危险的环境，且控制方式很灵活。 (2)SRD系统中功率电路结构简单可靠SR电动机的转矩方向与绕组电流的方向无关，只需单方向来

11、对绕组供电，故功率电路结构简单，可以做到每相只需一个功率开关器件。只要控制主开关器件的开通、关断时间，即可改变电动机的工作状态。另外，系统中每个功率开关器件均直接与电动机绕组相串联，避免了直通短路现象。因此开关磁阻电动机调速系统中功率电路的保护部分可以简化，既降低了成本，又具有较高的可靠性。(3)SRD系统效率高、起动转矩大 SRD系统是一种非常高效的调速系统。这是因为一方面电动机转子不存在绕组铜耗，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。其系统效率在很宽的速度范围内都在87%以上，这是其它一些调速系统不易达到的。且电机起动时，只需从电源侧提供较少的电

12、流，就能在电动机侧得到较大的起动转矩。 (4)SRD系统可控参数多，控制方式简单 控制开关磁阻电动机的主要常用方法有以下几种：控制相绕组电压，控制相电流幅值，控制开通角、关断角。可控参数多，意味着控制灵活方便，可以根据对电动机的运行要求和电动机的情况，采用不同控制方法，使之有效的运行。(5)SRD系统可靠性高、适用范围广SR电机不会发生感应电动机转子笼断裂或烧熔的故障，再加上SR电机采用简单而坚固的转子结构，由单极性功率变换器供单方向电流激励，可做到磁路上各相相互独立和电路上各相相互独立，因此，该系统具有较高的运行可靠性和容错能力。即使某相绕组或主开关管出现故障，电机依然能平稳运行，可适用在可

13、靠性要求较高的场合，如适合在高粉尘、易燃、易爆等恶劣环境下和要求超高速等场合下运行，并可广泛地应用在纺织、造纸、煤矿、航空、机械等领域。如：造纸机、浆纱机、采煤机、矿用运输机、电牵引采煤机、电机车牵引及局部风机和水泵等、家用电器和机器人上。开关磁阻电机调速系统的研究和发展方向由于开关磁阻电动机的发展历史短，涉及面广，在理论和应用上仍存在诸多值得研究探讨的课题，目前SRD系统的研究主要涉及以下几个方面： （1）SR电机模型的建立及参数的确定，尤其是磁链曲线的测量。建立SR电动机数学模型的主要困难在于电动机的磁路饱和、涡流和磁滞效应等产生的非线性，这些非线性影响着电动机的性能，但却很难进行数学模拟

14、。SR电机性能的精确估算，包括整个系统稳态和动态性能的数字仿真，现都己经引入了计算机的辅助设计。由于开关电路供电的非线性，电流波形规律特殊，只有将电机、变换器及控制模式一体化设计，协调优化电机、电路结构及控制参数等才能获得较为满意的结果。 （2）变换器方案确定和主开关元器件选择。开关磁阻电机调速系统的性能和制造成本，在很大程度上取决于变换器主电路的结构形式。变换器是根据控制器的指令输出直流脉冲电压分配给电机各相绕组工作的，方案类型很多。随着电力电子技术的发展，如何合理地选择主开关元件的类型、数量及容量也是一个十分重要的课题。 （3）无位置传感器的SRD系统的研制。位置检测环节是SR电动机驱动系

15、统的重要组成部分，检测到的位置信号既是绕组开通与关断的依据，也为转速闭环控制提供了转速信息。到目前为止国内外实际应用中转子位置检测多数是直接利用诸如光电式、磁敏式或霍尔式位置传感器，所用传感元件的数目也因相数的增加而增加。既增加了系统结构的复杂性和成本，降低了可靠性，同时又给安装、调试带来了不便。因此，国内外许多学者开始研究无位置检测方案，如电流波形检测及由此变形而来的非通电相加瞬间脉冲激励的电感简化计算、状态观测器检测、利用相磁链、相电流与转子位置的关系解算转子位置、利用相间互感与转子位置关系检测、电容式位置检测技术、加测试线圈的检测等方案。位置传感器的取消将使SRD系统有更多的优势与直流及

16、交流变频调速相竞争。（4）SRD系统的优化，包括从电动机的设计和控制器软、硬件两方面来提高系统效率、降低噪音和转矩脉动，加强对转矩脉动及噪声的理论研究。SR电动机的转矩脉动及其引起的噪声是SRD一个颇为突出的缺点，这限制了其在诸如伺服驱动等这类低速且要求平稳并有一定静态转矩保持能力场合下的应用。因此，研究抑制SR电动机的振动和噪声也是改善SRD性能的重要课题之一。结束语开关磁阻电动机调速系统(SRD)具有结构简单、工作可靠、效率高、调速性能优良等特点，是一种极具广阔前景的新型高效节能调速系统。本文的主要工作是在深入学习了SR电机非线性数学模型，探讨了SRD的全数字控制策略，并进行了仿真。通过仿真较准确的说明了数学模型的可行性。通过本次设计，我的知识领域得到进一步扩展，专业技能得到进一步提