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1、第二章开关磁阻电机及其调速系统2.1开关磁阻电机的发展概况磁阻式电机诞生于160年前，一直被认为是一种性能不高的电机。然而通过 近20年的研究与改进，使磁阻式电机的性能不断提高，目前已能在较大功率范 围内不低于其它型式的电机9。70年代初，美国福特电动机(Ford Motor)公司研制出最早的开关磁阻电机 调速系统。其结构为轴向气隙电动机、晶闸管功率电路，具有电动机和发电机运 行状态和较宽范围调速的能力，特别适用于蓄电池供电的电动车辆的传动。70年代中期，英国里兹(Leeds)大学和诺丁汉(Nottingham)大学，共同 研制以电动车辆为目标的开关磁阻电机调速系统。样机容量从10W至50KW
2、， 转速从750 r/min至10000 r/min，其系统效率和电机利用系数等主要指标达到或 超过了传统传动系统。该产品的出现，在电气传动界引起了不小的反响。在很多 性能指标上达到了出人意料的高水平，整个系统的综合性能价格指标达到或超过 了工业中长期广泛使用的一些变速传动系统。近年来，国内外已有众多高校、研究所和企业投入了开关磁阻电机调速系统 的研究、开发和制造工作。至今已推出了不同性能、不同用途的几十个系列的产 品，应用于纺织、冶金、机械、汽车等行业中。目前，在汽车行业意大利FIAT公司研制的电动车和中国第二汽车制造厂研 制的电动客车都采用了开关磁阻电机。SRM是没有任何形式的转子线圈和永
3、久 磁铁的无刷电动机，它的定子磁极和转子磁极都是凸的。由于SRM具有集中的 定子绕组和脉冲电流，其功率变换器可以采用更可靠的电路拓扑形式。SRM具 有简单可靠、在较宽转速和转矩范围内高效运行、控制灵活、可四象限运行、响 应速度快、成本较低等优点，这是其它调速系统难以比拟的，作为具有潜力的电 动车电气驱动系统日益受到重视。然而目前SRM还存在转矩波动大、噪声大、 需要位置检测器、系统非线性等缺点，所以，它的广泛应用还受到限制。2.2开关磁阻电机的基本结构与特点开关磁阻电机为定、转子双凸极可变磁阻电机。其定、转子铁心均由硅钢片叠压而成，定、转子冲片上均冲有齿槽，构成双凸极结构。按照定、转子的齿槽
4、的多少，形成不同极数的开关磁阻电机。为避免单相磁拉力，径向必须对称，故 定子极数和转子极数应该为偶数。一般来说，极数和相数越多，电机转矩脉动越 小，运行更平稳，但同时也增加了电机的复杂性，特别是功率电路的成本提高。图2.1是三相（6/4）SR电机结构原理图。转子无绕组，也无永磁体，定子 极上有集中绕组，并根据对应磁极的绕组相互串联，形成A、B、C三相绕组。 其运行原理遵循“磁阻最小原理”一一磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合，而具 有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必使自己的主轴线与磁场的轴线重 合。当某相绕组通电时，就产生一个使邻近转子极与该相绕组轴线重合的电磁转 矩，顺序对三相绕组通电（
5、如A-B-C-A），则转子可连续转动，改变通电的次序， 可改变电机的转向，控制通电电流的大小和通断时间，则可改变电机的转矩和速 度。可见，SR电动机的转向与相绕组的电流方向无关，而仅取决于相绕组通电 的顺序。因此，如果发动机采用开关磁阻电机驱动，我们只需加一些简单的电路 设备和控制SR电机相绕组通电的顺序、相绕组通电电流的大小和通断时间，就 可以完成对发动机的起动、助力、减震和制动的控制。图2.1三相（6/4）结构SR电机截面图从图2.1所示的三相（6/4）结构SR电机，我们可以知道该电机转子极距角。360Nrr 为90。由于有三相绕组，故每相通电断电一次转子对应的转角a ,（称为步距 角）应
6、为30，每转步数Np为12。对任意极数相数的开关磁阻电机，这一关系 通常表示为：（Nr是转子极数，m为相数）（2-1）0360。(2-2)=m mN360。、N = mN,(2-3)p由于SR电机每转过转角a，对应绕组通电切换一次，所以电机每转过一转，绕 p组通断切换Np次。当电机以转速n(r/min)转动时，电机绕组的总通断切换频 率为f = 土 mN( 2-4)60，每相绕组通断切换频率为(2-5)f,也是对应功率电路每个功率器件的开关频率。由于三相6/4极开关磁阻电机是可双向自起动最少极数、最少相数的电机，故 经济性较好，但转矩脉动较大。由于同样转速时要求功率电路开关频率最低，因此 特别
7、适合用作高速电机。我们这里也主要以这种结构SR电机作为研究对象。开关磁阻电机综合了交流电机和直流电机的优点，由它构成的驱动系统在电机 本体结构、变换器型式以及控制方式上都与众不同0。开关磁阻电机的主要特点如 下：(1) 转子上无任何绕组，结构简单，可高速旋转而不致变形电动机转子转动 惯量小，易于加、减速。定子上只有集中绕组，端部较短，没有相间跨接线，因而 具有制造工序少、成本低、工作可靠、维修量小等优点。(2) 转矩方向与相电流极性无关，只需单向电流励磁。只要控制主开关器件的 导通角度，即可改变电动机的工作状态，实现四象限运行。故可减少R电机功率 变换器的开关器件数，降低系统成本，提高了系统的
8、可靠性。(3) 定子线圈嵌装容易，端部短而牢固，热耗大部分在定子，易于冷却；转子 无永磁体，可有较高的最大允许温升，能适应恶劣的工作环境。(4) 调速范围宽，控制参数多、控制方式灵活，在宽广的转速和功率范围内均 具有高输出和高效率。(5) 电机的振动和噪声大于一般电机且电机和功率器件的连线较多这是SR电机较为突出的缺点。但应该指出，与转矩脉动齿00%的单相异步电动机相比,SR电动机的转矩脉 动并不算很大。只要根据SR电机的动态性能，采取合适的控制技术，SR电机调速 系统转矩脉动的大幅减小是可能的至于噪声问题，据有关文献报道，SR电动机采 用合适的定子压装技术，加上适当的控制，其在满载和空载情况
9、下，整个转速范围 内的噪声水平可以做到比具有代表性的、高质量的WM异步电动机在满载下的噪 声水平更优良。2.3开关磁阻电机的数学模型建立SR电机数学模型的主要困难在于，电机的磁路饱和、涡流、磁滞效应等产 生的严重非线性，加上运行时的开关性和受控性，使电机内部的电磁关系十分复杂， 难以建立与常规电机那样规范的数学关系。考虑到列出一个精确的数学模型，计算 相当繁琐，但其所有电磁过程仍然符合电工理论中的基本定律，因此，在如下假设 的基础上我们以准线性模型为主进行分析:（1）主电路电源的直流电压（=Us）不变；（2）半导体开关器件为理想开关，即导通时压降为零，关断时电流为零；（3）忽略铁心的磁滞和涡流
10、效应，即忽略铁耗；（4）电机各相参数对称，每相的两个线圈作正相串联，忽略相间互感；（5）在一个电流脉动周期内，认为转速恒定。准线性模型是为了近似考虑铁心磁阻以及饱和效应、边缘效应的影响，将非线 性特性分段线性化，用解析式来计算和分析R电机的性能，确定其控制方案1（2-6）（2-7）（2-8）（2-9）（2-10）SR电机的数学模型等式如下:心 /dt = (T -T )/J dO / dt =W . = L(O, i )idW /(O, i )edO上式.=1、2、3代表了图2.1中SRM的三相，r是每相的相电阻，七七七代表/相的相电压、相电流、相磁链。七是电机的电磁扭矩，。是负载扭矩。在 任
11、意时刻，电机扭矩是所有三相扭矩之和：T = T （9 ,i ）（2-11）2.3.1开关磁阻电机的转矩分析如图2.2所示，当A相单独通电时，设相电流为七，转子位置为9，则磁共（2-12）能为 W =何dt0其中W= iL（9,i），则根据电磁场的基本理论可知，开关磁阻电机的电磁转矩 的数学表达式为:T =检 I（2-13）em89 i=const定义电磁转矩方向与转子运动方向一致时为正，如图2.2所示，电机从当 前磁状态出发，当转子有虚位移+ A9时，由（2-13）式可以得到电磁转矩如下:Tem8W面积 OABOI =89 i=consta9（2-14）此时电机输出的电磁转矩为正值，即电磁转矩
12、方向与转子运动方向一致，电 机工作在电动状态12。当电机从当前磁状态出发，当转子有虚位移-A9时，由 （2-13）式可以得到电磁转矩如下：（2-15）T =8W I = 面积 OACOem89 i=constA9式中负号表示此时电磁转矩方向与转子运动方向相反，即电机工作在再生制 动状态，机械能转换为电能通过续流电路反馈给电源。假设开关磁阻电机的电感 为线性的，即电感值不随电流大小变化仅为转子位置的函数：W（0）= L（e）i。磁 共能和电磁转矩可以分别表示为：W = - Li 2（2-16）2T = 1 i2 *（2-17）em 2 80从式（2-17）我们可以知道，随转子位置而变化的相电感是
13、产生扭矩的重要 因素。磁路电感随着转子极逐渐与定子极重叠而相应增加；电感随着转子极移出 重叠区而减小。由以上分析可得如下结论：（1）电机的电磁转矩是由转子转动时气隙磁导变化8L/80产生的，当磁导 变化8L/80大时，转矩也大。若磁导的变化率为零，则转矩也为零。（2）电磁转矩的大小同绕组电流，的平方成正比，因此，可以通过增大电流 有效地增大转矩。（3）在电感曲线的上升段，通入绕组电流产生正向电磁转矩；在电感曲线 的下降段，通入绕组电流产生反向电磁转矩。在电机向不同方向转动时，仅通过 改变绕组通电时刻便能实现正向电动、反向电动、正向制动和反向制动状态的全 部四象限运行。上述转矩的大小与方向均与绕
14、组电流方向无关。（4）电机的平均扭矩T仲为正、反向转矩的平均值：T = : !fTd0（2-18）当正向扭矩为主时，平均转矩为正，反之为负。（5）虽然上述分析是在一系列假设条件下得出，但它对了解电机的基本工 作原理，对定性分析电机的工作状态及转矩产生是十分有益的。2.3.2开关磁阻电机的电流分析由于SR电机存在严重的饱和效应和边缘效应，v作为电流i和转子位置角0 j的非线性函数，一般没有解析式，故为非线性模型。由图2.3,当SR电机由恒定直流电源Us供电时，由于绕组电阻压降七与dw / dt相比很小，否则电机的效率就不会很高，故可忽略电阻压降，并且由此 j图2.3 开关磁阻电机驱动系统构成原理
15、图引起的误差不会超过线性化假设带来的误差。根据式（2-6），整理可得（2-19）, di dL di . dL U = dw /dt = L + id = L +ig-根据图2-4,我们可以将式（2-19）分别写成电动和发电模式13：图2.4相绕组电感随角位置变化曲线及对应的电动、制动运行相电流波形电动：U =珈）土 +吧普（2-2）五5L(0+)发电:（2-21）U = L(0 + )L +i -r-N dt gd0n其中_6 0 , N r代表转子极数。对式（2-20）、（ 2-21）进行求解，设rt（0）= 1 dLLOg） I，电流可大致表示为:d0电动:发电：ig(t)=(2-22)(2-23)U 、八一十、)(1e T (e)一deU1*卡 割+N)|LdeI这个等式清楚地告诉我们，对于给定转速和电压，电动状态下和发电状态下 的电流波形是对称的。电动状态即SRM下反电动势限制相电流的上升；而在发 电状态即SRG下反电动势在关断以后反而会促进电流的上升。因而，电动状态下
