高速开关磁阻电机主轴驱动设计

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1、高速开关磁阻电机主轴驱动设计高速开关磁阻电机主轴驱动设计Hans Ku. Torsten Wichert and Bernard Szymanski摘要摘要：一个开关磁阻电动机(SRM)作为一个主轴驱动旋转机器在本文中进行了阐述。开关磁阻电机的驱动系统目的是为了满足日益增长的需求,与纺织工业生 产时间、成本和质量相关联。理想的开关磁阻电动机驱动系统应该是在高速运 行达到 30000r/min 时，必须稳健、高效、低成本,才能批量生产。开关磁阻电动 机的有限元分析模型,允许一个快速和准确的机械设计。对一个比较静态 SRM 和测量显示的可靠性提出了设计过程。轴位置传感器运用了一个简单的、鲁棒 性强

2、的控制算法。因此,随着电力电子变换器的发展，控制系统将会出现。关键词关键词：转换器、控制系统、设计方法、磁阻电机驱动一、介绍一、介绍新的电动机器都需要电主轴驱动。这个研究的目的是发展一个新一代的主轴元 素应用于纺织工业。这样一种新的主轴单元是显示在图 1。它包括一个电动驱 动器替代传统的皮带传动系统。今天，旋转机械性能、质量的增加和人机工程学依赖于技术的进步。技术 的优势是一方面降低制造成本和材料利用率,另一方面降低生产周期,减少维护成 本和降低能耗。 新的工艺要求开发的电气设备必须实现高效率、低生产成本。整体传动系 统包括转换器和控制系统。从大规模生产来看,它是理想的。SRMs 优先考虑的

3、是在各种优势的基础上,应用这台机器，选择一个感应或同步机调速驱动,尤其是 利用旋转机器： 没有工作滑移，且等速，满足同步器的工作原理, 短集中绕组，就可以很容易地安装在定子极点;允许短长度和减少机器铜材, 低生产成本在批量生产, 低惯性矩、高起动转矩, 容易实现控制扭矩为零的速度,是一种技术的需要 一个简单的开关控制算法具有较强的鲁棒性，电动机的低成本驱动没有任 何位置传感器。本文描述的方案需要一个几乎不变矩负载,它取决于纺丝工艺。 这使得电机运行在稳定状态以及暂态和过载情况下，这个阶段通过变量传导电 流脉冲宽度。 在第一部分,应用本文提出的设计方法。有限元计算结果将会比较原型制造 开关。在第

4、二部分控制系统的设计与试验的基础上,提出了液力变矩器，将会被 显示。二、电机的有限元模型 FEMM 有限元程序设置(有限单元法的磁学)潜在的分布和 post-processor 矢 量提交的数据处理和计算的有趣的物理价值观。FEMM 4.0 是免费提供的软件， 来解决低频电磁场对二维平面和轴对称领域问题。转子位置的一个向量的值从= 0的位置 = 45的位置，求解电机的扭矩特性。图 2: 6/4-SRM 磁线的研究，= 20转矩的计算的转子位置角特征 T(i,)是需要计算的，在给定电磁转矩角位置的转子情况下。单值不固定转子位置变化的转矩角 可以计算出麦克斯韦应 力张量结合区域的气隙。常数磁链的长

5、度分布沿着通往解的核心二维方程式1、 2。在这个半径描述的气隙圈,L等效于(磁)长度的核心、Bt, Br分别是切的轴向和径 向磁通密度成分。机械扭矩是由于施加压力的兴奋期的定子置于转子引人注目 的增长极。这种力量,因此,也取决于机械平均扭矩的定子和转子几何尺寸,他们 突出,大量的定子阶段,电流强度和开/关的时机。瞬间的扭矩也取决于这些参数, 并确定电机转矩波动。图 3。开关磁阻电机的制造模型3 计算和测量的结果 高效率的发展是最重要的条件之一。SRM 电动机必须要跑到 30000rpm 高 速度。因此,它核心的损失是铜的损失。众所周知,磁化频率的影响,随着时间的增 长而增长的阶段。 。那是一件

6、最小相位号码允许自启动在两个方向和 4-quadrant 操作。核心与变频器降到最低,损失在高速电机定子几何与考察极点(6/4- SRM 设计)。这使得所需的开关变换低成本器和很小生产成本。开关磁阻电动机 的原型制造如图 3 测量了实验室的科技大学在华沙。以下的实验室测试,包括: 1vs.电感的转子位置变化的角度,L(i) 2vs.扭矩的转子位置变化的角度,T(i)和与有限元计算结果进行对比。 电感量与动态电压法相位绕组派一个矩形脉冲电压。产生的电流波形,其增长 dt/ di 取决于三相电阻 R 旁边的电感 L(i,)。测量的误差值预测,电感器(图 4)为 i= 4A(3.0%、6.8%),为

7、对齐 unaligned 电感。 稍微增加电流误差 7.6%,4.3%,自从 i=A 缠绕效果出现饱和的结束。图 4。确定测量电感 L(i,)。图 5。测量, 扭矩 T(i)。图 5 显示测量的扭矩 vs.转子位置角特征对不同电流的影响。预期值与破 碎的线路进行比较。测量数值符合得很好,但他们之间的误差略增加与当前自饱 和效应导致减少扭矩。特别是在狭窄的转子轭,即使在低电流分(5 - 6 安培)的计 算可靠性的影响。 在表中的电感,平均扭矩和转矩脉动问题,给出了开关磁阻电机主轴的测量和 计算在 i= 4A 级。i 比较表的测量和计算 SRM 参数四。不对称的桥逆变器 FORSWITCHED 磁

8、阻电机自从扭矩 SRM 驱动独立的励磁电流，开关磁阻电动机驱动的极性,至少一 个开关, 每一段扭矩产生的开关:开关磁阻电动机是转矩的定义所产生的 在 iis 即刻价值的定子电流,l 相电感，转子位置是角度。应该看到,相电感 L 是一 个转子位置和定子电流的函数。 取代 Te 进(4)导致了开关磁阻电动机的力学方程驱动系统。一个负载力矩,组合成的 Tl 型，J 是惯性转矩的转子、 是机械的转子的速 度和 f 是摩擦。开关磁阻电动机驱动的总有一个相绕组与一个开关。万一 shoot- trough 故障、电感线圈的上升速度限制,提供时间来启动电流保护电路,实现对 IGBT 驱动。这个阶段是独立的开关

9、,在实验的失败,不间断运行的绕组电机驱动 是可能的,虽然减少功率输出。由于施工的特性,马达无法直接从 3 个阶段供电。 因此,一个特殊的转换器。检查性能与开关磁阻电动机驱动的不对称的桥逆变器 (图 7)将被修建。由于没有不对称的桥逆变模块在市场上的转换器是建造从离散 元素。变频器组成部分:整流,dc-link 逆变部分,与 pcb 闸门的驱动和控制系统。 过电压限制在交换 IGBTs 活跃的夹紧电路会实现图、不对称的桥的拓扑性质门驱动 PCB 板。主动夹持技术来刺激了 IGBT 的一部份,当 VCE 超过一个预定 义的阈值。以这样的方式,IGBT 储藏在直线运行。v 的无传感器控制开关磁阻电

10、动机的消除,通过电子机械无位置传感器无位置传感器控制方法是众所周知的。 许多有趣的教学方法提出了多年的研究。尽管无位置传感器控制策略的进展,目 前的计划已经完全能够取代机械式传感器不放些限制开车。虽然大部分的传感 器的方法是基于磁开关磁阻电动机的特点,有很多方法,他们可能被分类。一个直 接的分类方法是假设的方法是基于变量的精力充沛的阶段,变量的 un-energized 阶段或使用其他的变数。使用本标准、传感器方法主要分为三大类,即开环控制 方法,un-energized 阶段方法相方法。VI。在开环系统应用程序运作,特别是在低 水平,低功率轴位置传感器是昂贵的,代表了额外的潜在的失败。因此,

11、在此工作 的开环法是一种有效的选择,因为它似乎更便宜些。在开环法研究由米勒和低音 11,12和 Oldenkamp Vukosavic13。该方法利用电机控制两种信号发生器。 一个发电机的负责速度运动住角度(5),另一个控件的值的定子电流。表达的 角度采用 Fig.8,如图图 7、控制冲动的 IGBT 晶体管。D =OFF 吗?ON(5)在 D 是住角。在这个系统中，断断续续的角度并不能直接控制的。开环控制发送一个系列的脉冲，指导电机无任何迹象的转 子位置。图 7 显示的模拟结果产生的信号控制系统中,然后送到大门的 IGBTs 驱 动电路。当电压脉运用磁建造。焊剂必须降到零点之前就开始下降了电

12、感,为了 防止生产消极的扭矩(3)将制动,会影响整个传动系统的性能。限制生产的断裂力 矩、消极的电压办理周期结束 Fig.8,如图中描述。作为一个结果,de-fluxing 操作 很快完成。因此,几乎整个时期相电感产生了积极的斜坡可以用来产生积极的电 磁转矩的转子旋转。七、软硬斩开环控制技术。在高速运行的定子电流调节只 有开/关定时开关电源的晶体管。在中等转速范围定子电流是由劈。这意味着大 功率开关,一般都比较高频率的基频相位的电流。在硬劈(图 8)两晶体管。同时 进行。当晶体管是打开的电流通过晶体管和定子绕组。定子电压等于当晶体管 关掉了电流流过的二极管和定子绕组时的电压。在定子电压中会是公

13、平的。Fig.8、硬劈 在软剁(图 9)只有一 transistorss 打开和关闭例句。在图 T2hown 较低的晶体 管。另一个电晶体(T1)仍然在. 当双方都在晶体管、电压 tohe 定子绕组等于+。 当开关 T2 关闭,电压定子绕组是 0。附表二表明二极管的状态。如图、软剁 双方都要在实验室试验，验证整个传动系统。转矩脉动问题的一个主要问 题就是在开关磁阻电动机驱动的开关频率高的 IGBTs 需要降低,感应电动机的转 矩脉动产生开关磁阻电动机。与现有方法相比,如劈的滞环控制开关磁阻电机的 电流、电压切技术即软硬劈已经是一个较低的电流，重叠的定子、转子的线圈 绕磁极对机械电机会有什么影响

14、。 附表二)真值表的晶体管和二极管的阶段八、结论 静态 SRM 特点是测量的可靠性高,上文显示了设计过程。由于施工安全和 发动机不能直接从 3 个阶段供电，因此,一种特殊电源需要建立。为了降低成本, 整个传动系统规划的驱动轴运行时无位置传感器。在项目的下一个阶段,提出适 当的控制系统。整个传动系统设计与电源开关要检查。参考文献参考文献1,Szczypior Bienkowski,“几何参数对开关磁阻电机的电磁转矩的影响” 德,1/20022,“有限元方法”2004 年”3,j. Reinert Optimierung 和 Betriebseigenschaften冯Antrieben“麻省理工

15、学 院 geschalteter Reluktanzmaschine” ，1998 年,RWTH 亚琛 4米勒 T.J.E.“开关磁阻电动机和控制” ，学院出版社,1993 年,物理学。 5Wichert,顾长永, “电力电子设计 SRMs” 。2005 年,德国，2005 年6Moallem,m:“对转子型材 Switched-Reluctance 电机转矩的研究” ， “IEEE 工业应用论文集”,2 号,1992 年,L.M.M. Sitsha7“一些人设计方面的锥形、直定子极 6/4 SR 机” ，AFRICON 学术研讨会,南非开普敦,1999;2003。 8米勒,“论反射阵列” 9

16、. j . Vidmar。 。 “使用大气等离子体作为电磁谐振器”10http:/ 。11,Mehrad Ehsani “具有较强的鲁棒性,T.J.E 开关磁阻电动机的转矩控制不了位置传感器”,台湾工业电子工程研究所硕士论文,1995，八月三号,IE-33,1986 年, pp.2212 216 12,Peic 利,Vusakovic ,“运行电动机” 、IEEE 电力电子会议,1990 年,pp.451 - 454。13Oldenkamp J.L.:“可逆开关磁阻电动机无轴位置传感器”,中国专利,5440218,8月 8 号,1995。 14米勒 T.J.E.“电子控制的开关磁阻机” 、教育专业出版社,2001 年