开关磁阻电机的基本了解

开关磁阻电机的基本学习内容

1 开关磁阻电机的基本原理以及结构

开关磁阻电动机(Switched Reluctance Motor ，简称SRM) 定转子为双凸极结构，铁心均由普通硅钢片叠压而成，其定子极上有集中绕组，径向相对的两个绕组串联构成一相，转子非永磁体，其上也无绕组[1,3]。SRM 的定转子极数必须满足如下约束关系：

s r s N =2km N = N + 2k

(1-1)

其中，Ns ，Nr 分别为电机定、转子数；m 为电机相数值减1；k 为一常数。以下图1-1所示一个典型四相8/6极SRM 为例，相数为4，因而m=3，取k=1，则Ns=6，Nr=8。m 及k 值越高，越利于高控制性能控制，但相应成本越高，结构越复杂。目前技术较为成熟，发展较为迅速的产品多为三、四相SRM [2]。

图1-1即为一典型四相8/6结构的SRM电机本体及其不对称功率变换器主电路的示意图（图1-1在末尾手画）。为表述清晰，图中仅画出不对称半桥电路的一相，其他各相均与该相相同，并省略了相应的驱动及检测电路。完整的开关磁阻电机调速系统（Switched Reluctance Motor Drive，简称SRD）则由SRM、功率变换器、控制器、位置检测器等四大部分组成，如下图1-2示。

SRM可以认为是同步电机的一个分支，它运行时遵循磁阻最小原理，同步进电机较为类似[2,30]。其具体运行原理如下：首先要保证励磁相的定子凸极和最近的转子凹极中心线不重合，也即初始位移不能位于磁阻最小位置。通以交流电后，经过一个整流桥变为直流电源，当开关S1和S2开通时，AA’相通电励磁，产生一个磁拉力。在该电磁力的轴向分量作用下，产生电磁转矩，凸极转子铁心趋向于旋转到定转子极轴线B-B’与A-A’重合的位置；而电磁力的径向力分量则造成定子的“变形”，这也是产生转矩脉动和电机噪声的根本原因之一。在该过程中电机吸收电能。关断S1和S2，开通BB’相，此时AA’相经续流二极管VD1、VD2将电能回馈给电源，同时BB’相趋向运行到定转子极轴线C-C’与B-B’重合的位置。以此类推，顺次给A→B→C→D相循环励磁，在惯性和轴向力的作用下，转子将一直逆着励磁顺序旋转，从而完成自同步运行。同理若改变励磁顺序为C→B→A→D，则转子沿顺时针方向转动。由此可以看出，SRM与直流电机不同，其运行方向与相电流方向无关，而仅与相绕组通电顺序有关。

图1-2开关磁阻电机调速系统构成

初次以外，我还搜集了几种不同结构的SR 电机，分别有涡轮转子两相SR 电机，可控饱和两相SR 电机、常规结构三相6/4级SR 电机、三相6/8SR 电机、三相12/10级SR 电机、三相6/2级SR 电机、三相12/8级SR 电机、三相24/32极外转子SR 电机、五项10/8级短磁SR 电机、七相14/12极短磁路SR 电机，具体配图见报告末尾备注。

二． SRD 的物理方程与控制分析

SRM 的双凸极结构及整个磁路的脉振性、高饱和、涡流、磁滞等非线性因素的存在，加上运行时的开关性，使得的SRM 精确分析极为困难【41,44】

。在此问

题上，适度的简化模型显示了强大的优势。

首先，基于简化模型的假设如下【28，102】： 主开关电源的直流电压(±Us)不变； 忽略铁耗及相间互感；

忽略功率开关自身的功耗，视为理想开关器件； 认为电机各相参数完全对称； 磁场不饱和。

在此基础上，我们可以得到SRM 运行的本质电磁和力学关系，写出其严密的物理方程[1,2,3,7]。

1.电路方程

dt

d i R U k k k k ψ+= (1-2)

式中，U k ：第k 相绕组端电压；R k 、i k 、k ：第k 相绕组的电阻、电流和磁

链。

2.磁链方程

相绕组磁链可用相电感和相电流表示，即：

()θ,k k k i ψ=ψ

(1-3)

式中，

：转子位置角。

3.机械方程

L e T D dt

d J

T ++=ωω

(1-4) 其中：

ωθ

=dt d (1-5)

60

2n

πω=

(1-6) 式中，ω：角速度；Te ：电磁转矩；L T ：负载转矩；J ：转动惯量；D ：摩擦系数。

4.机电联系方程

单相单独工作时电机产生的电磁转矩为：

'21|2ph i const L T i ωθθ

=∂∂==∂∂

(1-7)

且 ： di k

i k ⎰ψ=0

'ω

(1-8)

式中，'ω：相绕组磁共能。

由电路方程，可求得简化模型下的相电流解析式为：

k

k ()

U i f θω

=

(1-9)

其中，f(θ)为电机本体参数、开通范围及转子位置角的函数。

因此，可得到m 相电机的平均电磁转矩为：

22/2/222

1()

224r

r

N N r

r av mN mN U L

L

T i d f d ππθθθπ

θπωθ∂∂=

=∂∂⎰

⎰

(1-10)

5. 机械特性方程

如果开通区间和给定电压固定，则式(1-10)中积分部分为定值，由此得到SRM 固有机械特性为：

2av k

T ω=

(1-11)

式中，k 为比例系数。 将式1-11变形可得：

ω=

(1-12)

由此可明显看出，SRM 可调速参数较多，分别为：相绕组电压Us 、开通角on

θ和关断角off θ。根据调节参数的不同，可将SRD 常见调速方式分为三种[1,53,58,59]

斩波控制方式(Current Chopping Control ，简称CCC)；角度位置控制方式(Angular Position Control ，简称APC)；和电压控制(VoltageControl ，简称VC)，其中VC 常采用电压PWM （Pulse Width Modulation ，简称PWM ）方式，如图1-3所示。三种调速方式中，CCC 常用于基速以下的恒转矩区，通过电流斩波限来限制其启动电流。APC 则适用于基速以上的恒功率区，因旋转电动势较大，开

关器件导通的时间较短，电流较小，可通过APC 方式增大on θ来补偿电磁转矩。电压PWM 方式通过调节绕组电压平均值，间接调节并限制绕组电流，适用于整个调速范围。下图 1-4 a)- c)分别为各调速方式的控制框图。

r

b sc

图1-3 SRD 常见调速方式应用

为使SRD 工作于最佳状态，需结合不同的调速方式选择合适的控制策略。目前较常用的有传统PI 控制[17]、模糊控制【4,30】、滑模控制【33】及其组合控制【34,35】等。由于其电机的强耦合和非线性等特性，传统控制无法满足系统高性能的要求，智能控制正逐步应用于SR 电机控制领域，很多学者致力于该方面的研究，如自适应控制【27,28，31】、反馈线性化控制【59】、人工神经网络控制【43，45】等。