17 开关磁阻电机设计及控制
开关磁阻电机控制器硬件设计及底层驱动开发
三、盘式开关磁阻电机控制器的 设计
针对洗衣机应用场景的特殊性，我们设计了一种盘式开关磁阻电机控制器。该 控制器由功率开关、磁传感器、控制电路板等组成。功率开关采用IGBT或 MOSFET等高性能开关器件，能够承受较高的电流和电压。磁传感器采用霍尔 元件或磁敏电阻等器件，能够准确检测磁场的变化。控制电路板采用微处理器 或FPGA等高性能芯片，能够实现复杂的控制逻辑和算法。
二、底层驱动开发
2、1驱动程序架构
底层驱动开发主要包括对STM32F4系列单片机的配置和编程。为了实现对电机 的精确控制，我们需要对单片机的GPIO（General Purpose Input/Output） 口、PWM口和ADC口进行配置和控制。我们使用C语言编写了相应的驱动程序， 包括初始化、配置、控制等函数。
2、4 ADC口配置与控制
ADC口是实现电机电流和电压采样的重要接口。我们使用STM32CubeMX工具对 ADC口进行了配置和初始化，设置了ADC的采样通道、采样速率等参数。通过 调用STM32F4系列单片机的ADC模块API函数实现ADC的采样和数据处理。我们 将采样到的电流和电压数据进行处理后，可以获得电机的实时运行状态信息， 从而为上层控制算法提供数据支持。
四、实验结果与分析
为了验证盘式开关磁阻电机控制器的性能，我们进行了一系列实验。实验结果 表明，该控制器具有较高的稳定性和可靠性，能够有效控制洗衣机的运转。同 时，该控制器具有较强的灵活性和可编程性，能够实现多种洗涤模式和洗涤程 序的快速切换。此外，该控制器具有较强的适应性和稳定性，能够在不同的洗 涤环境下稳定工作。
微控制器模块是整个控制器的核心，我们选择了具有高性能、低功耗特点的 STM32F4系列单片机作为主控制器。该系列单片机采用ARM Cortex-M4内核， 具有高达168MHz的时钟频率和丰富的外设接口，能够满足开关磁阻电机的高 精度控制需求。我们利用STM32F4系列单片机的PWM（Pulse Width Modulation）模块实现对电机的速度控制，利用ADC（Analog-to-Digital Converter）模块实现对电机电流和电压的采样和处理。
17 开关磁阻电机设计及控制
毕业设计报告书课题名称：开关磁阻电机设计及控制专业班级：电机制造及运行维护报告人：指导老师：报告日期：年月日2005/6/152005/6/15毕业设计(论文)任务书课题名称(包括主要技术参数)及要求:题 目: 开关磁阻电机设计及控制功 率：kw 15P N = 电源电压：相电压v 380U = 额定转速：m in /r 1500n = 额定效率：85.0≥η调速范围：min /200050r ∝ 运行方式：连续运行 绝缘等级: B课题内容及工作量:1. 了解开关磁阻电机原理、结构及控制2. 确定电机主要参数、主要尺寸3. 电磁方案计算4. 控制研究5. 编写设计说明书目录前言第一章开关型磁阻电机驱动系统的组成1.1 SRD基本结构1.2 SRD的工作原理1.3 SRD的特点1.4 SRD的研究动态第二章 SR电机工作原理和特点2.1 基本结构2.2 工作原理2.3 SR电机的特点第三章开关磁阻电动机电磁设计3.1 设计特点3.2 确定SR电动机额定数据3.3 计算SR电动机主要尺寸3.4 计算SR电动机其他尺寸3.5 选择导通角和磁负荷，计算绕组匝数3.6 核算SR电动机的额定转矩、额定电流3.7 计算槽满率、导线线径及每相绕组的电阻3.8 参数计算和校核额定效率3.9 计算机辅助设计程序第四章 SRD的基本控制原理4.1 基本控制策略4.2 正反转控制4.3 SR电动机的起动运行4.4 低速斩波控制4.5 高速单脉冲控制第五章 SRD系统控制原理设计5.1 控制系统的总体设计5.2 控制器的设计5.3 电流检测器的设计5.4 位置检测器的设计5.5 功率变换器的设计第六章 SR电动机运行时的转矩脉动与噪声6.1 SR电动机的转矩脉动分析6.2 SR电动机的噪声分析第七章开关磁阻电动机应用概况7.1 SRD系统在电动车方面的应用7.2 SRD系统在家用电器方面的应用2005/6/15第八章结束语第九章参考资料附录：参观实习报告摘要：在此次设计中，主要是系统的介绍开关磁阻电动机驱动系统的基本结构和基本工作原理，并依此为基础简要的进行开关磁阻电动机驱动系统的设计；重点分析和详细的说明了开关磁阻电动机驱动系统的执行元件开关磁阻电动机的结构、控制原理和控制策略，并根据给定的电动机的额定数据进行电机的主要参数、主要尺寸、电磁方案的计算、性能的核算和控制方案研究关键词：开关磁阻电动机驱动系统开关磁阻电动机电磁设计控制方案研究转矩的脉动与噪声2005/6/15前言磁阻式电动机诞生于160年前，但在此后漫长时期内，它一直被认为是一种性能（效率、功率因数、利用系数等〕不高的电动机，故仅应用于少数小功率场所。
开关磁阻电机调速控制系统硬件设计
６ ４ Ｉ 建援辍磐 瘟嘲 ・ ２ ０ １ ４ 年 第１ 期
Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ＆ Ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ研 究 与 设 计
变频 辩 ｗｗｗ ｃ ｈｉ ｎ ａ ｂ ｉ ａ ｎｐ ｉ ｎ． ｃ ｏ ｍ
利 于减少 转矩 脉动 ， 但结 构复 杂 ， 且 主开 关器 件 多 ， 成 本 高， 目前应用较多 的是 四相 （ ８ ／ ６ ） 结 构和三相 （ １ ２ ／ ８ ） 结 构。 图１ 是三相结构 Ｓ Ｒ Ｍ电动机原理 图。为简单计 ， 图中只画 出 Ａ相绕组及其供 电电路 。Ｓ Ｒ Ｍ 的运行原 理遵 循“ 磁阻最 小原理 ” 一 磁通 总要沿着磁 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 。 图 ２中 ， 当定子 Ｃ — Ｃ’ 极励磁 时 ， １ － １ ’ 向定子轴线 Ｃ — Ｃ ’ 重合的位置转动 ，并使 Ｃ相励磁 绕组的 电感最大 。若 以图中定 、 转 子所处 的相对 位置作为起 始位 置， 则依次 给 ｃ —Ａ — Ｂ相 绕组通 电， 转子 即会 逆着励 磁顺 序 以逆 时针方 向连续 旋转 ； 反之 ， 若 依次给 Ｂ —Ａ — ｃ相通
Ｄ Ｓ Ｐ控制器 、 位置检 测 电路 、 电流检测 电路 、 信号转 换 、 显
示电路等组成 。本系统的硬件框 图如 图所示。
的全部 优点 ， 而且具有结构 简单 、 成本低 、 起 动性能好 、 调
速 范围宽等优点 ，所 以被广 泛应用 于各种工程 控制领域
中。
在 现 代 调 速 系统 中 ，开 关 磁 阻 电机 调 速 （ Ｓ ｗ ｉ ｔ ｃ ｈ ｅ ｄ Ｒ ｅ ｌ ｕ ｃ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ Ｄ ｒ ｉ ｖ ｅ ， Ｓ Ｒ Ｄ ） 系统具有结构简单 、 成本低 、 损耗小 、
开关磁阻电机的设计与应用
开关磁阻电机的设计与应用引言开关磁阻电机是一种新型的电机，具有结构简单、体积小、响应快、效率高等优点，在工业生产和家用电器等领域得到广泛应用。
本文将介绍开关磁阻电机的设计原理、构造和工作方式，并探讨其在不同领域的应用。
1. 开关磁阻电机的设计原理开关磁阻电机是通过控制磁场的方向和大小来实现转动，其设计原理基于磁阻效应和磁场的反转。
当电流通过绕组时，会产生一个磁场，根据右手定则，当磁阻材料中的磁场方向与绕组的磁场方向相反时，就会出现瞬时的磁流偏移，导致磁场的反转。
通过不断地反转磁场的方向，可以产生连续的转动力。
2. 开关磁阻电机的构造开关磁阻电机主要由转子、定子和驱动电路组成。
2.1 转子转子是开关磁阻电机的核心部件，由磁阻材料制成。
磁阻材料通常采用铁短路片或磁铁片，具有高导磁性和低磁饱和性。
转子上绕有线圈，通过控制线圈通电情况，可以控制转子的磁场方向和大小。
2.2 定子定子是开关磁阻电机中固定的部件，用于产生或感应磁场。
定子一般由永磁体或电磁体构成，永磁体具有固定的磁场，电磁体则通过外部电源提供磁场。
定子的磁场与转子的磁场交互作用，产生转动力。
2.3 驱动电路驱动电路是控制开关磁阻电机正常工作的关键部分，它负责提供正确的电流和电压信号，并控制磁场的反转。
驱动电路一般由电能转换器、控制芯片和传感器组成。
3. 开关磁阻电机的工作方式开关磁阻电机主要有两种工作方式：单相工作和多相工作。
3.1 单相工作单相工作是指开关磁阻电机通过单个绕组进行驱动，具有结构简单、成本低的优点。
但由于只有一个驱动绕组，单相工作的开关磁阻电机转速较低，扭矩较小，适用于一些低负载和速度要求不高的应用。
3.2 多相工作多相工作是指开关磁阻电机通过多个绕组进行驱动，具有转速高、扭矩大的优点。
多相工作的开关磁阻电机可以灵活控制磁场的变化，达到更高的效率和更精确的转动性能。
但多相工作的开关磁阻电机相对于单相工作来说，结构复杂，成本较高。
开关磁阻电机的电磁设计
开关磁阻电机的电磁设计开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor，简称SRM）是一种利用磁阻力产生转矩的电机。
在SRM电机中，转动部件是一个由一系列磁场互相耦合的铁磁材料构成的转子，它和定子之间没有任何电磁感应元件。
因此，SRM电机具有许多优点，例如结构简单、容量小、重量轻、高效率以及低成本等。
SRM电机的电磁设计是SRM电机设计中的一个重要环节。
其设计目标是使电机的转矩和功率因数优化，并使其达到高效率运行。
为了实现这个目标，需要进行以下几个方面的电磁设计。
首先，需要确定电机的工作原理和各种性能指标。
在SRM电机的设计中，常用的工作原理是磁阻推力原理。
在该原理下，通过改变定子上电流的大小和方向，可以产生一个斥力，进而驱动转子转动。
因此，需要确定电机的定子电流和栅极火花的位置和数量等参数。
其次，需要进行电机的磁路设计。
磁路设计主要包括定子和转子的磁路结构设计。
在定子的磁路设计中，需要确定定子的槽形和定子线圈的绕组方式。
在转子的磁路设计中，需要确定转子的磁阻分布和转子磁通闭合的路径。
通过对定子和转子的磁路设计，可以优化电机的磁通分布，提高电机的磁阻和转矩。
然后，需要进行电机的线圈设计。
线圈设计主要包括定子线圈和转子线圈设计。
定子线圈设计中，要考虑线圈元件的形状和尺寸，以及线圈的绕组结构和电流密度。
转子线圈设计中，要考虑转子线圈的尺寸和形状，以及线圈的绕组方式和电流密度。
通过优化线圈的设计，可以提高电机的工作效率和功率因数。
最后，需要进行电机的性能评估和优化设计。
性能评估主要包括电机的转矩、功率因数、效率等。
通过对电机的性能进行评估，可以找出电机的不足之处，进行相应的优化设计，以提高电机的性能。
总之，SRM电机的电磁设计是SRM电机设计中的一个重要环节。
通过合理的电磁设计，可以提高电机的转矩和效率，实现电机的高效运行。
但是，电磁设计还需要考虑其他因素，如电机的机械设计、控制系统设计等。
开关磁阻电机毕业设计
performance ;modeling and simulation; MATLAB ;Control strategy
II
目录
摘 要...................................................................................................................................................... I ABSTRACT......................................................................................................................................... II 目录 ..................................................................................................................................................... III 1 绪 论 ................................................................................................................................................. 1 1.1 开关磁阻电机的研究历史和发展方向................................................................................... 1 1.2 本课
开关磁阻电机控制策略
开关磁阻电机控制策略研究摘要：开关磁阻电机驱动系统（SRD）是近20年得到迅速发展的一种交流调速系统。
其结构简单、工作可靠、效率高和成本较低等优点而具有相当的竞争力。
本文首先介绍了开关磁阻电机控制策略的研究现状和趋势，推导了开关磁阻电机的数学模型，然后详细介绍了两步换相控制、基于转矩分配函数的转矩控制、智能控制、直接瞬时转矩控制等控制策略。
又基于Matlab/Simulink仿真验证了开通角、关断角对电机电流转矩的影响，最后得出以转矩为控制对象的新型控制策略仍将进一步发展。
关键词：开关磁阻电机；转矩分配函数;直接瞬时转矩控制；Control Method of Switch Reluctant Motor‘Abstract：Switched reluctance motor drive system (SRD) is a kind of ac speed regulating system with nearly 20 years rapid development 。
Its simple structure，reliable operation, high efficiency and low cost advantages are quite competitive.This dissertation first introduces the research status and the control strategy of the switched reluctance motor trend, the mathematical model of the switch magneto is deduced，and then introduced the two—step commutation control，based on the torque distribution function of torque control, intelligent control，direct instantaneous torque control and so on.And based on the Matlab/Simulink ，the influence of the opening Angle, shut off the Angle to the motor torque were verified，finally concluded that the new control strategy will continue to develop further with the torque as the object.Key words: switched reluctant motor; torque share function ；direct instantaneous torque control(DITC)1引言开关磁阻电机结构简单、成本低廉、坚固耐用、可靠性高；调速范围宽和启动性能优［1-3］。
开关磁阻电动机控制技术分析
开关磁阻电动机控制技术分析发布时间：2021-04-23T09:15:09.770Z 来源：《科学与技术》2021年3期作者：秦松平[导读] 开关磁阻电动机，有其强大驱动系统，秦松平哈尔滨电气集团佳木斯电机股份有限公司黑龙江佳木斯 154002摘要：开关磁阻电动机，有其强大驱动系统，该结构能发挥出较为优异的控制应用性能，而在驱动系统中，各项设备模块共同组成驱动体系，帮助电动机能在较高控制效果下，完成各类操作。
SRD驱动系统属全新调速型系统，相比于直流驱动、交流驱动，调速驱动能具备稳定性强、操作失误率低等优势，且具备较大发展空间，所以对其控制技术加以研究，有其必要性。
关键词：开关磁阻；电动机；控制技术1 开关磁阻电动机其应用特征当作为调速驱动而进行使用时，电动机应具备一定特征，确保驱动系统能保持相对稳定状态，维持较高应用效率。
第一，电动机其结构简单且坚固。
电动机中转子是依靠硅钢片进行叠压形成，而定子线圈需要采用集中绕组方式，由此整个电动机结构凭借简单工艺，可更好作用于不良环境，如高温、强振动等。
第二，电动机能够作用的调速范围较广，并且操作灵活，便于电动机完成各类特殊需求下的机械使用途径，并且在宽广转速下，电动机可取得更高运行效率，所以电动机可完成多数控制需求工作。
第三，电动机损耗主要源自定子，转子因为并不具备永磁体，所以可在温升情况下依旧保持良好效率进行运作，而电动机整体降温冷却效率较高，因此电动机能在较大弹性环境下完成相关应用。
不同的应用特征都将影响电动机实际运作效率，但电动机整体硬件性能优异，可以在不良环境中完成调速结果，由此可在舰船等作业环境下，有极大应用优势。
2 SRD微机控制的硬件设计2.1 结构设计电动机及其相关设备，是开关磁阻的重要部分，其结构简单，对比异步电动机，设计因素更简洁，由此在功率变换器上也具备简单电路结构，所以其设计、制造成本很低，能拥有较大应用性价比。
但电动机实现控制，主要还要参考相关运行条件，所以当不同种类转子其位置发生改变时，绕组开关器件还易发生通断行为，为保持电动机性能稳定，需要对其结构加以完善设计。
开关磁阻电机的设计及应用-贾明全
系统组成（一）
RS232
开关量输入 开关量输出
通讯接口
光电隔离 继电器
控制驱动电源 IGBT驱动电源
显示与键盘
嵌入式微处理器
可编程逻辑器件
驱 动 信
号
保 护 信
号
IGBT驱动及保护电路
A/D转换
D/A转换
光电隔离 电流采样 斩波电路
模拟量输入 模拟量输出
开关磁阻电机调速 系统由控制器及电机两 大部分组成。
输出功率（kW）
效率（%）
系统特性（二）
调速范围宽，低速下可长期运转
在零到最高转速的范围内均可带负荷长期运转，电机及控制 器的温升均低于工作在额定负载时的温升。
高起动转矩，低起动电流
开关磁阻电动机调速系统起动转矩达到额定转矩的150%时， 起动电流仅为额定电流的30%。
可频繁起停，及正反转切换
开关磁阻电机可频繁起动和停止，频繁正反转切换。在有 制动单元及制动功率满足要求的情况下，起停及正反转切换 可达每小时二千次以上。
系统特性（一）
系统效率高
开关磁阻电机调速系统在其宽广的调速范围内，整体效率 比其它调速系统高出至少10%。在低转速及非额定负载下高效 率则更加明显。
B D
100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34
开关磁阻电机的设计及应用
山东科汇电力自动化有限公司 2012年9月
目录
一、开关磁阻电机的发展 二、基本原理 三、系统组成 四、系统特性 五、设计及优化 六、应用
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
开关磁阻电机的原理和控制系统方案
开关磁阻电机的原理及其控制系统开关磁阻电机80年代初随着电力电子、微电脑和控制理论的迅速发展而发展起来的一种新型调速驱动系统。
具有结构简单、运行可靠、成本低、效率高等突出优点，目前已成为交流电机调速系统、直流电机调速系统、无刷直流电机调速系统的强有力的竞争者。
一、开关磁阻电机的工作原理开关磁阻电机的工作原理遵循磁磁阻最小原理，即磁通总是要沿着磁阻最小路径闭合。
因此，它的结构原则是转子旋转时磁路的磁阻要有尽可能大的变化。
所以开关磁阻电动机采用凸极定子和凸极转子的双凸极结构，并且定转子极数不同。
开关磁阻电机的定子和转子都是凸极式齿槽结构。
定、转子铁芯均由硅钢片冲成一定形状的齿槽，然后叠压而成，其定、转子冲片的结构如图1所示。
图1：开关磁阻电机定、转子结构图图1所示为12/8极三相开关磁阻电动机，S1. S2是电子开关，VD1, VD2是二极管，是直流电源。
电机定子和转子呈凸极形状，极数互不相等，转子由叠片构成，定子绕组可根据需要采用串联、并联或串并联结合的形式在相应的极上得到径向磁场，转子带有位置检测器以提供转子位置信号，使定子绕组按一定的顺序通断，保持电机的连续运行。
电机磁阻随着转子磁极与定子磁极的中心线对准或错开而变化，因为电感与磁阻成反比，当转子磁极在定子磁极中心线位置时，相绕组电感最大，当转子极间中心线对准定子磁极中心线时，相绕组电感最小。
当定子A相磁极轴线OA与转子磁极轴线O1不重合时，开关S1, S2合上，A 相绕组通电，电动机内建立起以OA为轴线的径向磁场，磁通通过定子扼、定子极、气隙、转子极、转子扼等处闭合。
通过气隙的磁力线是弯曲的，此时磁路的磁导小于定、转子磁极轴线重合时的磁导，因此，转子将受到气隙中弯曲磁力线的切向磁拉力产生的转矩的作用，使转子逆时针方向转动，转子磁极的轴线O1向定子A相磁极轴线OA趋近。
当OA和O1轴线重合时，转子己达到平衡位置，即当A相定、转子极对极时，切向磁拉力消失。
SRD开关磁阻电动机及其控制
（三）控制器(controller) 控制器
作用（ ）：综合处理位置检测器、电流 作用（function）： ）： 检测器提供的电机转子位置、速度和电流等反馈 （backfeed）及外部输入的命令（external input command），实现对SR电机运行状态的控制。 构造： 构造：由微机或数字逻辑电路（digital logic circuit）及接口电路（interface circuit）构成。 要求控制器具有如下性能（performance）： 1）电流斩波控制（chopper control）； 2）角度位置控制（angle-position control）； 3）起动（start）、制动（brake）、停车及四象 限运行（four quadrant operation）； 4）速度调节（speed regulating）。
VR（Variable reluctant motor）步进电机(step motor)： 工作于开环(open-loop)状态，无转子位置反馈，只有 相电流反馈。多用于伺服控制系统(servo control system)（小功率），对步距精度要求很严，对效率 指标要求不严，只作电动状态运行(motoring mode of operation)。一般只通过调节电源步进脉冲 (stepped pulse)的频率来调节转速
三、开关磁阻电动机传动系统的特点
1、开关磁阻电动机的两个基本特征（basic features） 1）开关性（switch） 2）磁阻性 （reluctance） 2、开关磁阻电动机传动系统（drive system） 的特点
SR电机与 步进电机的主要区别 电机与VR步进电机的主要区别 电机与
SR电机：实质上是一种高速大步距的磁阻式步进 电机。它们的基本结构和原理相同。 利用转子位置反馈信号运行于自同步状态，相绕 组电流导通时间与转子位置有严格的对应关系。 多用于功率驱动系统，对效率指标(index)要求很 高，功率等级可达数百千瓦或数千千瓦，可运行 于发电状态。可控参数(controllable parameter)多， 既可调节主开关管的开通角和关断角，也可采用 调压或限流控制(current limited control)。
开关磁阻电机设计与控制
开关磁阻电机的设计与驱动控制近年来，国内外关于开关磁阻电机的研究已取得一定的进展，已显示出其与其它电机在价格和可靠性等方面的潜在优势。
虽然SRM结构简单，但是用来分析SRM能量转换过程的数学方法却相对复杂。
由于SRM的双凸极结构和磁路的严重非线性以及脉冲供电方式，传统电机学的一些理论和分析方法已不再适用于SRM。
因此，研究SRM及其驱动系统无论是在理论上还是在工业应用中都具有重要意义。
利用电机电磁场理论和有限元数值计算方法对SRM进行电磁场分析和仿真是SRM研究中重要的一部分，它是整个电机设计和性能分析的基础。
传统的以路的观点进行电机性能分析的方法在SRM 上显现出很大的局限性，然而以场的观点，全面、系统的分析电机的性能，给电机的设计、性能分析与计算带来了很大的方便。
本章着眼于SRM的本体，根据传统电机设计理念与开关磁阻电机设计的特点，设计了一台功率为2.2kW的开关磁阻电机。
1.1开关磁阻电机设计及优化方法1.1.1电机建模与分析SRM的各种性能参数需要经过仿真才能得到，所以设计工作必须包含仿真部分，而仿真的前提是将SRM简化为数学模型。
几种常用的SRM磁链模型有：线性模型、准线性模型、非线性模型。
线性模型：较简单的模型，只要知道最大电感、最小电感以及定、转子极弧宽度就可以得到任意位置的电感，从而计算出磁链、转矩等。
但是，由于SRM一般运行于高饱和状态，磁路是非线性的，所以该方法缺乏可靠性。
准线性模型：将实际的非线性磁化曲线分段线性化，近似的考虑磁通边缘效应和磁饱和效应，从而既克服了线性模型只能用于定性分析的缺陷，又能使问题解析计算有一定的精度。
最常用的准线性模型是用两段直线来代替同一位置角的实际磁化曲线。
该方法的缺点是没有考虑铁心的饱和，计算是二维的，但是因为其编程方便，得到了广泛的应用。
非线性模型：对于不同的励磁电流，磁链与转子位置曲线的中段均为直线，将其三段化后，只需计算出齿对齿，齿对槽两种情况下的磁化曲线，便可以相应的计算出中间任意位置的磁化曲线。
开关磁阻电机调速系统设计
5. 在宽广的转速和功率范围内均具有高输出和高效率。 6. 起动转矩大，适用于危险环境，控制灵活。 就目前的发展水平而言，SR 电动机存在的主要缺点是： 1. 采用的磁阻式电动机，其能量转换密度低于电磁式电动机。 2. 转矩脉动大，以及其导致的噪声及特定频率下的谐振问题也较为突出。 3. 相数较多，主接线数较多。 4. 需要根据定、转子的相对位置投励。 5. 不能像笼型异步电动机那样直接接入电网作稳速运行，而必须与控制器一同使用。
开关磁阻电机调速系统设计
摘 要
开关磁阻电动机——通过电子电路轮流接通和断开各相绕组使电机旋转得磁阻式电动机。 装有转子位置传感器，以类似于无刷直流电动机的方法进行控制，可以调速，因绕组为单相通 电，其电子电路简单可靠。 （见 1999 年版《辞海》 ） 。是传统的磁阻电动机和当今电力电子技术 相结合的产物。 本设计主要阐述了当前应用比较广的一种调速系统， 简述了开关磁阻电动及调速系统的发 展论述了功率变换器的设计， 速度调节器的设计， 速度检测法在调速系统中的应用以及脉宽调 速系统的设计。 从而完成了一整套开关磁阻电动机调速系统的设计。 本设计主要以模拟电路为 主，并应用了目前最新的电力电子器件智能功率模块（IPM）替代原有的 IGBT。本设计应用 单闭环调速系统，速度环节增加了速度显示，能清楚的知道每个时刻电动机的转速情况。是一 种非常实用的开关磁阻电动机调速系统。
第四节 SRD 基本结构与原理
SRD 的基本结构如图（1.2）所示：
图 1.2 SRD 基本构成
SR 电动机是 SRD 中实现机电能量转换的部件，也是 SRD 有别与其它电动机驱动系统的主 要标志。 功率变换器向 SR 电动机提供运转所需的能量，由蓄电池或交流电整流后得到的直流电供 电。由于 SR 电动机绕组电流是单向的，使得其功率变换器主电路不仅简单，而且具有普通交 流及无刷直流驱动系统所没有的优点， 即相绕组与主电路的主开关器件是串联的， 因而可预防 短路故障。SR 电动机的功率变换器主电路的结构型式与共电电压、电动机相数及主开关器件 的种类有关。 控制器是系统的中枢。它综合处理速度指令、速度反馈信号及电流传感器、位置传感器的 反馈信息，控制功率变换器中主开关的工作状态，实现对 SR 电动机运行状态的控制。通过分 析知道，控制信号加到 SR 电动机绕组中电流脉冲的幅值、宽度及其与转子的相对位置，既可 控制 SR 电动机转矩的大小和方向。
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毕业设计报告书课题名称：开关磁阻电机设计及控制专业班级：电机制造及运行维护报告人：指导老师：报告日期：年月日2005/6/152005/6/15毕业设计(论文)任务书课题名称(包括主要技术参数)及要求:题 目: 开关磁阻电机设计及控制功 率：kw 15P N = 电源电压：相电压v 380U = 额定转速：m in /r 1500n = 额定效率：85.0≥η调速范围：min /200050r ∝ 运行方式：连续运行 绝缘等级: B课题内容及工作量:1. 了解开关磁阻电机原理、结构及控制2. 确定电机主要参数、主要尺寸3. 电磁方案计算4. 控制研究5. 编写设计说明书目录前言第一章开关型磁阻电机驱动系统的组成1.1 SRD基本结构1.2 SRD的工作原理1.3 SRD的特点1.4 SRD的研究动态第二章 SR电机工作原理和特点2.1 基本结构2.2 工作原理2.3 SR电机的特点第三章开关磁阻电动机电磁设计3.1 设计特点3.2 确定SR电动机额定数据3.3 计算SR电动机主要尺寸3.4 计算SR电动机其他尺寸3.5 选择导通角和磁负荷，计算绕组匝数3.6 核算SR电动机的额定转矩、额定电流3.7 计算槽满率、导线线径及每相绕组的电阻3.8 参数计算和校核额定效率3.9 计算机辅助设计程序第四章 SRD的基本控制原理4.1 基本控制策略4.2 正反转控制4.3 SR电动机的起动运行4.4 低速斩波控制4.5 高速单脉冲控制第五章 SRD系统控制原理设计5.1 控制系统的总体设计5.2 控制器的设计5.3 电流检测器的设计5.4 位置检测器的设计5.5 功率变换器的设计第六章 SR电动机运行时的转矩脉动与噪声6.1 SR电动机的转矩脉动分析6.2 SR电动机的噪声分析第七章开关磁阻电动机应用概况7.1 SRD系统在电动车方面的应用7.2 SRD系统在家用电器方面的应用2005/6/15第八章结束语第九章参考资料附录：参观实习报告摘要：在此次设计中，主要是系统的介绍开关磁阻电动机驱动系统的基本结构和基本工作原理，并依此为基础简要的进行开关磁阻电动机驱动系统的设计；重点分析和详细的说明了开关磁阻电动机驱动系统的执行元件开关磁阻电动机的结构、控制原理和控制策略，并根据给定的电动机的额定数据进行电机的主要参数、主要尺寸、电磁方案的计算、性能的核算和控制方案研究关键词：开关磁阻电动机驱动系统开关磁阻电动机电磁设计控制方案研究转矩的脉动与噪声2005/6/15前言磁阻式电动机诞生于160年前，但在此后漫长时期内，它一直被认为是一种性能（效率、功率因数、利用系数等〕不高的电动机，故仅应用于少数小功率场所。
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动机调速系统（Switched Reluctance Drive）。
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。
80年代以后，开关磁阻电机调速系统的性能指标高于其他传统的传动系统。
因以结构简单、运作可靠及效率高等突出特点，成为交流电机调速系统、直流电机调速系统和无刷直流电机调速系统有力的竞争者。
目前，开关磁阻电机已广泛应用于纺织、冶金、机械、石油、化工、航空、交通运输等行业。
美国、英国、韩国已在家用电器中进行了应用，并取得了良好的效果。
开关磁阻电动机是磁阻电机与电子开关驱动控制器组成一体的控制装置，又称开关磁阻电动机调速系统。
它融新型电动机结构与现代电力电子技术、控制技术一体，兼有交流变频调速系统的电动机结构简单、坚固耐用、无刷、无整流子和直流调速系统的调速性能好、控制电路简单、输出特性变化灵活、能频繁正反转和起、制动、在负载和转速变化时均有较高效率以及能适应恶劣环境等优点，是一种性能价格比较高的无级调速系统。
然而，作为SRD主体的磁阻电机，尽管电磁原理和结构相当简单，但磁路周期性变化并存在严重的局部饱和，其设计和性能分析与传统的电机差异较大，不可能完全按照传统的设计方法和理论进行该电机的电磁性能设计，因此在设计中，应给予足够的重视。
在电机的控制方面，若对SR电机运行特性和控制方式缺乏了解，亦难以制定合理的控制策略，而控制策略的合理与不合理，关系到电机是否能达不到期望的运行性能，因此，必须在正确的理论指导下，设计出合理的控制策略。
由于这是第一次搞设计，设计经验不足，知识结构不够完备，在最大可能占有相关资料的前提下，完成了此次设计任务，因此存在许多不足之处。
可能本设计结果和工厂的实际生产设计有所不同，但本次设计为以后到工厂搞设计积累了宝贵的经验。
在这一个多月的设计中，由电气系老师谢卫才担任指导，在设计过程中谢老师给予了悉心的指导和热情的帮助，在此对谢老师谨致诚挚的谢意。
本次设计难免有不少错误的地方，敬请各位老师提出加以指正。
由于开关磁阻电动机是一个系统，而作为它的执行元件SR电动机其本身无法单独工作，因此，本次设计是从开关型磁阻电动机驱动系统出发。
第一章开关型磁阻电机驱动系统的组成1.1 基本结构2005/6/15开关型磁阻电机驱动系统（英文全称为Switched Reluctance Drive缩写为SRD）主要由开关型磁阻电机（英文全称为Swithd Reluctance Motors缩写为SR电动机）、功率变换器、控制器和位置检测器四部分组成，其基本框图如图1所示。
其中SR电动机和位置检测器组成一体，功率变换器、控制器和电源是跟SR电动机相对独立的电子电气装置。
SR电动机是整个系统的执行部件，它采用双凸极结构，磁路的磁阻变化较大。
定、转子极数不同，转子仅由叠片叠压而成，既无绕组也无永磁体；定子各极上绕有集中绕组，径向相对极的绕组串联，构成一相。
SR电动机遵循“磁阻最小原理”，产生的磁拉力形成磁阻性质的电磁转矩而使转子转动。
功率变换器向SR电动机提供运转所需要的能量，其本身由蓄电池或交流电源整流后得到的直流电供电。
它主要由功率开关和续流等电路组成，实现电能的转换和能量回馈。
它的主电路的结构形式与供电电压、电动机相数及主开关器件种类等有关。
位置检测器是转子位置及速度等信号的提供者，是用来确定转子磁极的相对位置。
控制器必须借助位置检测器获得的转子位置信息，以保证在恰当时刻接通或断开相应的相绕组，以产生不同的电磁转矩，获得不同的转速、转向及运行状态。
控制器是系统的中枢，它综合处理速度指令、速度返馈信号及电流传感器、位置传感器的反馈信号，从而控制功率变换器中主开关器件的工作状态，实现对SR电动机运行状态的最终控制。
1.2 SRD的工作原理由于不同转子位置处，其相电感L（θ、i）及бL/бθ是不同的，控制相绕组通电时刻即可改变电流的大小及波形，因此产生不同的转速、转向及进入不同的运行状态。
SR电机电动机的控制器，根据位置检测器检测到定、转子间的相对位置，按照给定的运行指令导通相应的相绕组的度开关元件。
相绕组中有电流流过的产生磁通，转子因受到使其向磁阻最小位置运动的趋而产生的磁拉力的作用而转动，直转子转到被其吸引的定子磁极相重合时为止。
同时，控制器根据新的位置信息亲断当前相，而导通下一相，因而转子继续向下一个平衡位置转动。
这样，控制器根据相应的位置信息按一定的控制逻辑，连续不断地导通和关断相应的主开关，就可以产生连续的同方向转矩，使转子在一定的转速下连续运行。
再根据一定的控制策略，控制各相绕组的通断时刻2005/6/15以及绕组电流的大小，使系统处在最佳状态下运行。
因此，位置闭环是SRD有别于步进驱动系统的重要标志之一。
1.3 SRD的特点开关磁阻电动机驱动系统，综合了交流电动机驱动系统和直流电动机驱动系统的优点，作为一种新型的调速系统，它的电动机本体结构、变换器型式以及控制方式都与众不同。
其主要特点有：1．执行元件SR电动机结构简单，制造工序少、成本低、工作可靠、维修量小等优点。
2．功率变换器主开关元件少，且每一个开关元件都与电动机绕组串联，从结构上排除了短路故障的可能，不会出现直通现象。
3．系统具有良好的动态响应。
4．系统的调速范围广、运行效率高、控制参数多、控制方式灵活、易实现正、反转控制及四象限运行。
5．系统的噪声大于一般的电动机，且电动机与控制器间的联线较多，这是SRD系统的最度的缺点。
1.4 SRD的研究动态性能优良的电气传动都需要调速电动机，先进的机电一体化调速电动机，正是顺应了这种必然发展趋势的需要。
开关磁阻电动机调速系统作为一种方兴未艾的新技术，涉及到电机、微电子、电力电子、计算机、自动控制和机械工程等众多学科领域。
从目前发展水平看，无论是在理论上还是在应用上，仍有许多问题有待进一步研究与解决。
1. 进一步完善SR电动机设计理论，SR电动机的非线性使其性能的精确分析和计算较为困难。
目前普遍采用二维非线性有限元法分析SR电动机内部的饱和磁场.其局限性主要表现在两方面：一是对以路为基础的设计方法研究不够。
二是现有场的方法的精度亦有待提高，应计及端部效应，开展SR电动机三维场的研究。
2．加强铁心损耗的理论研究。
SR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较为复杂，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与测量颇为困难，面临的问题主要是如何建立准确、实用的铁心损耗计算模型和分析、测试手段。
3．加强对转矩脉动及噪声的理论研究，SR电动机的转矩脉动及其引起的噪声是SRD一个颇为突出的缺点，这限制了其在诸如伺服驱动这类低速要求平稳且有一定静态转矩保持能力场合下的应用。
因此，研究抑制SR电动机的振动和噪声也是改善SRD性能的重要课题之一，减少SR电动机振动和噪声的关键是在于如何减定子上的径向力的大小。
从SR电动机自身的结构设计上，主要是合理设计形状、定子磁轭强度和电动机刚度，合理选择气隙、极弧参数；从控制角度看，主要是优选导通角和关断角及调节方案，尽可能调节好各相工作参数的对称性。
4．进一步提高SRD中电动机、功率变换器及控制器三者之间的协调设计水平，SRD是典型的机电一体化装置，它的各部分间的联系非常密切，为使系统整体最优，就不应将各部分的设计院割裂开来，必须借助计算机辅助设计将电动机、功率变换器及控制器三者作为一个整体进2005/6/15行优化设计。
目前尚停留在仅对特定类型的SRD分析核算程序的水平，只能完成局部的综合设计和个别参数优化。
5．如何有效地回收绕组释放的磁场能量。
因为SR电机的断开相时，铁心内部有剩磁，而SR电动机的转子在不停的旋转，切割了电磁线，由法拉第电磁感应定律产生了能量，此部分磁场的能量回馈给电源，由于此能量不是连续的，给能量的回收利用造成了很大的困难，主要如何在有效建立回馈方式。