开关磁阻电机设计和应用

1、浙江大学电气工程学院开关磁阻电机设计，吴建华，2011年7月1日，电话：有数万种电机品种和规格。科技进步越多，生产力发展越快，需要的发动机就越多。自从100多年前马达问世以来，马达在人类文明发展史上发挥了非常重要的作用。随着科学技术的进步，原材料性能和制造技术的提高，各种电机有数万种规格，功率等级从百万分之几瓦到1000兆瓦以上。发电机及其他相关设备，使人们能够利用热、水、核、风、地热、潮汐、太阳能等能源发电，并提供国民经济和人民生活所需的电力；电机作为驱动各种机械设备的动力，广泛应用于工业、农业、国民经济和人民生活中。马达过时了吗？1.概述：典型的电机是根据电磁感应

2、原理运行的旋转或线性电磁机器，用于实现电能和机械能之间的相互转换。电机工作原理：电磁感应定律和电磁力定律电机的工作原理基于电磁感应定律和电磁力定律。在实现能量转换时，电机应该有两个可以相对运动的部分：建立励磁磁场的部分和感应电动势并流过工作电流的感应部分。在这两个部件中，静止的称为定子，运动的称为转子或动子。电磁转矩是由气隙中的激励磁场和感应部分中的电流建立的磁场之间的相互作用产生的。这两个磁场以不同的方式形成不同类型的电机。例如，如果两个磁场都由DC电流产生，就形成了DC马达。两个磁场由不同频率的交流电产生，形成一个异步电动机。当一个磁场由DC电流产生而另一个磁场由交流电流产生时，就形成了同

3、步电动机。DC电机、异步电机、同步电机、开关磁阻电机的结构和工作原理与传统的交流/DC电机有很大的不同。定子和转子均由硅钢片层压而成，转子既无绕组也无永磁体，定子极上缠绕有集中绕组。通常，直径相反的磁极的绕组串联连接形成一组。三相6/4极开关磁阻电机的运行现代开关磁阻电机驱动系统的发展始于20世纪80年代，这要归功于英国学者劳伦森及其同事的杰出贡献。目前，SR电机系统已经有了很大的发展，其产品已经应用到电动汽车驱动系统、家用电器(洗衣机、食品加工机械、电动工具等)中。)，一般工业(风机、泵、油田、煤矿等。)、伺服和速度控制系统、牵引电机和高速电机(用于纺织机、航空发动机、电动工具、离心机驱动器

4、等)。)。功率范围从10W(转速10000rmin)到5MW(转速50rmin)，速度上限高达100000 r/min。在中国，也有很多科研机构开展SR电机系统的研究，一些企业也进行了产品的批量生产。同步电动机的工作原理遵循最小磁阻原理磁通总是沿着最小磁阻的路径闭合，并且由于磁场畸变而产生电磁转矩。它的电磁转矩是磁阻转矩。其中转子位移角；w磁性公共能量；I相绕组电流。单相开关磁阻电机用于真空吸尘器电机。美国飞兆半导体公司专门为单相开关磁阻电机开发了功率模块。用虚位移法，同步电动机的电磁转矩可以写成：当不考虑磁路饱和时，同步电动机的电磁转矩可以写成：开关磁阻电动机驱动系统(SRD)是一种变速电动

5、机，主要由同步电动机、功率变换器、控制器和检测器组成。SRD体系的理论研究和实践证明，该体系具有转矩方向与相电流方向无关，从而减少了功率变换器的开关器件数量，降低了系统成本。该功率变换器无直接故障，可靠性高。起动转矩大，低速性能好，感应电机起动时无冲击电流现象。调速范围宽，控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩和速度特性。在较宽的速度和功率范围内，它具有高效率和四象限运行，并具有很强的再生制动能力。凭借各种突出的优势，SRD系统已成为交流电机驱动系统、DC电机驱动系统和无刷DC电机驱动系统的强劲竞争对手。突出的缺点：噪音振动。为了充分发挥其优势，有必要进一步完善SRD系统的电机设计和控制理论。目

6、前广泛使用的是三相6/4极、三相12/8极和四相8/6极结构，常见的有同步电机定、转子极组合方案、二次电机结构、涡流反转矩辅助起动、径向轴向磁通外转子结构、永磁磁钢辅助起动和单相开关磁阻电机，但单相开关磁阻电机存在严重的起动“死区”。如果起动问题得不到解决，单相开关磁阻电机很难成为现实。带阶梯气隙的不规则两相同步电动机、涡轮转子两相同步电动机、可控饱和两相同步电动机和两相开关磁阻电动机在对中位置(定子极和转子槽的中心线对中)和不对中位置(定子极和转子槽的中心线对中)都不具有自启动能力，还存在一定的转矩“死区”。三相6/4极开关磁阻电机、三相12/8极开关磁阻电机、三相6/2极开关磁阻电机和三相

7、开关磁阻电机是最常见的开关磁阻电机结构，三相电机是最少相数的开关磁阻电机，具有正常结构和正反向自启动能力。除了常见的3相6/4极外，还有3相6/2极、6/8极、12/8极等结构。三相6/8极同步电动机、三相12/10极同步电动机、三相24/32极外转子同步电动机、四相8/6极同步电动机、五相10/8极同步电动机、七相14/12极同步电动机和四相开关磁阻电动机也得到广泛研究和应用。与三相电机相比，四相电机的起动性能更好，转矩波动更小，但电机和控制器的成本增加。五相或多相开关磁阻电机的目的是获得更平滑的电磁转矩和减小转矩波动，但是电机和控制器的成本和复杂性大大增加。性能分析、主要尺寸的确定、磁路计

8、算、参数计算、性能计算、起动、电机设计的基本流程、均匀气隙、不均匀气隙、平均电磁转矩可以基于一个工作循环的能量转换回路的磁链-电流曲线来计算。为了获得最大电磁转矩：最大化对准位置电感，最大化饱和磁密度，最小化未对准位置电感，磁链曲线族，以及在初始重叠位置和半重叠位置之间，磁链轨迹包含最大的磁公共能量区域，并且磁链与旋转角度近似线性。对齐位置，未对齐位置，半重叠位置，初始重叠位置，1。四条重要磁化曲线和绕组电感的解析计算可以用两种方法计算：1)磁链法；2)能量法。采用磁链法时，电感为线性介质(磁链与电流成正比变化)，失准位置和U位置的二维典型磁场分布，U位置的近似磁通路径，失准位置和U位置的磁路

9、结构图，以及根据有限元计算结果制作的SR电机U位置的二维典型磁场分布图，磁场与励磁极对称。由于气隙较大，磁心是不饱和的，假设磁心的磁导率是无限的，磁力线垂直于磁心表面，U位置的磁化曲线实际上是一条直线。为了简化分析，假设激子参考上图，每个极绕组的磁链为2(12345)，其中1、2、3、4和5分别是区域1、2、3、4和5的磁链。单相线圈的电感为：其中，Nph的每相绕组匝数；o透气性。lFe堆芯的有效堆长；计算Pj每条路径的特定渗透率分量、和P1。参见路径1的磁路细节。为了简化分析，使用直线C1H2代替铁芯轭弧段C1H2，并且假设区域C1H2H1D4C1均匀地填充有激励导体。路径1的磁路细节，设l

10、x为x处磁通管1的磁路长度，Nxi为x处单位磁路的匝链的安匝数，那么，对应于x处磁通管的单位磁链，则电感L1为，比磁导率分量P1为、以及其他路径的磁导率分量。考虑到端部磁场电感的计算，从SR电机的结构特点可知，U位于下端。铁芯端部磁场的精确计算需要对三维磁场进行数值分析，这很难应用于一般的性能计算。在相关文献中提出了一种估算端部磁场的简单方法：用等效气隙gF和考虑端部磁场的电枢计算长度lF来计算电枢的端部磁场。等效气隙gF是磁力线长度(1)、(5)的平均值，以及考虑端部磁场时电枢的计算长度，其中为卡特系数，因此考虑端部磁场时考虑绕组电感、和U位置的对准位置，对SR电机的磁场分析表明，大部分磁通

11、量在A位置被定子励磁极和转子铁芯均匀闭合，因此可以等效为一个简单的双极磁路模型，采用磁路法。为了简化计算，假设磁通量在磁路中均匀分布，没有漏磁通和磁分路。A位置两极磁路模型，磁路计算的基本原理：全电流定律(安培环路定律):沿任意闭合电路线的磁场强度矢量的积分等于电路所包围的全电流(电流代数和)。如果积分路径沿磁场强度矢量(即沿磁力线)定向，开关磁阻电机对准位置的磁路可分为五个部分：气隙；定子磁极。转子磁极；定子磁轭。转子轭，见两极磁路模型。磁路分为五个磁性部分：气隙、定子磁极、转子磁极、定子磁轭和转子磁轭。磁路参数如下：气隙长度、定子磁轭横截面积、气隙横截面积、定子磁轭长度、定子磁极横截面积、

12、定子磁极长度和转子磁极横截面积。远离磁极根部1/3极的磁场强度被视为磁极的等效磁场强度。然后，对于平行的转子磁极和转子磁极长度，利用双极磁路模型计算每对磁极的励磁磁势，u转子位置电感，转子位置磁化曲线，计算实例用上述解析方法和二维有限元方法计算了两种不同结构尺寸的样机，并与实验结果进行了比较。2，磁化曲线的有限元计算，Ansoft磁通2D磁铁JMAG，Ansoft Maxwell SV静态磁场分析，AutoCAD建模，格式转换及导入设定解区域范围，命名区域，组设定材料设定边界条件，励磁设定解参数求解，后处理，计算实例：8/6极SRM，额定功率7.5kW，额定电流20A，峰值电流40A，每相匝数

13、136，磁场分布图，气隙磁场波形，SR电机的工作原理及结构相对简单， 但其双凸极结构特性、磁路和电路的非线性和开关特性使电机的各种物理量随转子位置周期性变化，电机性能应基于SR电机k相的电势平衡方程Emf平衡方程：其中，uk k相端电压、ik k相电流、Rk k相电阻和k k相磁链。 在线性模型中做出以下假设：(1)忽略磁场线性模型，绕组电感与转子位置角在极距处的关系曲线，准线性模型分段线性化实际的非线性磁化曲线，并近似考虑磁路饱和效应，准线性模型，SR电机准线性模型，当磁路不饱和时，当磁路饱和时，电磁转矩正比于电流的一次幂。类似于串联励磁电机的特性。非线性磁参数法：基于有限元法得到的磁链曲线

14、族，用四阶龙格-库塔法求解电压方程；4.非线性模型、(绕组导通期间)(绕组续流期间)、快速非线性方法或快速非线性仿真方法：基于对准和未对准位置磁链曲线，或基于四位置磁链曲线，建立电磁性能的解析计算模型。仿真计算与实测值的比较，5、开关磁阻电机计算机辅助设计，7、开关磁阻电机计算机辅助设计，8、开关磁阻电机计算机辅助设计，9、开关磁阻电机计算机辅助设计，10、场路联合动态仿真，6、动态仿真，3D动态仿真，转矩波形，电流波形，铁损是开关磁阻电机性能计算的难点。7.铁损计算。噪声振动是同步电机应用的瓶颈。法国Besbes M和Ren Z的对比实验表明，电磁噪声占总噪声的95%。因此，如果能够有效地抑

15、制电磁噪声，就能够实现同步电动机的噪声降低。噪声振动抑制作用在定子磁极上的径向力引起的定子变形是同步电机噪声振动的主要原因。振动分析主要包括径向力计算和结构分析。用有限元法计算径向力-角度-电流关系曲线，得到动态径向力波形。用解析法推导了电机结构参数、电流和径向力波形之间的关系。双极激励用于形成短路磁路，以降低系统噪声。用有限元法计算电机的固有频率，用瞬态有限元法分析电机振动的动态响应。定子磁极和定子轭经过优化，可将振动降至最低。基于振动传递函数的开关磁阻电机振动预测用结构谐波分析法预测开关磁阻电机振动用统计能量分析法分析开关磁阻电机的高频振动模拟多物理场耦合振动比较两种停机控制策略下的振动波

16、形远离二阶周向节点数模式定子固有频率相位调制电流的开度角和闭合角，优化噪声控制的控制策略，加强定子刚度，采取阻尼措施，降低绕组换相时径向磁引力瞬时冲击引起的噪声和振动，减小电机转矩波动。 电机和负载之间尽量采用SR柔性连接。降低噪声和振动的一些基本措施，转矩脉动是开关磁阻电机应用中不可忽视的问题，特别是在一些要求伺服性能的直接驱动系统中。近年来，开关磁阻电机转矩脉动抑制方法的研究主要集中在转矩分配函数法和神经网络、模糊控制等智能控制方法上。9、转矩脉动抑制、转矩分配函数方法，转矩分配函数模块TSF在接收到给定的转矩T*m后，根据电机当前的转子位置将给定的转矩分配给各相，转矩-电流模块根据切换策略产生给定的电流。左下角的图显示了典型的扭矩分配