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SRM10于2004年6月投入了武汉市的510公汽线路上运行至今。112002年12月50/100kW开关磁阻电机在东风技术中心的装车照片AA'BCDB'C'D'EsS1S2VD1VD21231'2'3'1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)3015964.283.212.5SR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系统工作状态位置检测功率变换器SR电动机电流检测控制信号控制器电源负载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-DAH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。光电耦合器件槽型光电耦合开光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SP导通相10AB00BC01CD11DA10AB反转逻辑关系SP导通相00AD10DC11CB01BA00AD3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)R5R4C4+R7R6C3S+5VQVIN16341467139111258CD4046CD4040811101216角度细分电路(II)14431315S信号67300pF404610k47k1M0.22FOUT1CLK18253CSA0A1D0D7WRRD软件角度细分电路(I)88P0P2.4P2.5P2.6P2.7ALERDWRMCUA1A0D0D78253CLK0GATE0P1.0CSRDWR373154INT1测S、P跳变f0软件角度细分电路(II)CPU80C196KCHSI.0HSI.1SP速度检测一路转子位置信号的频率为60nNfrp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+-R2R1+15VR3R4UCCC2C1+-Uout充电泵2341581011SLM2907M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。cNTpmn160M法测速fmT2T法测速定时器计数器总线位置脉冲信号M法测速原理图记数器接口总线时钟脉冲位置脉冲信号T法测速原理图M/T法测速1260NmfnpmM/T法测速方案之一D触发器DCPQTcHSO.0HSI.0HSI.1SPTdTcTdm1m2M/T法测速原理电流检测SR电动机电阻采样电流检测电路RR1R2UoIL+UCCV＋_UoUiUoffsetisReR1R2R3RfIL+15V-15VLEM霍尔电流传感器检测电路VT1VT3VD3VD1VD2VD4VT2VT4++US-+U0ABCDC2C1LEM1LEM2四相SR电动机电流检测三相SR电动机电流检测+US-VD1VD4VT1VT4VD2VD5VT2VT5VD3VD6VT3VT6ABCLEM6SRM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。额定功率/kW1额定转速/r·min-155000定子极数6转子级数4定子外径/mm70转子内经/mm16定子内径/mm40转子极弧/°32定子极弧/°30转子轭高/mm6定子极高/mm9铁心长度/mm45气隙长度/mm0.5每相绕组匝数53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。θ=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。θ=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。θ=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。θ=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diiWci0),(磁共能的表达式为：-i磁能的表达式为：diW0),(ciemWTiW21iLddLiTem221线性模式下提高emT的方法:ddLmaxLminL①加大(与电机结构有关,要求增大减小,优化