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1、双凸极电机驱动系统,9.双凸极电机驱动系统,一、开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor) 1. 结构特点,a. 定子和转子均为凸极结构； b. 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; c. 转子上无绕组; d. 最常见的组合为6/4极，8/6极或12/8极。,9.双凸极电机驱动系统,定子6极，转子4极,定子8极，转子6极,定子12 极，转子8极,9.双凸极电机驱动系统,开关磁阻电机驱动系统组成框图,9.双凸极电机驱动系统,2. 工作原理,1 当转子齿正对定子槽时，绕组电感有最小值； 2 当转子齿与定子齿对齐时，绕组电感有最大值； 3 当转子旋转时，绕组
2、电感随之变化。,9.双凸极电机驱动系统,开关磁阻电机的运行原理是“磁阻最小原则”。 在图示位置，当给B相绕组通电，转子将倾向于顺时针方向旋转，使磁路磁阻减小，直至转子齿2与定子齿B完全重合。然后，B相断开，A相通电，转子磁阻转矩将进一步使转子向前转动至转子齿1与A相重合。 转矩方向总是朝着最接近的定转子齿重叠的位置。按B-A-D-C顺序通电，转子将按顺时针方向连续旋转。,9.双凸极电机驱动系统,为电磁转矩，Wf为磁场储能,wr为转子机械角速度,9.双凸极电机驱动系统,由转矩公式可知： 开关磁阻电机的转矩大小与电流平方成正比，因此转矩方向与电流方向无关，故可以采用单极性电流供电； 转矩与绕组电感
3、对转子位置角的变化率成正比。因此，只有当绕组电感随转子位置角而增大时，给绕组通电才能产生正向电动转矩。当电感随转子位置角而下降时，如绕组中仍有电流，则将产生制动转矩； 相绕组关断后绕组电流不能突变为零，有一个延续过程。为防止绕组电流延续到负转矩区，必须在绕组电感开始下降之前提前关断绕组。,9.双凸极电机驱动系统,3 基本控制策略 A. 低速时的电流斩波控制（Current chopping control- CCC),在电感很小时使绕组开通，电流快速上升。为防止电流过大而损坏电机，当电流达到最大值 Imax 时，使绕组关断；电流开始衰减，当电流衰减咸至Imin 时，绕组重新开通。 在最大电感出
4、现之前必须将绕组关断，以免电流延续到负转矩区。,9.双凸极电机驱动系统,B. 高速时的角度位置控制（Angular position control-APC),高速时，由于反电势大，电流受到限制，上升较慢。当到达最大值后，因电感的增加，电流反而下降。 同样，为避免电流延续到负转矩区，绕组要在电感到达最大值之前关断。速度越高，要关断的越早。,9.双凸极电机驱动系统,典型机械特性,9.双凸极电机驱动系统,4 功率变换电路,每相一个开关管,四相驱动电路（每相二个开关管）,9.双凸极电机驱动系统,5 开关磁阻电机的非线性特性 以上分析都是在线性条件下进行的。实际电机磁路为非线性。,磁场分布,9.双凸极
5、电机驱动系统,非线性电感,非线性转矩,9.双凸极电机驱动系统,6 开关磁阻电机的优缺点： 优点： 结构简单，无刷，转子上无绕组和永磁体，可靠性高； 采用集中式绕组，绕组端部短，省铜，绕组电阻小，效率高； 因转矩与电流方向无关，可用单极性电流供电，故功率变换器可简化，每相可用一个功率器件，不仅降低了成本，还避免了上、下桥臂直通问题。 缺点： 由于只有当电感变化率为正时绕组才能导通，一个周期中只有半个得到利用，因此系统效率和材料利用率相对较低； 定子绕组既要提供有功电流，又要提供无功电流，增大。,9.双凸极电机驱动系统,了绕组和功率变换器的VA容量；无功（励磁）电流在绕组和功率器件中产生损耗，降低
6、了系统效率； 由于开关磁阻电机的绕组电感较大，并且绕组关断时电感处于电感最大值位置，关断后电流衰减慢，很容易延续到负转矩区，因此绕组需要提前关断，速度越高，提前量就要越大，使绕组有效导通区间减速小，削弱了电机的出力； 因定转子为双凸极结构，转矩脉动分量较大，会引起振动和噪声。,9.双凸极电机驱动系统,二、双凸极永磁电机（Doubly salient permanent magnet motor-DSPM motor) 1 结构特点,定转子均为凸极结构； 定子齿上装有集中式绕组； 转子上既没有绕组，也没有永磁体适合高速运行； 定子上装有永磁体结构稳定，易于冷却； 由于主磁路中放有两块磁导率与空气
7、相近的永磁体，绕组电感比SR电机要小很多。,8/6极DSPM电机截面图,9.双凸极电机驱动系统,6/4-pole DSPM motor,12/8-pole DSPM motor,9.双凸极电机驱动系统,2 工作原理 当转子齿进入定子齿下时，该定子绕组的磁链和电感均随之增加，当转子齿与定子齿完全重合时，磁链有最大值；当转子齿离开定子齿时，磁链随之减小，当转子齿对着定子槽时，磁链有最小值。,9.双凸极电机驱动系统,忽略铜耗和铁耗，则电磁功率为：,每相电磁转矩为：,Tpm为永磁磁链与电枢电流相互作用产生的永磁转矩；Tr为绕组电感变化而产生的磁阻转矩，因电感很小，磁阻转矩分量较小，永磁转矩占主导地位。
8、,9.双凸极电机驱动系统,当磁通变化率为正时，通入正电流，产生正转矩； 当磁通变化率为负时，通入负电流，仍产生正转矩。 可见，一个周期内两个区间均得到利用，所以，DSPM电机的功率密度高，材料利率高。 DSPM电机需要双极性电流供电。,6/4极DSPM电机的转矩（每相值）,9.双凸极电机驱动系统,3 基本控制策略 低速时的电流斩波控制（Current chopping control-CCC),9.双凸极电机驱动系统,高速时的角度位置控制（Angular position control-APC),在正半周，因永磁磁链和电感的变化率均为正，电流上升较慢。 在负半周，因开始时的反电势较大，电流变
9、化较慢，但到负半周的后部，因反电势变小，电感也较小，电流快速增加到很大的数值，为免电流过大，仍需进行斩波限流。,9.双凸极电机驱动系统,4 功率变换电路 为获得双极性电流，基本的功率变换电路有两种：一是每相一个全桥电路。每相需要四个功率器件，绕组电压就等 于直流电源电压。,全桥功率变换器,9.双凸极电机驱动系统,二是带分裂电容的半桥功率变换器。 用两个电容将直流电压一分为二； 绕组电压等于直流电压的一半； 每相需要二个功率器件。,9.双凸极电机驱动系统,5 转子位置传感 器,8/6极DSPM电机位置传感器,位置信号与磁链之间的关系,9.双凸极电机驱动系统,6 控制系统构成,9.双凸极电机驱动系统,非线性特性,PM flux linkage,Self-inductance,可见，绕组电感不仅是转子位置角的函数，而且与电枢反应磁场对永磁体是去磁还增磁作用有关。PM-2A表示电枢电流磁场与永磁磁场反向，起去磁作用，磁路饱和程度低，故电感较大。反之，PM+2A时电感较小。,9.双凸极电机驱动系统,电感随转子位置和电流的变化关系,9.双凸极电机驱动系统,
