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小功率三相开关磁阻调速电动机的设计电082高福振0812002036导师：瞿遂春本课题研究的现状近20年来，SR电机的研究在国内外取得了很大的发展，但作为一种新型调速驱动系统，研究的历史还较短，其技术涉及到电机学、微电子、电力电子、控制理论、机电一体化及工程应用等众多学科领域，加之其复杂的非线形特性，导致研究的困难性，在电机理论、性能分析和设计、控制、测试等方面都还不够成熟、完善，存在大量的工作要做。磁阻电机的工作原理最早出现于19世纪40年代，当时的研究人员认为利用顺序磁拉力方法可以使电动机旋转是简单可行的。但是受到当时科技条件的限制，本课题研究的现状电动机的运行特性很差，在以后的100多年时间里开关磁阻电机调速系统的发展很慢。直至20世纪60年代大功率晶闸管的投入使用对SRD的研究和发展奠定了重要的物质基础。1980年“开关磁阻”的术语作用于径向气息电动机第一次现世，系统的阐述了SR电机的工作原理及设计理论，研究了SR电机的工作原理及控制方式。而随后SRD有了迅速的发展并在系统的一体化设计、电动机的电磁分析、微机的应用、新型结构型式等方面取得了进展。发展趋势国内外对开关磁阻电动机调速系统做了进一步的研究，目前的研究热点主要有；进一步完善开关磁阻电动机的设计理论，建立一套效率高、适用于工程设计要求的优化设计法。开关磁阻电动机的非线性使其性能分析和计算较为困难。目前，采用二维非线性有限元方法分析电机内的饱和磁场具有局限性：第一，对以路为基础的设计方法研究不够，由路的方法导出的设计公式能以清晰的物理概念体现设计变量与结果之间的联系，而场的方法则显得比较抽象，就设计方法的经济性和正确性综合考虑，用路的方法设计，而用场的方法来校核是一种比发展趋势较理想的方法；第二，现有场的方法精度有待提高，应计及端部效应，开展开关磁阻电动机三维场的研究。在此基础上，开展计算机辅助设计，向智能化方向发展。加强对铁心损耗理论的研究。开关磁阻电动机磁场特性的非线性导致相绕组供电电压和电流波形比较复杂，一般为单向脉动的非正弦波；定、转子各部分铁心中的磁通密度变化规律也不相同，因此对定、转子铁心损耗的计算和测量都很困难，目前面临的主要问题是如何建立准确、实用的铁心损耗计算模型和分析、测试方法。发展趋势加强对转矩脉动及噪声的理论研究，提高电机的功率因数。减小开关磁阻电动机的振动和噪声的关键在于如何减小作用在定子上的径向力。从电机自身的结构设计上，主要是合理设计磁场结构、定子磁轭强度和电机刚度，合理选择气隙、极弧参数及励磁方式，优化绕组的拓扑结构。从控制角度看，主要是优选导通角和关断角及调节脉冲宽度，尽可能调节好各相工作参数的对称性。发展趋势改善电机静态及动态性能仿真模型。开关磁阻电动机的性能分析方法还处于探讨阶段，有待进一步完善。完善开关磁阻电动机、功率变换器及控制器三者之间的协调设计，应该把这三者作为一个整体来进行优化设计，不应该将各部分的设计分裂开。目前的研究，尚停留在仅对特定类型的开关磁阻电动机调速系统分析核算的水平，只能完成局部的综合设计和个别参数的优化。实用无位置传感器方案的研究。目前，国内外提出许多无位置传感器转子位置检测方案，比如，通过测试电机非激磁相绕组电感来估算转子位置；利用探测线圈的发展趋势自感和互感估算转子位置；在定子两个凸极之间安装金属平板，通过电容的变化来估算转子位置等。如果将这些无位置检测方案应用于开关磁阻电动机调速系统，可以使系统更加简单。开关磁阻电机转矩波动最小化技术。开关磁阻电动机运行中的转矩脉动较大是其一个主要的缺点，因此如何获取最佳的绕组电流波形以使开关磁阻电机转矩波动最小就成为主要的研究方向。目前，主要的研究成果有利用迭代学习控制和转矩分配函数减小转矩波发展趋势动。这种方法以绕组电流作为开关磁阻电动机调速系统的输入量，转矩作为系统的输出量，利用迭代学习控制方法不断调整绕组中的电流、以得到希望的输出转矩。这种方法完全从控制工程的角度，实现转矩的波动的最小化，它不需测量电机磁特性，控制器结构简单。计算工作量小，便于微机控制，是一种很有前途的控制方法。目前，SRD的研究方向主要集中在更优的电机建模、更简便的位置传感器、合理的开关元件、更小的噪声、更高的功率因数和优化控制系统方面研究的意义和价值开关型磁阻电动机驱动系统(SwitchedReluctanceMeter，简称SR电动机)是20世纪80年代迅猛发展起来的一种新型调速电机驱动系统。它的结构极其简单坚固，调速范围宽，调速性能优异，而且在整个调速范围内都具有较高的效率，系统可靠性高，(SRM)具有结构简单、坚固体积小、重量轻、工作可靠、制造成本低廉等诸多优良特性,形成了与其他类型电动机竞争的潜在优势。人们对（SRM）非线性本质认识的加深,以及转矩脉动抑制研究的进一步发展,必将促进人们加强对(SRM)在伺服驱动系统中应用的研究。SRD的组成开关磁阻电机驱动系统（SRD）主要由开关磁阻电机（SRM或SR电机）、功率变换器、控制器和检测器四部分组成，如图1所示。SRD的组成图1SRD基本构成开关磁阻调速电动机左图为三相6/4结构的开关磁阻电机的几何形状图2SRM的几何形状功率变换器功率变换器是SR电机运行时所需能量的供给者，在整个SRD成本中，功率变换器占有很大的比重，合理选择和设计功率变换器是提高SRD的性能价格比的关键之一。功率变换器主电路形式的选择对SR电机的设计也直接产生影响，应根据具体性能、使用场合等方面综合考虑，找出最佳组合方案。目前，SRD常用的功率变换器主电路有许多种，应用最普遍的如图3所示。三种基本的功率变换器电路图3三种基本的功率变换器电路a)不对称半桥电路b)双绕组电路c)裂相式电路功率变换器这三种主电路各有优、缺点。图3中b、c所示的主电路所需主开关的数目少，a所示的主电路控制起来灵活，流经主开关的电流小，适配电机的范围大。由于各主电路的主开关总伏安容量大抵相等，成本相差不大。控制器和位置检测器控制器综合处理位置检测器、电流检测器提供的电机转子位置、速度和电流等反馈信息及外部输入的指令，实现对SR电机运行状态的控制，是SRD的指挥中枢。控制器一般由单片机及外围接口电路等组成。早SRD中，要求控制器具有下述性能：（1）电流斩波控制。（2）角度位置控制。控制器和位置检测器（3）启动、制动、停车及四象限运行。（4）速度调节。位置检测器向控制器提供转子位置及速度等信号，使控制器能正确的解决绕组的导通和关断时刻。通常采用光电器件、霍尔元件或电磁线圈法进行位置检测，采用无位置传感器的位置检测方法是SRD的发展方向，对降低系统成本、提高系统可靠性有重要的意义。SR电机的工作原理图4四相8/6极SR电机典型结构原理图（只画出其中一相）SR电机的工作原理开关磁阻电机的转矩是磁阻性质，其运行原理遵循“磁阻最小原理”----磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合，因磁场扭曲而产生切向磁拉力，如图3所示，具体过程如下：当A相绕组电流控制开关S1、S2闭合时，A相励磁所产生的磁场力图使转子旋转到转子极轴线aa’与定子极轴线AA’的重合位置。从而产生磁阻性质的电磁转矩。顺序给A-B-C-D相绕组通电（B、C、D各相绕组在图中未画出），则转子便按逆时针连续转动起来；反之，依次给SR电机的工作原理B-A-D-C相绕组通电，则转子会沿顺时针方向转动。在多相电机实际运行中，也常会出现两相或两相以上绕组同时导通的情况。当q相定子绕组轮流通电一次，转子转过一个转子极距。设每相绕组开关频率（主开关管开关频率）为fph，转子极数为Nr，则SR电机的同步转速（r/min）可表示为（1）SR电机的工作原理由于是磁阻性质的电磁转矩，SR电机的转向与相绕组的电流方向无关，仅取决于相绕组通电的顺序，这使得能够充分简化功率变换器电路。当主开关S1、S2接通时，A相绕组从直流电源U吸收电能，而当S1、S2断开时，绕组电流通过续流二极管VD1、VD2，将剩余能量回馈给电源U。因此，SR电机具有能量回馈的特点，系统效率高。磁路饱和非线性是SR电机的一个重要特征，因此电磁转矩必须根据SR电机的工作原理磁储能或磁共能来计算，即式中Ɵ---转子位移角；W'---磁共能；i---相绕组电流。（2）SR电机的工作原理可见，磁共能W'(θ，ⅰ)的变化取决于转子位移角和绕组电流的瞬时值。由于磁路非线性的存在，式中的求解是比较复杂的，难以推导出表述为解析形式。在对SR电机性能做定性分析时，若忽略磁路的非线性，则上式可简化为（3）式中L---任意转子位移角下的相电感。SR电机的工作原理图5为理想线性假设下相电感随转子位移角的变化曲线，电机每旋转一周，相电感变化的周期数等于电子的极对数，周期长度等于转子极距。由式（3）中可知，恒定相绕组电流下，对应的转矩变化如图5（b）所示。式（3）和图5（b）充分说明，转矩的方向与电流的方向无关，仅取决于电感随转角的变化情况。如在电感上升期间[θ0，θ1],相绕组通以电流，则产生转矩，处于电动机状态；如在电感下降期间[θ2，θ3]，相绕组通以电流，则产生负转SR电机的工作原理矩，处于发电机状态。因此，通过控制相绕组电流导通的时刻、相电流脉冲的幅值和宽度，即可控制SR电机转矩的大小和方向，实现SR电机的调速控制。图5相电感、转矩随转子位移角的变化SR电机的工作原理SR电机运行特性可以分为三个区域：恒转矩区、恒功率区、自然特性区（串励特性区），如图6所示。图6SR电机的运行特征SR电机的工作原理在恒转矩区，由于电锯转速较低，电机反电动势小，因此需对电流进行斩波限幅，称为电流斩波控制（CCC）方式，也可以通过调节相绕组外加电压有效值的电压PWM控制方式；在恒功率区，通过调节主开关管的开通角和关断角去的恒功率特性，称为角度位置控制（APC）方式；在自然特性区，电源电压、开通角和关断角均固定，由于自然特性与串励直流电机的特性相似，故称为串励特性区。转速n1、n2为各特性交接的临界转速，是SR电机运行和设计时要考虑的重要参数。SR电机的工作原理n1是SR电机开始运行与恒功率特性的临界转速，定义为SR电机的额定转速，亦称为第一临界转速，对应功率即为额定功率；n2是能够得到额定功率的最高转速，恒功率特性的上限，可控条件都达到了极限，当转速再增加时，输出功率将下降，n2亦称为第二临界转速。对SRD的理论研究和实践证明，该系统具有许多明显的特点：（1）电机结构简单、坚固，制造工艺简单，成本低，转子仅由硅钢片叠压而成，可工作于极高转速；定子线SR电机的工作原理圈为集中绕组，嵌放容易，端部短而牢固，工作可靠，能适用于各种恶劣、高温甚至强振动环境。（2）损耗主要产生在定子，电机易于冷却；转子无永磁体，可允许有较高温升。（3）转矩方向与相电流方向无关，从而可以减少功率变换器的开关器件数，降低系统成本。（4）功率变换器不会出现直通障碍，可靠性高。（5）起动转矩大，低速性能好，无异步电动机在启动时所出现的冲击电流现象。（6）调速范围宽、控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩——速度特性。SR电机的工作原理（7）在宽广的转速和功率范围内都具有高效率。（8）能四象限运行，具有较强的再生制动能力。各种突出的优点，使SRD已成为交流电机驱动系统、直流电机驱动系统及无刷直流电机驱动系统的有力竞争者。对于SR电机为双凸极机构，不可避免地存在转矩波动，噪声是SR电机存在的最主要缺点。但是，近年来的研究表明，采用合适的设计、制造和控制技术，SRD的噪声完全可以做到高质量的PWM型异步电动机的噪声水平。SR电机的工作原理图7SRD与逆变器供电的异步电动机的噪声比较图7为132号机座第二代OultonSRD（曲线所示）与逆变器供电的异步电动机（黑点所示）的噪声情况。