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1、开关磁阻电机设计 吴建华浙江大学电气工程学院2011 7 1Tel 18958121009 1 电机品种规格数以万计 科技愈进步 生产力愈发展 所需电机愈多 自100多年前电机问世以来 电机在人类文明发展史上起着十分重要的作用 随着科学技术的进步 原材料性能的提高和制造工艺的改进 各类电机品种规格数以万计 功率等级从百万分之几瓦到1000MW以上 发电机和其它相关设备 使人们能利用热能 水能 核能 风能 地热能 潮汐能 太阳能等能源发电 提供国民经济及人民生活所必需的电能 电动机广泛应用于工业 农业 国民经济和人民生活 作为驱动各种机械设备的动力 电机落伍了吗 一 概述 2 典型的电机是依据电
2、磁感应原理而运行的旋转或直线运动电磁机械 用于实现电能和机械能的相互转换 电机运行原理 电磁感应定律和电磁力定律 3 电机运行原理基于电磁感应定律和电磁力定律 电机在实现能量转换时 应具备能作相对运动的两大部件 建立励磁磁场的部件 感生电动势并流过工作电流的被感应部件 两个部件中 静止的称为定子 运动的称为转子或动子 定子 转子 4 电磁转矩由气隙中的励磁磁场与被感应部件中电流所建立的磁场相互作用而产生 建立两个磁场的方式不同 形成不同类型的电机 例如两个磁场均由直流电流产生 则形成直流电机 两个磁场分别由不同频率的交流电产生 则形成异步电机 一个磁场由直流电流产生 另一个磁场由交流电流产生
3、则形成同步电机 直流电机 异步电机 同步电机 5 开关磁阻电机 SR电机 结构和工作原理与传统的交直流电机有着很大的差别 定转子均由硅钢片叠压而成 转子既无绕组也无永磁体 定子各极上绕有集中绕组 一般径向相对极的绕组串联 构成一组 6 三相6 4极开关磁阻电机运行 7 现代开关磁阻电机驱动系统的发展 始于20世纪80年代 得力于英国学者LawrensonPJ及其同事们杰出贡献 目前SR电机系统得到较大的发展 产品已经应用于电动车驱动系统 家用电器 洗衣机 食品加工机械 电动工具等 通用工业 风机 泵 油田 煤矿等 伺服与调速系统 牵引电机 高转速电机 用于纺织机 航空发动机 电动工具 离心机传
4、动等 功率范围从10W 转速10000r min 到5MW 转速50r min 速度上限高达100000r min 我国也有不少科研院校开展SR电机系统研究 一些企业亦有产品量产 8 SR电机运行原理遵循 磁阻最小原理 磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合 因磁场扭曲产生电磁转矩 其电磁转矩是磁阻转矩 式中 转子位移角 W 磁共能 i 相绕组电流 9 单相开关磁阻电机 用于吸尘器电机 美国仙童 Fairchild 公司为此专门开发了单相开关磁阻电机用的功率模块 10 基本开关磁阻电机 利用虚位移法 SR电机电磁转矩可写为 11 当不考虑磁路饱和 SR电机电磁转矩可写为 12 开关磁阻电机驱动系统 S
5、RD 是调速电机 主要由开关磁阻电机 SR电机 功率变换器 控制器和检测器四部分组成 13 对SRD系统的理论研究和实践证明 该系统具有许多明显的特点 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 损耗主要产生在定子 电机易于冷却 转子无永磁体 可允许有较高的温升 转矩方向与相电流方向无关 从而可减少功率变换器的开关器件数 降低系统成本 功率变换器不会出现直通故障 可靠性高 起动转矩大 低速性能好 无感应电动机在起动时所出现的冲击电流现象 调速范围宽 控制灵活 易于
6、实现各种特殊要求的转矩 速度特性 在宽广的转速和功率范围内都具有高效率能四象限运行 具有较强的再生制动能力 各种突出的优点 使SRD系统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 突出的缺点 噪声振动 优点要全面变成现实 还需进一步提高SRD系统电机设计和控制理论 14 目前应用较多的是3相6 4极 3相12 8极和4相8 6极结构 常见SR电机定 转子极数组合方案 二 电机结构 15 利用涡流反应转矩辅助起动 径向 轴向磁通的外转子结构 永久磁钢辅助起动 单相开关磁阻电机的电机成本和控制器成本都是最低的 控制器只需要一个开关管和一个快恢复二极管 线圈数和引出线
7、都最少 但是单相开关磁阻电机存在严重起动 死区 如果起动问题不能解决 单相开关磁阻电机亦难以变为现实 16 阶梯气隙的不规则两相SR电机 涡轮转子两相SR电机 可控饱和两相SR电机 两相开关磁阻电机在对齐位置 定 转磁极中心线对齐 和不对齐位置 定子极与转子槽中心线对齐 都不具备自起动能力 同时也存在一定的转矩 死区 17 3相6 4极SR电机 3相12 8极SR电机 3相6 2极SR电机 三相开关磁阻电机是最常见到的开关磁阻电机结构 3相电机是常规结构具备正反方向自起动能力最少相数SR电机 除了常见3相6 4极外 还有3相6 2极 6 8极 12 8极等结构 18 3相6 8极SR电机 3相
8、12 10极SR电机 3相24 32极外转子SR电机 19 4相8 6极SR电机 5相10 8极SR电机 7相14 12极SR电机 4相开关磁阻电机也是得到广泛研究和应用的类型 与3相电机相比 4相电机的起动性能要好得多 转矩波动也小 但电机和控制器的成本都有所增加 5相开关磁阻电机或更多相数的目的多是为了获得更平滑的电磁转矩 降低转矩波动 但电机和控制器的成本和复杂性大大提高 20 三 性能分析 确定主要尺寸 磁路计算 参数计算 性能计算 开始 电机设计基本流程 21 均匀气隙 非均匀气隙 22 平均电磁转矩可以基于磁链 电流曲线 用一个工作周期的能量转换环来计算 为获得尽可能大的电磁转矩
9、最大化对齐位置电感最大化饱和磁密最小化不对齐位置电感 磁链曲线族 23 在起始重叠位置和半重叠位置之间 磁链工作轨迹包含的磁共能面积最大 且磁链与转角近似成线性关系 24 对齐位置 不对齐位置 半重叠位置 起始重叠位置 1 四条重要磁化曲线解析计算 25 绕组电感可以采用两种方法计算 1 磁链法 2 能量法 采用磁链法时 电感当电路处于线性媒介时 磁链随电流正比变化 26 不对齐位置 u位置二维典型磁场分布 u位置的近似磁通路径 27 不对齐位置 u位置磁路结构图 28 根据有限元计算结果作出的SR电机在 u位置下的二维典型磁场分布图 磁场对称于励磁极 由于气隙很大 铁心不饱和 故假设铁心的磁
10、导率为无穷大 磁力线垂直于铁心表面 u位置下磁化曲线实际为一条直线 为简化分析 假设激励线圈为矩形均匀分布 由此可作出 u位置的近似磁通路径 磁力线均由同心圆弧段和直线段组成 点C1 C2 C4的选择原则是 磁力线与铁心表面垂直或近似垂直 点O1取线圈边中心 点Or取法见区域4磁路详图 29 参照上图 不考虑铁心端部磁场时 每极绕组的磁链为 2 1 2 3 4 5 式中 1 2 3 4 5分别是区域1 2 3 4 5的磁链 一相线圈电感为 式中 Nph 每相绕组匝数 o 空气磁导率 lFe 铁心有效叠长 Pj 各路径的比磁导分量 30 比磁导分量P1计算 参见路径1磁路详图 为简化分析 以直线
11、C1H2替代铁心轭圆弧段C1H2 并假设区域C1H2H1D4C1均匀充满励磁导体 路径1磁路详图 31 设lx为磁通管1在x处的磁路长度 Nxi为x处单元磁路所匝链的安匝数 则 x处磁通管对应的磁导 32 单元磁链 则电感L1为 比磁导分量P1为 33 其它路径的磁导分量 34 考虑端部磁场电感计算 从SR电机结构特点可以知道 u位置下端部磁场非常严重 必须加以考虑 准确计算铁心端部磁场须采用三维场的数值分析 这难以应用于一般的性能计算 有关文献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计及电枢端部磁场 等效气隙gF为磁力线 1 5 长度的平均值 35 考
12、虑端部磁场时的电枢计算长度 式中 为卡特系数 故考虑端部磁场时 u位置的绕组电感 36 对齐位置 对SR电机的磁场分析表明 在 a位置下 绝大部分磁通比较均匀地经定子励磁极和转子铁心闭合 因此可等效为简单的二极磁路模型 用磁路法求解 为简化计算 假设磁通在磁路中均匀分布 无漏磁通 无磁分流 a位置两极磁路模型 37 磁路计算的基本原理全电流定律 安培环路定律 磁场强度向量沿任一闭合回路的线积分等于该回路所包围的全电流 电流代数和 如果积分路径沿着磁场强度向量取向 即沿着磁力线 则 开关磁阻电机对齐位置磁路可分为5段 空气隙 定子磁极 转子磁极 定子轭 转子轭 38 参见两极磁路模型 将磁路分为
13、气隙 定子磁极 转子磁极 定子磁轭 转子磁轭五个磁路段 磁路参数如下 气隙长度 定子轭截面积 气隙截面积 39 定子轭长度 转子轭截面积 转子轭长度 定子极截面积 定子极长度 40 转子极截面积梯形转子极取距极根1 3极处的磁场强度为磁极的等效磁场强度 则 对平行转子极 转子极长度 故每对极励磁磁势 借助两极磁路模型和铁心的B H曲线 即可方便地求其 a位置的磁化曲线 41 u转子位置电感 a转子位置磁化曲线 计算实例对两种不同结构尺寸的样机 采用上述解析法和二维有限元法进行了计算 并与实验结果作了比较 42 2 磁化曲线有限元计算 ANSYSAnsoftFlux2DMagnetJmag 43
14、 AnsoftMaxwellSV静磁场分析 利用AutoCAD建模 转换格式并导入设置求解区域范围 命名区域 Group设置材料设置边界条件 激磁设置求解参数求解 后处理 44 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136 45 不对齐位置磁链曲线 46 磁场分布图 气隙磁场波形 47 SR电机的工作原理和结构都比较简单 但其双凸极的结构特点 磁路和电路的非线性 开关性 使得电机的各个物理量随转子位置作周期性变化 电机性能应基于电势平衡方程进行 SR电机第k相的电动势平衡方程式 式中 uk 第k相的端电压 ik 第k相的电流 Rk 第k相的电阻 k 第
15、k相的磁链 开关磁阻电机电压方程 48 在线性模型中作如下假设 1 忽略磁通边缘效应和磁路非线性 且磁导率 因此绕组电感L是转子位置的线性函数 2 忽略所有功率损耗 3 功率管开关动作瞬时完成 4 电机恒速运转 3 线性模型 绕组电感与转子位置角一个极距下的关系曲线 49 50 51 准线性模型是将实际的非线性磁化曲线分段线性化 近似地考虑了磁路的饱和效应 4 准线性模型 SR电机准线性模型 52 当磁路不饱和时 电磁转矩与电流平方成正比 当磁路饱和时 电磁转矩与电流的一次方成正比 与串励电机特性相似 53 非线性磁参数法 基于有限元获取的磁链曲线族 利用四阶龙格 库塔法求解电压方程 4 非线
16、性模型 绕组导通期间 绕组续流期间 54 快速非线性法或快速非线性仿真法 基于对齐和不对齐位置磁链曲线 或基于四条位置磁链曲线 建立电磁性能的解析计算模型 区域I 区域I 区III 55 仿真波形 56 仿真计算与测量值比较 57 VisualEMCAD 开关磁阻电机 5 开关磁阻电机CAD 58 VisualEMCAD 开关磁阻电机 59 VisualEMCAD 开关磁阻电机 60 VisualEMCAD 开关磁阻电机 61 场路结合动态仿真 6 动态仿真 62 三维动态仿真 转矩波形 电流波形 63 铁损是SR电机性能计算的难点 7 铁损计算 64 噪声振动是SR电机的应用瓶颈 噪声比较实验装置简图 法国BesbesM和RenZ等学者的比较实验表明 电磁噪声占整个噪声的95 因此 如果能有效地抑制电磁噪声 也就能达到SR电机降噪的目的 8 噪声振动抑制 65 作用在定子磁极上的径向力所引起的定子变形 是造成SR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两部分 利用有限元法计算径向力 角度 电流关系曲线 获得动态径向力波形用解析法推导电机各结构参数 电流与径向力波形
