磁悬浮开关磁阻电机论文

磁悬浮开关磁阻电机论文（共7篇）

磁悬浮开关磁阻电机论文 篇1

0引言

开关磁阻电机( Switched Reluctance Motor,以下简称SRM) 具有结构简单、成本低、鲁棒性好,适用在恶劣环境和要求超高速的场合下运行,并可广泛地应用在纺织、造纸、煤矿、航空、机械等领域的造纸机、浆纱机、采煤机、风机、水泵、家用电器和机器人等负载上,SRM各项独立工作,系统可靠性高[1]。

磁悬浮开关磁阻电机( Bearingless Switched Re- luctance Motor,BSRM) 结合了开关磁阻电机与磁轴承的优点,具有无磨损、体积小、功耗低、轴向利用率高、可超高速运行等优点,在飞轮储能、航空航天等领域极具应用前景[2,3]。

针对双绕组结构的开关磁阻电机所存在的问题,美国国家航空航天局的B. B. Choi提出了一种12 / 8极结构的单绕组磁悬浮开关磁阻电机( Single Winding Bearingless Switched Reluctance Motor,SWB- SRM)[4],台湾淡江大学的S. M. YANG等人[5],德国开姆尼茨工业大学的L. Chen等人则设计了四相8 / 6极单绕组无轴承开关磁阻电机[3,6],另外,韩国庆星大学则改变电机的结构,提出了特殊结构的8 / 10极结构的分极式单绕组BSRM,但是这种特殊的定子结构需要特殊的制作工艺和精度,由于其较多的转子极数限制了其使用范围[7],江苏大学的项倩雯等人构建了单绕组BSRM相周期内悬浮力与转矩的全角度数学模型,并提出了一种新型的双相导通解耦控制策略,仅用一套绕组实现电机旋转与悬浮的解耦控制[2]。

SWBSRM悬浮稳定性的实现,需要搭建闭环的径向位移自检测系统及反馈控制系统,目前无传感器的控制处于理论研究中[8],转子位移的检测通常采用电涡流、霍尔式、和光电传感器、但是由于传感器的加入使电机结构变复杂,在实际应用中造成安装维护不便和价格昂贵的问题,限制了电机的推广使用,因此,探索实用的径向位移自检测技术具有重要的研究意义和实用价值[9]。本文通过单绕组磁悬浮开关磁阻电机一相四套绕组之间的电流引起的互感与转子径向位移之间的非线性关系,将一高频检测电流注入一绕组中,并根据其他3套绕组上的互感电压的变化根据互感电压和径向位移非线性的关系,经过处理得到转子径向位移,实现了单绕组磁悬浮开关磁阻电机径向位移的自检测。

1 SWBSRM的原理及数学模型

图1为三相12 /8极SWBSRM的结构,与传统的双绕组结构不同,SWBSRM每个定子极上只有一套绕组,每套绕组都单独控制,对于转子而言,两种电机结构是等效的,都是通过改变径向相对极的气隙磁密的大小来控制悬浮力,在单绕组BSRM中A相绕组由A1,A2,A3,A4组成,B相绕组和C相绕组分别沿A相绕组逆时针方向30°和60°放置,以A相绕组为例,若A1处的磁密大于A3处磁密,则会产生 α 方向的径向力,若电流大小相反,则产生相反

的效果,同理,β 方向的径向力也通过这种方法产生。B相和C相的悬浮原理与A相相同。

为了简化分析,在推导数学模型作如下假设:

1忽略磁场饱和。

2忽略漏磁通与定子交链转子轭的磁通。

3转子径向位移与气隙平均长度相比很小。

4定、转子齿极对齐时忽略边缘漏磁通。

当转子径向偏心 α ,β 时由磁路法获得12 /8极SWBSRM的自感和互感表达式[10]。

当A相导通时,A2,A4励磁的磁链表达式可以表示为:

由绕组磁链的关系可得A2,A4的端电压为:

2径向位移检测原理

用高频注入法将小幅值的高频测试电流Icsin( ωct) 注入A1端口,由于注入的高频电流很小以及径向耦合较小,因此对电机的正常工作影响可以忽略不计,由互感电压公式( 1) -( 6) 可以知道在A1端有干扰电流时,只有A2,A4端的互感压力公式中包含位移信号,因此本文用A2,A4的端电压互感增量来计算位移,可以得到A2与A4互感电压增量如下:

其中:

由于检测到A2,A4极互感电压表达式中包含自测试电流引起的互感以及A1,A3引起的互感和自身的压降,为滤除信号中不必要的条件,在系统中加入带通滤波器滤除 ωc部分,余下部分乘以正弦电流sin( ωct) 进行解调,得解调后的公式:

把解调后的信号再通过低通滤波器滤除高频部分得到只包含 α ,β 的直流表达式。

把公式( 13) -( 14) 分别代入式( 17) -( 18) ,这样直流表达式U2sa2,U2sa4可扩展成如下形式:

对上面两式提取公因式得到:

式中,c ,l0,Ns,r是常数,θ 和 ω 可以由光电编码器直接检测得到,计算得到最后项远小于 α 和 β 可以忽略不计。

于是式( 21) -( 22) 可以分解为:

此式包含径向位移检测信号,由此式可以求得反函数,推出径向位移自检测的函数表达式:

其中:

同理,可以也可以用此方法自检测B相和C相导通时的转子位移。

B相导通:

C相导通:

3实验与仿真分析

图2为SWBSRM自检测系统框图,以A相为例,为了更加有效的验证该方法,在电机模块中加入光电传感器检测实际位移信号,该系统主要由带通滤波器和低通滤波器组成,该方法主要是由高频信号1发生器产生电流为Icsin( ωct) 的高频电流,电流参数Ic= 0.01ωc= 10000,注入A相的A1端口中, 将SWBSRM输出的互感电压U1,U2通过带通滤波器滤除频率为 ωc的互感部分后与高频信号2产生的调制信号sin( ωct) 解调,将解调结果输入低通滤波器滤除高频部分,得到的直流部分与光电编码器检测出来的 ω ,θ 通过数学公式处理得出转子径向位移 α ,β 。

本文主要用MATLAB /Simulink对A相自检测系统进行仿真,仿真所用样机参数如表1所示。

图3为转子运动轨迹,图4-5为用传感器按时间采样检测SWBSRM在额定转速( 6000r/min) 下, 得到的 α ,β 轴方向的位移图。

由图4-5可以看出,α ,β 方向的位移最大偏移量小于0.15mm,在辅助轴承气隙范围内。

而利用本文所述方法按时间点采样得到转子位移预测如图6-7所示,最大偏移量也在辅助轴承气隙范围内。

图8-9为用传感器采样检测到的 α,β 实际位移与用本文研究方法得到的 α,β 径向位移估计位置所做的对比分析,可以看出最大误差小于5%,表明本文径向位移自检测方法能很好的跟踪转子的实际位移偏心,能满足无位置传感器要求。

4结束语

由于传统的双绕组磁悬浮开关磁阻电机存在缺陷,径向位移传感器的成本高等缺点,本文在研究单绕组磁悬浮开关磁阻的基础上研究了通过高频电流注入任意一相,并提取含有转子位移信号,实现了单绕组磁悬浮开关磁阻电机的无位置传感器,并且通过MATLAB /Simulink仿真进行验证,该方法缩小了系统结构并且降低了成本,为后续单绕组磁悬浮开关磁阻电机无位置传感器的研究提供了基础性的探索。

摘要：由于位置传感器成本高,受温度和噪声的干扰,增加电机结构的复杂度等缺点,文中研究了一种高性能实用的无位置传感器方法,利用单绕组磁悬浮开关磁阻电机相绕组之间的互感和位移的关系,将一高频测试电流注入A相的任一极,引起在相邻两极的端电压互感增量,滤除互感电压并经过滤波器解调得到包含转子位移的直流部分,然后经过数学处理得到转子位移,实现径向位移自检测,最后通过实验验证该方法的正确性和有效性。

关键词：单绕组,单绕组磁悬浮开关磁阻电机,高频注入,无位置传感器

参考文献

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磁悬浮开关磁阻电机论文 篇2

传统结构磁悬浮开关磁阻发电机( Bearingless Switched Reluctance Generators,BSRG)[1]的气隙磁场由载流悬浮绕组和励磁绕组共同产生,使得BSRG悬浮和发电系统间呈现高度的非线性和耦合性,导致建模及控制难度较大。文献[2,3]为避免电机内强耦合问题提出了一种混合定子型结构; 文献[4]在混合定子结构基础上通过增设发电绕组而提出了一种BSRG,开辟了混合定子BSRG的研究。然而该发电机采用8 /10 极结构,励磁磁路较长会引起较大的铁芯损耗,而且悬浮极与发电极共用定子轭部,悬浮力受发电极绕组电流变化的影响较大。为此,论文提出了一种12 /14 极短磁路BSRG,阐述了其运行机理,建立了数学模型,并利用有限元分析( FEM) 进行验证。

2 结构及运行原理

图1( a) 为8 /10 极BSRG,与传统的BSRG不同的是该发电机采用的是混合定子结构,定子上依次设有发电极和悬浮极,悬浮极定子齿宽为36°,是发电极定子齿宽的2 倍。该发电机采用的是长磁路,会引起较大的铁芯损耗。

图1( b) 为新型12 /14 极BSRG结构示意图,该发电机定转子采用的是双凸极结构,定子铁芯上依次间隔设置了悬浮极和发电极,悬浮极定子齿宽为25. 7°,发电极定子齿宽和转子极齿宽均为12. 85°。定子极x1、x2、y1、y2为悬浮极,分别位于x轴和y轴的正负方向,各绕有Nf匝悬浮绕组,由4 套功率变换电路独立控制,产生x、y方向上的径向力。定子极A1~ A4( A相) 和B1~ B4( B相) 为发电极,各同时叠绕Ns匝励磁绕组和Ng匝发电绕组,由2 个功率电路进行控制。

图1 中, 和 分别为x,y轴正负方向悬浮绕组的流入电流和流出电流; 和 分别为A相和B相励磁绕组的流入和流出电流; 和 分别为A相和B相发电绕组的流入和流出电流。

当电机转子在x负方向上有偏移时,只需要在x1极上通以电流ix1,其他的悬浮定子极无需通电,直到转子回到平衡位置。同理,转子在y负方向上有偏移时,只要在y1极上通以电流iy1。定子极x1,x2,y1和y2通以两极电流,可以合成所需的任何方向的径向悬浮力,从而满足电机转子的自悬浮。

励磁绕组电流可以为发电子系统提供励磁,在电机转子转动过程中,将会在发电绕组内产生感应电势。在励磁绕组完成励磁关断电流后,发电绕组进入续流发电阶段。通过控制A、B两相励磁绕组的轮流导通以及励磁电流的大小,即可在发电绕组内产生所需的发电电压,经整流、滤波和稳压后可以为负载连续供电。

由于悬浮定子极的齿宽等于转子的节距,是转子齿宽的两倍,所以在转子的旋转过程中,悬浮极和转子齿的对齐面积不变,且等于转子齿宽,这有利于产生径向力,且该径向力不跟随转子位置角变化。同时,悬浮极和转子齿的对齐面积不变,悬浮绕组的电感变化很小,因此由悬浮绕组产生的转矩可以忽略不计,对发电绕组的感应电势影响很小,即发电绕组和悬浮力绕组间耦合很小,大大简化了控制方法。这也是相对于传统BSRG,新型结构电机的最大优点。

3 数学模型

3. 1 悬浮子系统数学模型

根据等效磁路和虚位移法[5,6]可以推导出转子受到x方向的悬浮力Fx为:

式中

3. 2 发电子系统数学模型

以A相励磁为例,设励磁绕组端电压为Usa,电阻为Rsa,发电绕组端电压为Uga,电阻为Rga,则根据电磁感应定律和基尔霍夫第二定律[7],有

由于 不好直接测得,借助FEM先求得其绕组磁链与转子位置角θ和励磁电流isa的关系。以表1参数建立该发电机Maxwell 2D模型,给A相励磁绕组施加励磁电流isa=1,2,…,11A,转速为15000r/min,进行瞬态分析,记录转子位置θ=0°,0.9°,1.8°,…,27°处的磁链值。图2(a)、图2(b)分别为励磁绕组磁链ψsa和发电绕组磁链ψga关于转子位置角θ和励磁电流isa的特性曲线。

FEM先求得其绕组磁链与转子位置角 θ 和励磁电流isa的关系。以表1 参数建立该发电机Maxwell 2D模型,给A相励磁绕组施加励磁电流isa= 1,2,…,11A,转速为15000r / min,进行瞬态分析,记录转子位置 θ = 0°,0. 9°,1. 8°,…,27° 处的磁链值。图2( a) 、图2( b) 分别为励磁绕组磁链 ψsa和发电绕组磁链 ψga关于转子位置角 θ 和励磁电流isa的特性曲线。

由图2( a) 可以看出,θ 和isa对 ψsa均有影响,随着isa的增大和转子齿与发电机A极逐渐对齐,ψsa将由线性进入非线性区间。由图2( b) 可以看出,ψga同时受 θ 和isa的影响,增大励磁电流或者转子齿偏离发电极时,ψga也将由线性特性转变为非线性区间特性。发电绕组磁链 ψga随转子位置角的变化而变化,在转子与发电极定子齿不对齐处,磁链变化明显,没有平坦区域,即说明在此期间发电绕组一直有感应电压产生。

由图2( a) 、图2( b) 可以看出,绕组磁链与励磁电流和转子角位置呈复杂的非线性关系,很难建立精确的数学模型,考虑到其计算复杂且精确度难以保证,采用分段线性化方法将绕组磁链曲线 ψsa-isa,ψsa- θ,ψga- isa,ψga- θ 分别进行线性化: ψsa=λκsaisa+ ψκsa,ψsa= λεsaisa+ ψεsa,ψga= λκgaisa+ ψκga,ψga= λεgaisa+ ψεga,ε,κ = 1,2,…,7。系数 λκsa,ψksa,λεsa,ψεsa,λκga,ψkga,λεga,ψεga可根据有限元分析结果,应用最小二乘法算法进行拟合。

4 有限元分析及验证

为验证数学模型的准确性,在Maxwell 2D下对该新型发电机模型进行静磁场分析,在转子与A相对齐时,即转子位置角为 θ = 0°处,施加iy1= 0 ~ 2A,得到y方向的悬浮力Fy的有限元及公式计算结果如图3( a) 所示。由于建立数学模型时忽略了磁饱和及边缘磁通的影响,计算结果与有限元结果有偏差,对公式乘以系数加以修正,用二分法求得k =25 /32。分别施加iy1= 1A和iy1= 2A,得到y方向上的悬浮力关于转子位置角的变化曲线如图3( b) 所示。由图3( a)可以看出,对于某一个固定的转子位置,在相对应的悬浮绕组电流增加的过程中,悬浮力与电流呈平方关系,乘系数k后能较好地吻合。由图3( b) 可以看出,当悬浮绕组电流恒定时,悬浮力计算公式结果恒定,有限元分析结果波动也很小,两者能较好地吻合,且悬浮力不随转子位置角变化而变化。

进入瞬态分析,设定转速n = 15000r/min,isa=10A时,发电机绕组感应电压Uga的有限元分析及公式计算结果如图3( c) 所示。可从图3( c) 中看出,分段线性化的发电数学模型和有限元分析的发电电压值相符合,验证了所建发电模型的有效性和正确性。

5 磁场特性分析

本文在Ansoft/Maxwell 2D下建立了12 /14 极短磁路BSRG模型和8 /10 极BSRG模型,主要参数如表1 所示。定义转子角位置为 θ,转子齿与A相发电机对齐时为0°,转速为n,两者均以逆时针方向为正。

图4( a) 、4( b) 分别为8 /10,12 /14 极发电机在仅通励磁绕组电流时的磁路图,从图4 中可以看出8 /10 的发电机定子铁芯有磁通逆转且磁路为长磁路,而12 /14 发电机为短磁路,且定子铁芯中没有磁通流过。

为研究新型BSRG各绕组之间的关系,利用有限元模型进行静磁场分析。给两种发电机的y1极悬浮绕组施加2A的电流,给A极励磁绕组加不同的电流: 0 ~ 4A,得到的y1极电感的变化如图5( a) 、5( b) 所示; 给两种发电机的A极励磁绕组施加2A的电流,给y1极悬浮绕组加不同的电流: 0 ~ 4A,得到的A极电感的变化如图6( a) 、6( b) 所示。由图5可以看出,相比于8 /10 模型,12 /14 模型的励磁绕组电流变化对悬浮绕组电感的影响较小,波动也小。这是由于短磁路只穿过桥接两磁极的定子轭部,而不是共有的整个轭部; 而8 /10 的极弧长度相对于12 /14 的稍大,故它的悬浮绕组的电感也稍大些。由图6 可以看出,给悬浮绕组通不同电流,对两种模型的励磁绕组电感都没有影响,但是12 /14 模型的电感比8 /10 模型的要大得多,这与其极弧大小和磁路有关。

进一步研究悬浮绕组与发电绕组之间的电磁耦合关系,进行有限元瞬态分析,转子初始位置角 θ0= 0°,转速为15000r / min,给两种发电机的A相励磁绕组加电流isa= 10A,给y1极悬浮绕组加不同的电流iy1= 0 ~ 5A,记录发电绕组的感应电压Uga,其变化曲线如图7 所示。从图7 中可以看出,12 /14模型的悬浮绕组电流变化对发电绕组的感应电压影响很小; 而8 /10 模型下则会有较大的波动,曲线没有12 /14 模型的平滑。由于极弧大小的影响,8 /10模型的感应电压较12 /14 模型的要大。

6 结论

开关磁阻电机降噪方案研究 篇3

1 开关磁阻电机的工作原理

开关磁阻电机(以下称SR电机)的灵魂是磁阻最小原理。当定子凸极和转子凸极处于错位状态下,气隙以及磁阻都比较大。给定子磁极绕组通电之后就会产生拽着转子转动的拉力,使气隙趋于减小(磁阻减小)。定子磁极绕组的通电先后次序是通过电子开关有规律的通断控制,这样就能形成连续的、规律的、旋转的力矩了[2]。

SR电机不是恒转矩电机,它的转矩是转子位移角和绕组电流的函数。扭曲的磁场会产生阻性的电磁转矩[2,3,4]。其平均电磁转矩可以表示为

式中:∮Ψdi为1个周期τr的Ψ-i轨迹所包围的闭合面积;Ns为电机定子极数;Nr为电机转子极数;τr为转子转过的极距角;Ψ为磁链。

2 导致噪声的参数提取过程

2.1 分析方法的选取

磁场力计算一般都是采用有限元分析结合经典理论的计算方法。比较常用的方法有:虚位移法、麦克斯韦应力法、节点力法等[3,4]。

麦克斯韦应力法虽然推导容易,能节省计算时间,但积分路径的选取很关键,不同的方案得到结果的精确程度也不同,求解三维磁场时该方法的不确定性尤为明显。相比之下,节点力法精度高一些,但是计算量大这个缺点不能忽略。虚位移法相较前两种方法除了计算简单之外,精度也很高,关键的是移植性好,所以优选虚位移法[6]。

2.2 径向力和切向力计算

理想状态下SR电机铁芯的磁导率→∞,气隙磁导率为理想线性的空气磁导率。磁场域只受气隙磁阻的影响,产生虚位移的dt时间内,SR电机的微分能量平衡关系如下式:

式中:d We为dt时间内电机耦合磁场获得的净电能;d Ws为dt时间内的磁场储能;dWm为dt时间内的机械总能量(来自电能转换)。

当SR电机转子重叠角为θ时,设此时磁链为Ψg,气隙磁场强度为Hg,绕组电流为i,气隙的磁感应强度为B(g,i,θ),g为气隙长度,Tph为每相转矩,μ0为空气磁场率,则如下表达式组成立:

由此得到:

气隙磁储能表达式如下式:

式中:Wρ为气隙磁场的能量密度;Vg为气隙磁场的体积;B为气隙的磁感应强度;Larc为当重叠角为θ时,以电机的轴心为圆心时重叠区弧长近似值。

由式(5)联立求得:

将磁场储能Ws用广义坐标y以及磁链Ψ表示有如下关系:

将广义坐标y表示成转子重叠角θ的函数,由此得到:

综合式(2)、式(4)、式(8),此时的机械能增量为

电机的切向磁力如下式:

同理,将广义坐标y表示成气隙长度g的函数,由此得到:

综合式(2)、式(4)、式(11),此时的机械能增量为

电机的径向磁力如下式:

SR电机径向力与切向力之间的比值为

由此可见,SR电机的径向力与切向力的比值与定转子重叠角θ以及电机转子外径Dr成正比,与气隙g的大小成反比。实验得出:δ越小,SR电机电磁噪声也越小[1,2]。电机初选型时,应尽量减小转子外径Dr,增大电机的气隙长度g来减小运行噪声。

3 参数仿真过程

本文选用Ansoft公司的Maxwell软件进行仿真分析。该软件在二维电磁场有限元分析领域运用广泛[5]。使用二维求解器,建立静磁场模型之后将其导入到2D中。然后设置材料属性,加上边界条件和激励流(这里使用电流源激励)。气隙在0.5 mm到0.25 mm之间递减,步长为-0.05 mm。对参数进行仿真,结果如图1、图2所示。

开关磁阻电机的阻性转矩在运行时会拽着转子转动,此力可分解成转子径向力和转子切向力,其中切向力是带动转子运转的转矩产生的力,径向力则是引起电机电磁噪声的根源,因此我们希望径向力尽可能小一些。由图1可以看出,在重叠角一定的情况下径向力会随着气隙的增大而减小,理想上让气隙大一些;但是图2显示,转矩会随着气隙的增大而减小。这是我们所不希望的,所以折中考虑气隙值选在0.35~0.4 mm之间效果会比较好。

4 结论

SR电机噪声主要分为空气动力噪声、机械噪声、电磁噪声3类[1,6],其中电磁噪声是主要噪声来源。针对这一问题利用虚位移法对电磁力进行分解分析,得到径向力和切向力。其中,径向力产生噪声和振动,切向力就是转矩力。要减小噪声就要减小径向力的值,经过计算得到径向力与切向力的比值与电机气隙大小有关。气隙的大小可以影响径向力与切向力的比值,要减小噪声,就要使比值尽量小,理论上希望气隙尽量大一些。通过仿真不难发现虽然随着气隙的增大径向力在减小但转矩也在减小,所以折中考虑将气隙值选在0.35~0.4 mm之间较适合。

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开关磁阻电机直接转矩控制 篇4

本文通过对开关磁阻电机分析, 提出通过对SRM转矩特性分析提出通过磁链幅值和矢量速度有效控制电机转矩的方法。结果表明, 这种控制策略可有效简便地抑制SRM转矩脉动。

一、开关磁阻电机的结构及运行原理

开关磁阻电机是一种定子单边激励, 定、转子两边均为凸极结构的磁阻电机。由于定子电流有变频电源供电, 电机必须在特定的开关模式下工作, 所有通常称为“开关磁阻电机”。其调速系统由以下部分组成:控制器、功率变换器、双凸极磁阻电机和转子位置检测器。

1. 开关磁阻电机结构

开关磁阻电机的电机结构:SRM由定子、转子构成双凸极铁心结构, 由普通硅钢片或其它导磁材料叠压成定、转子的凸极。转子上装有位置检测器, 没有线圈。定子的每个齿极都有一个集中线圈, 两个径向相对的线圈串联形成一对磁极, 称为“一相”。SRM有多种相数结构, 且定子的齿极数可搭配多种转子的齿极数。目前应用较多的是四相8/6结构及三相6/4结构。

2. 开关磁阻电机运行原理

给SRM当绕组某一相通电, 相绕组中也产生电流, 定子产生磁场, 且磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合。由于电磁转矩有磁阻的性质, SRM的转向仅取决于相绕组通电的顺序, 从而简化了功率变换电路。通过改变相绕组的通电顺序来改变SRM转向从而改变电机转向;通过控制相绕组通电电流的大小和通断时间, 可以改变电机的速度和转矩。

3. 开关磁阻电机直接转矩控制

控制和调节电机转速的关键是如何有效的控制和调节电机的转矩。本文采用直接转矩控制方法对开关磁阻电机进行控制, 对转矩直接控制后, 输出相应的电压信号。调节绕组相电压控制更为直接有效, 对转矩脉动和噪声将会有很好的效果。

开关磁阻电机直接转矩控制的的理论基础

(1) 为了最大化地利用定子磁链, 电机的定子磁通向量要保持一个恒定的幅值;

(2) 通过调整定子磁链与转子磁链的相角的方法实现对转矩的直接控制的目的。对于假设 (1) , 开关磁阻电机的直接转矩控制也可以通过选取适当的电压向量来实现。对于假设 (2) , 开关磁阻电机转矩的控制通过控制定子磁链的加、减速实现。

开关磁阻电机的数学模型

(1) 电压方程:定子每相绕组两端的电压, 等于定子电阻压降和因磁链变化而产生的磁阻电势之和, 即:

式中, u、R、i依次是电机定子相电压、相电阻和相电流, θ是电机定、转子的相对位置角, ψ (θ, i) 是电机定子的相绕组磁链。

当忽略相电阻R时, 式 (3-1) 可简写为:

(2) 磁链方程:开关磁阻电机每相绕组磁链与绕组相电流和转子位置角相关, 磁链方程一般可相应表示为电感和电流的乘积:

(3) 机械方程:按照力学定律, 在电动机电磁转矩Te和负载转矩TL作用下的转子机械运动方程:

式中, J--开关磁阻电机的转动惯量

kω--摩擦系数

在某一时间dt内, 传输到磁场的有功功率为磁共能We=Pedt, 其中

一部分要输出给负载转矩, 转换成机械能Wm做功, 另一部分作为磁场能Wf储存在磁场中。我们假设在控制器的一个周期内, 电机的绕组电流恒定不变。并且由于开关磁阻电机的磁饱和性很高, SRM的磁场储能Wf在转子转动时无损失。所以瞬时转矩公式为:

SRM的每相电流通过开关磁阻电机每相绕组的单极性驱动保证都为正值。

对于磁链模型, 由SRM的数学模型及电压的平衡方程可知, 磁链可以写成关于绕组电压和电流的函数, 当忽略相电阻R时, 即

开关磁阻电机电压空间矢量的选择

通过前文的分析可以发现, 电机的定子磁链和转矩可通过电机定子绕组相上的电压空间矢量进行控制。基于不对称半桥型功率变换器, 下面重点分析三相开关磁阻电机电压空间矢量。

对于三相开关磁阻电机, 它的电压矢量有33共27种。另外, 按照“两步换相”法, 也就是电压只能按照+l↔0↔-1的次序进行切换, 而不能直接在+l和-1间切换。按照以上规则, 最终确定开关表如表1所示。

各电压矢量依次相差60°, 分别以6个电压矢量为分界, 将圆周分为6个区, 依次设定为N1到N6, 且每个区为60°。电机在实际运行中, 任意时刻的三相绕组在取得非零电压时, 相对应的功率开关器件的状态只能取上述6种。

电压空间矢量对磁阻电机转矩的作用

这样, 在定子磁链所属的区间内, 根据转矩和磁链的变化情况, 功率开关器件就可通过选择合适的电压矢量实现正确开关状态, 从而把转矩和磁链的波动控制在一定的幅值内。

坐标变换

相互独立的三相磁链矢量可通过正交变换, 即α-β坐标变换合成一个定子磁链矢量, 从而得到电机的磁链幅值和转子位置角。

当α-β坐标系为静止坐标系, 该坐标系是固定在定子上的直角坐标系, 选择A相绕组的轴线为α轴 (实轴) , 从α轴沿旋转磁场方向旋转90作为β轴方向。用坐标变换的方法我们可以很容易得到关系式

幅值和磁链矢量的角度定义为

其中函数arctan 2, 它与反正切函数arctan的功能相同, 只不过arctan值域为[-π/2, π/2], arctan 2的值域为[-π, π]。

在开关磁阻电机的直接转矩控制理论中, 必须有子磁链矢量的空间位置, 才能判断如何选择电压矢量, 从而计算出磁链矢量与α轴的夹角θ。

结论

本文分析开关磁阻电机的仿真模型, 推导开关磁阻电机的基本方程。对直接转矩控制的结构原理, 将直接转矩控制移植到四相开关磁阻电机的方法进行详细的介绍。利用Matlab-Simulink软件中提供的模型及模块对直接转矩控制系统建立数学模型, 结果表明, 直接转矩控制可有效减小转矩脉动, 使电电流、磁链波形光滑平稳, 空间定子磁链运行轨迹为圆形。此方法简单易行, 成本低廉, 可认为是一种较好的控制系统。

摘要：针对开关磁阻电机的一般控制方法 (电流斩波的控制、角度位置的控制和电压的控制) 抑制转矩脉动和降低电机振动噪声有缺陷, 本文将探讨直接转矩控制方法。

关键词：开关磁阻电机,直接转矩控制,空间电压矢量

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开关磁阻调速电机节能应用研究 篇5

磁阻式电机是在电磁发电机的基础上发展而来的,至20世纪初期,随着电子技术的不断发展,磁阻式电机也得到了进一步发展,逐渐形成了开关式磁阻电机(Switched Reluctance Motor,SRM)。此类电机具有可变调速等诸多优点,引起了国内外众多学者的研究兴趣。本文将对开关磁阻调速电机的工作原理、组成、特点、应用等内容进行相关探讨。

1 开关磁阻调速电机概述

1.1 原理介绍

开关磁阻调速电机是继交流变频调速电机之后的又一新型电机,是无级调速系统中的重要组成部件。该电机结构采用了凸极定子和凸极转子的双凸极结构,这是与传统交直流电机的显著差异。其中定子由普通硅钢片叠压而成,且各级上绕有集中绕组,径向相对极的绕组相互串联绕成一组,而转子则既无绕组也无永磁体。

开关磁阻电机工作原理如图1所示,当开关S1和S2处于闭合状态时,A相绕组处于连接状态,由于磁通遵循“磁阻最小原理”,转子磁极的轴线和定子磁极的轴线将重合,图中显示为Oa与OA重合;当开关S1和S2断开时,则B相开关处于闭合状态,同样的原理,转子会沿原来的方向继续转动相同的角度;这样只需对各开关进行不停的通断,转子就能持续转动。图中,A、B、C分别为定子三相绕组,S1、S2分别为开关,D1、D2分别为二极管,a为转子磁极。

1.2 开关磁阻调速电机的关键技术

开关磁阻调速电机作为一种新型驱动系统,之所以具有多项优点,主要是由整个无级调速系统决定的。该系统除包括开关磁阻电机外,还包括功率变换器、电流检测器、位置检测器、控制器等,以下将对各部分技术进行简要分析。

1.2.1 功率变换器

开关磁阻电机的调速功能是通过三相线圈的顺序供电而实现的,利用开关管可实现对线圈通断的控制,具体操作如下:在2个大功率开关管之间串联1个线圈,当2个大功率开关管同时接通时,则线圈通电,反之则线圈处于断电状态,而断电时能通过续流二极管反向向母线释放电压[1]。

1.2.2 电流检测器

通常选用高精度、线性好的霍尔电流检测器,串联在三相线圈的每相绕组上,用于检测三相线圈的电流,并将检测结果反馈到控制器上,实现其检测目的。

1.2.3 位置检测器

开关磁阻电机要调速,首先要确定转子位置,这是判断该控制哪一相线圈通断的前提。位置检测器利用高性能红外光电元件对转子位置和转速进行检测的。位置检测器一般安装在电机后部,其抗干扰能力强,寿命长,能对转子位置进行快速而准确的判断。

1.2.4 控制器

控制器是开关磁阻调速电机系统的核心部分,主要功能是处理信号,发出指令,使设备能按既定目标运行。控制器能综合处理给定信号、电流检测器检测信号、位置检测器反馈信号,对信号进行综合处理后发出信号,控制功率变换器控制线圈的通断,从而满足运行要求。

1.3 开关磁阻调速电机的主要优势分析

开关磁阻调速电机结构简单、坚固,转子无绕组;可控参数多,便于调整;启动电流小,起动转矩大,可靠性高;降低了电机的转矩脉动和噪音;系统效率高,且高效范围较宽。以下具体介绍几点的主要优势。

1.3.1 系统效率高

开关磁阻调速电机系统效率可达到90%以上,功率因数能达到0.95,且转速和负载转矩在较大范围内变化时都能保持相对稳定性。相对于三相异步电机而言,开关磁阻调速电机的优势十分明显,其调速范围能从30 r/min上升到2 000 r/min,且还能实现无级调速,这就能节约25%的电能,真正实现了高效调速。

1.3.2 控制系统可靠性高

电机转矩方向与绕组电流方向之间无直接关系,只需单方向绕组电流,这样控制电路每相只需1个功率开关即可满足。系统需要的功率元件少,电路结构大大简化;而系统中功率开关元件与电机绕组相串联,这就有效防止直通短路故障的发生,提高了系统可靠性;另外,转子无任何形式的绕组,机械强度很高,而定子只有几个集中绕组,增强了配件的绝缘程度,同样能延长其使用寿命[2]。

1.3.3 启动优势

开关磁阻调速电机具有高启动转矩和低启动电流的性能,因此适合重载启动的场合使用。电机在工作状态下,其启动转矩能达到额定转矩的1.5倍,而起动电流则仅为额定电流的0.3倍,这就能有效减少对电网的冲击,降低变压器的容量,真正实现了软启动;电机的这些性能优势,还可适用于频繁启动和正反运转的场合。

1.4 开关磁阻调速电机的应用

鉴于开关磁阻调速电机的以上优势,该驱动系统已在众多领域得到广泛应用。目前已成功应用的领域主要有电动车用驱动系统、家电驱动、航空军事设备驱动、压缩机等通用工业的驱动。

1.4.1 家电行业中的应用

空调、冰箱、洗衣机等家电的发展趋势主要为自动化和智能化,这就需利用可调速的电动机取代原来不可调速的电动机,开关磁阻调速电机不仅性能上可满足,且价格上占有较大优势。

1.4.2 在电动车船驱动系统中的应用

开关磁阻调速电机高效、节能、调速范围宽、软启动等性能是电动车驱动系统的理想动力,中国已开始将开关磁阻调速电机投入到电动汽车领域,并取得了显著成效。在船驱动系统中的应用,可有效减少机油、柴油、汽油对水域的污染,还能降低噪声。

1.4.3 在特殊要求场所中的应用

纺织行业对电机要求较高:a)电机要具有极好的环境适应性,能长期连续地在湿、热条件下运行;b)电机反应速度要快,不超过0.3 s;c)电机需要不断的交替工作状态,实现正反转。这些苛刻的条件一般电机难以满足,而开关磁阻电机却能全部实现[3]。

2 开关磁阻调速电机节能分析

2.1 电机效率对比

由图2可知,试验证明,相同功率等级的开关磁阻电机与其它类型高效电机进行效率测试比较,开关磁阻电机高效区域较广,效率在电动机整个调速范围内的80%以上都超过了90%;整体效率在95%以上,这是永磁电机和变频调速电机无法达到的。

2.2 广东能强陶瓷有限公司电机改进介绍

广东能强陶瓷有限公司电机改进前型号为Y2-280M-4/90k W的三相异步电动机,该电机正常工况下每小时耗电量约为74.71 k W·h,能耗较高。为降低企业能耗成本,决定对该型号电机进行改造,更换为型号为SFD-280M-1500/90KW(SFD014-01)的开关磁阻电机。

电机改进效益对比如表1所示。

2.3 效益分析

由表1数据可知,改进后电机节电率可达到18%,若陶瓷球磨机每年工作时间为280 d,每天工作20 h,则改造后每年用电量将节约50 400 k W·h,若按工业用电价格1元/(k W·h)计算,则年节约成本达到50 400元。依据电机改造成本,则经过1.5 a~1.9 a的时间即可完成投资回报周期。该企业斥巨资进行节能改造,取得了十分显著的成果,不仅为企业带来良好的经济效益,还为企业赢取了良好的社会效益,成为行业典范[4,5]。

3 结语

为推动高效电机开发和推广应用,促进电机产业升级,全面提高电机能效水平,工业和信息化部、质检总局组织实施了全国电机能效提升计划(2013年—2015年),但从淘汰落后电机的路线图来看,2003年之后生产的Y2、Y3系列三相异步机仍在大量应用,要全面提升中国电机能效水平,促进电机产业转型升级,诸多优势的开关磁阻电机市场应用前景非常乐观。

摘要：对开关磁阻调速电机的组成、原理、关键技术及其应用进行了分析,最后以在陶瓷行业中的应用为例,对其节能效果进行了分析。

关键词：开关磁阻电机,调速系统,原理,组成,节能应用

参考文献

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磁悬浮开关磁阻电机论文 篇6

开关磁阻电机 (SR电机) 是一种新型调速驱动系统, 以结构简单、成本低、效率高、调速性能优良和可控性灵活等优点迅速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强有力的竞争者, 具有广阔的发展前景。国内在SR电动机理论上取得了一定研究成果并研制出不同功率的电机产品, 北京中纺锐利机电有限公司研制的2.2~400KW系列产品已被应用到纺织机械、电动车辆、煤矿皮带机等领域。然而, SR电机特殊的双凸极结构使其在运行过程中存在显著的边缘效应和局部饱和现象, 因此造成了非正弦的相电流和脉振式的饱和磁场。电感和磁链均是关于电流和转子位置上的二维函数, 给SR电机准确模型的建立带来困难。目前对SR电机的建模、设计和控制方法的研究已成为热点:国内对SR电机建模大多建立在电感曲线的基础上, 文献[1]基于电感函数建立了SR电机非线性仿真模型, 但其主要模块均采用M文件编程实现相应功能, 严重影响仿真速度。文献[2]建立了开关磁阻电机的准线性模型, 具有一定的精度。文献[3]建立了开关磁阻电机线性电感模型, 给出不同控制模式下的相电流波形, 对其定性分析有一定指导意义。国外对SR电机的建模多数是以磁链函数为基础, 文献[4]通过电流和转矩函数, 利用插值模块建立SR电机非线性模型, 具有较高计算精度和仿真速度。文献[5]基于有限元仿真得到的电感曲线和转矩曲线建立SR电机的自适应网络模型。正是由于SR电机建模方法的不断发展, 新的控制策略如神经网络法[6]、自抗扰控制法、直接转矩控制法[7]、滑模变结构控制法[8]等控制方法也得到广泛应用。随着非线性模型精度的不断提高, SR电机将会在更多更广的领域发挥重要作用。尤其在电机故障诊断方面[9], 开关磁阻电机有较大的优势。因此, 为了建立较精确的电机模型准确的分析其性能特性, 利用有限元仿真软件Ansoft计算出的电感曲线, 在Matlab/Simulink中搭建SR电机非线性仿真模型, 研究SR电机在角度位置控制 (APC) 和电流斩波控制 (CCC) 运行方式下电机的稳态特性, 给出变速条件下SR电机的运行特性曲线, 验证电机模型的准确性。同时, 研究不同开通角和关断角对电机性能的影响, 给出SR电机在高速运行时不同开通角和关断角对电机相电流影响波形, 调节开关角使电机在一定转速时输出平均电磁转矩最大或者效率最高, 获得角度最佳控制。同时, 对开通角和关断角的调整可以有效改善SR电机振动和噪声, 为SR电机优化设计提供理论依据。

一SR电机电感法建模的数学模型

SR电机采用双凸极结构, 定转子的凸极由普通硅钢片叠压而成, 电机转子上无绕组和永磁体, 绕组集中在定子凸极上, 单方向通电, 径向相对极的绕组串联成一相, 如图1所示为典型的三相6/4结构SR电机截面图和主电路。SR电机遵循“磁通最小”的运行原理, 即磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合。D1和D2是为能量回馈提供通道的续流二极管, K1和K2为控制电路通断的开关管。若此时导通C相定子绕组, 由于此位置磁阻最小, 无法产生切向磁拉力而转动, 若A相导通, 所产生的磁场力力图使转子旋转到定子极Aa和转子极13重合的位置, 在此过程中产生磁阻性质的电磁转矩, 使电机转动, 当完全重合后相邻相定子绕组导通又会产生相应电磁转矩继续维持电机转动。按A-B-C-D顺序导通相绕组, 则转子便按逆时针方向连续转动, 反之, 顺时针方向转动。

设电源电压为U, 开关管导通压降为Ut, 二极管压降为Ud, 相绕组电阻为Rs, 当两开关管闭合时, 根据电路理论有[10]:

磁链和电感有如下公式:

将式 (1-2) 代人式 (1-1) 可得:

开关管关断时有;

整理可得:

SR电机电磁转矩可以表述为:

平均转矩可以由瞬时转矩得到:

其中, τr为电机转子极距, wr为电机转子转速。

系统效率通过下式计算:

其中, m为相数, ua为A相电压, ia为A相电流。

二基于Matlab的SR电机电感法建模

(一) SR电机本体建模

电感法是利用有限元分析软件Ansoft仿真出来的电感曲线 (电感关于转子位置角和相电流的函数) 来进行建模的方法, 如图2所示为在Ansoft中仿真得到的电感波形。

结合电感法建模的数学模型相关公式, 可建立如图3所示一相相绕组模型。其中, 忽略轴向端部效应, 不计涡流影响, 该模型可以作为电动机和发电机的仿真模型。La+和La-是相绕组两端接口, 接开关管, delta A为A相绕组的位置信号, Ta是A相瞬时转矩, Rs是电机相绕组电阻, 三相SR电机由三个这种一相绕组模型构成。

图中两个二维查找模块LookupTable (2-D) 和一个受控电流源ControlledCurrentSource是建模的关键:第一个二维查找模块的输入输出数据是电感曲线, 第二个二维查找模块是转矩对角度的偏导数 () , 两个二维查找模块的第一个输入 (行向量) 都是角度, 第二个输入 (列向量) 都是电流。二维查找模块将两个输入端的值与预先输入的行列值进行比较, 相同的输出预先设置的值, 不相同输出线性差值, 输入值不在行列值范围之内, 模块将利用开始或最后两点外推得出输出值。在已知电流源的瞬时值和电感、电感对角度的偏导等数据前提下, 利用非线性数学模型的公式可求得瞬时转矩。建模的难点是电感偏导数的求取, 因为非线性的电感曲线无法用函数解析式表示, 而在Matlab中求微分需要函数表达式。因此, 建模中采用三次样条插值法拟合出电感函数进行插值来求取偏导数。

(二) SR电机控制部分建模

SR电机一般采用带有转子位置检测器的闭环控制, 这是研究SR电机及其控制系统的基础。利用Matlab/Simulink建立6/4极三相开关磁阻电机控制系统仿真模型是当前比较理想的建模方法。如图4所示, SR电机带有转速和电流的双闭环, 电机转速作为主要被控量放在控制系统的外环, 以确保转速能够准确跟随给定转速, 电机电流负反馈作为内环, 转速调节器的输出作为电流调节器的输入, 再用电流调节器的输出控制功率变换器。

该控制系统由电机本体模块、功率变换器模块、位置检测器模块和PI控制器模块[11]等组成:开关磁阻电机本体采用上述相绕组模型封装;功率变换器采用控制方便、效率高、结构简单的不对称半桥型, 开关管为IGBT, 在软件中封装成子模块被调用;PI控制器调节转速, 输入为转速误差, 输出的是给定电流, 设置PI参数为kp=30, kp=1, 可以得到理想转速曲线, 实现良好的稳定性能;电流调节器采用电流滞环比较器来控制相绕组的通断, 通过设定滞环宽度参数以限定绕组电流大小, 此设计是在电机转速较小时控制斩波电流的上下限;位置检测器子模块内部如图5所示, 首先对转速积分, 得到三相转子旋转机械角度, 然后对角度取余得到三相转子位置角, 最后和设置的开关角进行比较, 在大于开通角时刻导通, 大于关断角时刻关断, 控制电机运行。

三SR电机模型仿真验证

定义SR电机在转子极与定子槽中心线对齐位置处 (此时相电感最小) 的转子位置角为0。设转子导通角θon=0°, 为保证导通角期间产生的电磁转矩是驱动性质的转矩, 关断角需要满足以下公式:

当转子极数Nr=4, 转子极弧βr=32°时, 有导通角θon=0°, 则关断角θoff=29°。实际的SR电机控制中, 一般需要提前导通, 保持导通角为29°或者30°为最好。按照所搭建系统对所建立的6/4结构三相SR电机模型仿真验证, 导通角θon=-5°, 关断角θoff=28°, 电机额定转速nN=3450r/min。

稳态运行仿真波形如图6所示为SR电机在高速时三相磁链, 三相电流, 电磁转矩, 转子转速等特性曲线。如图7所示为SR电机在低速时运行在电流斩波控制方式下特性曲线。SR电机运行在角度位置控制方式下, 恒功率负载, 相电流为85A, 相电流在每一相的关断时刻相邻相导通, 电磁转矩稳定在50N·m左右上下波动, 反映出电磁转矩的脉动情况;电机在低速时运行在电流斩波控制方式下, 电流滞环宽度为10A, 为限制电流大小, 斩波电流为200A, 电磁转矩较大为100N·m, 三相电流依次导通, 电磁转矩在电机每相的关断时刻附近脉动最大。得出所建模型及系统的有效性。

四开关角的优化

SR电机的四个控制参数中, 转速为设定值, 绕组电流由速度环给出或直接给定, 电机的出力、效率和噪声等性能指标都与开关角密切相关, 所以有必要研究开关角对SR电机电动性能的影响。SR电机角度参数优化是一个需要考虑多种因素约束和影响的多目标综合参数选择问题, 系统运行稳定性要求关断角大些, 而降低噪声和振动要求关断角尽可能小些。通过调节开关角使得一定转速时平均转矩最大或效率最高, 得到角度最佳控制。

图8为转速n=3450r/min, 导通角θon=-5°、-4°、-3°, 关断角θoff=28°条件下的波形。图9为相同转速下, 关断角θoff=25°、27°、30°, 导通角θon=-5°条件下的波形。由图得知, 开关角对电机性能影响非常明显, θon在一定范围内提前越多, 相电流峰值越大, 电机出力越大;θoff的改变不影响电流峰值, 但随之增加, 在电感下降区的电流续流越长, 电机出力越小。所以对于不同的转速, 存在角度的最优控制。

不考虑运动方程, 令转速n=3450r/min恒定值, 获得稳态仿真的平均转矩随开关角变化关系曲线, 从图10可以看出, 无论关断角取何值, 开通角在-5°到1°范围内平均转矩最大, 考虑到效率最高, 开通角最优取值为1°。从图11可以看出, 不管开通角取何值, 关断角为22°时平均转矩最大, 因此, 最优关断角为22°。一次类推, 可以优化电机在其他转速下的开关角, 以供电机动态仿真和设计控制软件使用。

五结论

通过所建立的三相SR电机非线性模型, 对运行在高速和低速的控制系统进行仿真, 给出负载加重时的动态响应波形, 验证了该模型和调速系统的有效性, 并且在电机平均转矩最大或者效率最高条件下对电机的开关角进行了最优组合仿真, 为实际电机控制系统的设计和调试提供了新的思路。

摘要：利用非线性磁化曲线簇, 结合外部电路方程和有限元 (FEM) 仿真, 在Matlab/Simulink中通过实时的电感插值法建立开关磁阻电机非线性模型。并以此模型为基础, 对开关磁阻电机驱动系统进行高低速仿真研究, 结果验证此电机模型及其驱动系统的有效性。同时给出开通角-5°-3°, 关断角-25°-30°之间的相电流波形, 平均转矩随开关角变化曲线。在转速为3450r/min时最高效率和最大平均转矩条件下的最优开通角为-1°, 关断角为22°。开关磁阻电机角度位置运行控制下开通角和关断角的不同组合, 可以提高电机效率, 降低噪声, 抑制振动, 为开关磁阻电机优化指明方向。

关键词：开关磁阻电机,非线性模型,电机优化

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谈开关磁阻电机的特点及应用 篇7

随着我国社会经济健康、持续的增长, 电力消费数量也保持快速增长。目前我国能源形势日趋紧张, 为了进一步推进资源节约和综合利用, 保证经济的可持续发展, 国家正大力加快建设节约型社会的进程。

二开关磁阻电机的特点

开关磁阻电机结构简单, 性能优越, 可靠性高, 覆盖功率范围10W~5MW的各种高低速驱动调速系统, 使得开关磁阻电机存在许多潜在的领域, 在各种需要调速和高效率的场合均能得到广泛使用。 (1) 其结构简单, 价格便宜, 电机的转子没有绕组和磁铁。 (2) 电机转子无永磁体, 允许较高的温升。由于绕组均在定子上, 电机容易冷却。效率高, 损耗小。 (3) 转矩方向与电流方向无关, 只需单方相绕组电流, 每相一个功率开关, 功率电路简单可靠。 (4) 转子上没有电刷, 结构坚固, 适用于高速驱动。 (5) 转子的转动惯量小, 有较高转矩惯量比。 (6) 调速范围宽, 控制灵活, 易于实现各种再生制动能力。 (7) 可频繁启动 (1000次/小时) , 适合正向反向运转的特殊场合使用。 (8) 启动电流小, 启动转矩大, 低速时更为突出。 (9) 电机的绕组电流方向为单方向, 电力控制电路简单, 具有较高的经济性和可靠性。 (10) 可通过机和电的统一协调设计满足各种特殊的使用要求。

三开关磁阻电机的应用

近年来开关磁阻电机的应用和发展取得了明显的进步, 已成功地应用于电动车驱动、通用工业、家用电器和纺织机械等各个领域, 功率范围从10W~5MW, 最大速度高达100000 r/min。

1. 开关磁阻电机电动车应用

开关磁阻电机最初的应用领域就是电动车。目前电动汽车和电动自行车的驱动电机主要有永磁无刷及永磁有刷两种, 然而采用开关磁阻电机驱动有其独特的优势。当高能量密度和系统效率为关键指标时, 开关磁阻电机变为首选对象。SRD开关磁阻电机驱动系统的电机结构紧凑牢固, 适合于高速运行, 并且驱动电路简单、成本低、性能可靠, 在宽广的转速范围内效率都较高, 且可以方便地实现四象限控制。这些特点使SRD开关磁阻电机驱动系统适合电动车辆的各种工况下运行, 是电动车辆中极具有潜力的一种电机。

2. 开关磁阻电机纺织工业应用

近十年来我国纺织机械行业的机电一体化水平有了较明显的提高, 在新型纺织机械上普遍采用了机电一体化技术。这项技术的内容包含了先进的信息处理和控制技术, 即以计算机为核心, 有PLC、工控机、单片机等组成的控制系统;先进的驱动技术, 有变频调速, 交流伺服, 步进电机等;检测传感技术和执行机构;精密机械技术等。棉纺织设备是较有代表性的机电一体化产品。其中, 无梭织机的主传动技术也有了新的突破:采用开关磁阻电机作为无梭织机的主传动带来许多好处, 减少传动齿轮, 不用皮带和皮带盘, 不用电磁离合器和刹车盘, 不用寻纬电机, 节能10%等优点, 国内已有开关磁阻电机和驱动器的产品 (北京中纺机电研究所) , 目前还在与无梭织机主机厂合作, 共同开发应用技术, 希望能尽快取得成功, 填补国内空白。

3. 开关磁阻电机焦炭工业应用

开关磁阻电机 (SRD) 因其启动力矩大、启动电流小, 可以频繁重载启动, 无需其他的电源变压器, 节能, 维护简单, 特别适用于矿井输送机、电牵引采煤机及中小型绞车等。

我国研制成功110k W的开关磁阻电机用于矸石山绞车、132k W的开关磁阻电机用于带式输送机拖动, 良好的启动和调速性能受到工人们的欢迎。我国还将开关磁阻电机用于电牵引采煤机牵引, 运行试验表明新型采煤机性能良好。此外还成功地将开关磁阻电机用于电机车, 提高了电机车运行的可靠性和效率。

4. 开关磁阻电机在家电行业的应用

随着人们生活水平的提高, 洗衣机已逐渐深入千家万户, 洗衣机也经历了手动机械洗衣机、半自动洗衣机、全自动洗衣机的发展过程, 并不断智能化。洗衣机电机也由简单的有级调速电机发展为无级调速电机。开关磁阻电机由于低成本、高性能、智能化已开始应用于洗衣机, 在美国高档洗衣机中已小批量采用, 优点显著: (1) 很低的洗涤速度。 (2) 良好的衣物分布性。 (3) 滚筒平衡性好。 (4) 快速安全停机。 (5) 软启动。 (6) 电流限幅。 (7) 最大速度高, 低速转矩大。 (8) 机械特性易调整。 (9) 对水温、水流等易于智能控制。

四结束语