1、 電機可以根據轉矩產生的機理粗略的分為兩大類：一類是由電磁作用電機可以根據轉矩產生的機理粗略的分為兩大類：一類是由電磁作用原理產生轉矩；另一類是由磁阻變化原理產生轉矩。原理產生轉矩；另一類是由磁阻變化原理產生轉矩。 在第一類電機中，在第一類電機中，運動是定、轉子兩個磁場相互作用的結果。運動是定、轉子兩個磁場相互作用的結果。這種相這種相互作用產生互作用產生使兩個磁場趨于同向使兩個磁場趨于同向的電磁轉矩，這的電磁轉矩，這類似于兩個磁鐵的同極性類似于兩個磁鐵的同極性相排斥、異極性相吸引的現象相排斥、異極性相吸引的現象。目前大部分電機都是遵循這一原理，例如。目前大部分電機都是遵循這一原理，例如一般的直

2、流電機和交流電機。一般的直流電機和交流電機。 第二類的電機，第二類的電機，運動是由定、轉子間氣隙磁阻的變化產生的。運動是由定、轉子間氣隙磁阻的變化產生的。當定子當定子繞組通電時，產坐一個單相磁場，其分鈾要遵循繞組通電時，產坐一個單相磁場，其分鈾要遵循“磁阻最小原則磁阻最小原則”，即磁，即磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合。因此，當轉子軸線與定子磁極的軸線不通總要沿著磁阻最小的路徑閉合。因此，當轉子軸線與定子磁極的軸線不重合時，便公有磁阻力作用在轉子上并產生轉矩使其趨向于磁阻最小的位重合時，便公有磁阻力作用在轉子上并產生轉矩使其趨向于磁阻最小的位置。即兩軸線重合位置，這置。即兩軸線重合位置，這類似于

3、磁鐵吸引鐵質物質的現象類似于磁鐵吸引鐵質物質的現象。開關磁阻電。開關磁阻電機就是屬于這一類型的電機。機就是屬于這一類型的電機。兩類不同機理的電動機兩類不同機理的電動機開關磁阻電機的最早文獻卻可追溯到開關磁阻電機的最早文獻卻可追溯到1838年，英格蘭學者年，英格蘭學者Davidson制造了一臺用以推動蓄電池機車的驅動系統。制造了一臺用以推動蓄電池機車的驅動系統。70年代左右，英國年代左右，英國Leeds大學步進電機和磁阻電機研究小組首創了大學步進電機和磁阻電機研究小組首創了一臺現代開關磁阻電機的雛形。一臺現代開關磁阻電機的雛形。1980年，年，Lawrenson及其同事在及其同事在ICEM會議上

4、，發表著名論文會議上，發表著名論文“開開關磁阻調速電動機關磁阻調速電動機”，系統地介紹了他們的工作成果，闡述了，系統地介紹了他們的工作成果，闡述了SR電機的原理及設計特點，在國際上奠定了現代電機的原理及設計特點，在國際上奠定了現代SR電機的地位，這電機的地位，這也標志著也標志著SRD正式得到國際認證。正式得到國際認證。從此，世界上大批學者投入到從此，世界上大批學者投入到SR電機的研究領域。電機的研究領域。到日前為止，在到日前為止，在SRD系統的開發研制方面，英國一直處于國際領先系統的開發研制方面，英國一直處于國際領先地位。除英國外，美國、中國、加拿大、印度、韓國等國家也都開地位。除英國外，美國

5、、中國、加拿大、印度、韓國等國家也都開展了展了SRD系統的研究工作。系統的研究工作。通過通過20多年的研究和改進，多年的研究和改進，SRD的性能不斷提高，目前已能的性能不斷提高，目前已能在數百在數百瓦到數百千瓦的功率范圍瓦到數百千瓦的功率范圍內使其性能不低于其他形式的電機。內使其性能不低于其他形式的電機。開關磁阻電機發展歷史開關磁阻電機發展歷史 位位置置檢檢測測 功功率率變變換換器器 SR電電動動機機 電電流流檢檢測測 控控制制信信號號 控控制制器器 電電 源源 負負 載載 工作機理v開關磁阻電機的工作機理基于磁通總是沿磁導最大的路開關磁阻電機的工作機理基于磁通總是沿磁導最大的路徑閉合的原理。

6、徑閉合的原理。v當定、轉子齒中心線不重合、磁導不為最大時，磁場就當定、轉子齒中心線不重合、磁導不為最大時，磁場就會產生磁拉力，形成磁阻轉矩，使轉子轉到磁導最大的會產生磁拉力，形成磁阻轉矩，使轉子轉到磁導最大的位置。位置。v當向定子各相繞組中依次通入電流時，電機轉子將一步當向定子各相繞組中依次通入電流時，電機轉子將一步一步地沿著通電相序相反的方向轉動。一步地沿著通電相序相反的方向轉動。v如果改變定子各相的通電次序，電機將改變轉向。但相如果改變定子各相的通電次序，電機將改變轉向。但相電流通流方向的改變是不會影響轉子的轉向的。電流通流方向的改變是不會影響轉子的轉向的。一、開關磁阻電機（Switche

7、d Reluctance Motor) 1. 結構特點結構特點AABCDBCDEsS1S2VD1VD21231231 定子和轉子均為凸極定子和轉子均為凸極結構；結構；2 定子上空間相對的兩定子上空間相對的兩個極上的線圈串聯或個極上的線圈串聯或并聯構成一相繞組并聯構成一相繞組3 定子集中繞阻、繞組定子集中繞阻、繞組為單方向通電為單方向通電 4 轉子上無繞組轉子上無繞組5 最常見的組合為最常見的組合為6/4極，極，8/6極或極或12/8極。極。電機原理演示電機原理演示電機原理演示電機原理演示電機原理演示電機原理演示磁通總要沿著磁阻最小路徑閉合，一定形狀的鐵心磁通總要沿著磁阻最小路徑閉合，一定形狀的

8、鐵心在移動到最小磁阻位置時，必定使自己的軸線與主在移動到最小磁阻位置時，必定使自己的軸線與主磁場的軸線重合磁場的軸線重合A-A 通電通電 1-1 與與A-A重合重合B-B 通電通電 2-2 與與B-B重合重合C-C 通電通電 3-3 與與C-C重合重合D-D 通電通電 1-1 與與D-D重合重合下面通過一個開關磁阻電動機原理模型來介紹工作原理。下面通過一個開關磁阻電動機原理模型來介紹工作原理。電機的定子鐵芯有六個齒極，電機的定子鐵芯有六個齒極，由導磁良好的硅鋼片沖制。由導磁良好的硅鋼片沖制。電機的轉子鐵芯有四個齒極，電機的轉子鐵芯有四個齒極，由導磁良好的硅鋼片沖制。由導磁良好的硅鋼片沖制。 由

9、于定子與轉子都有凸起的齒極，這種形式也稱為雙凸極由于定子與轉子都有凸起的齒極，這種形式也稱為雙凸極結構。在定子齒極上繞有線圈（定子繞組），用來向電機提結構。在定子齒極上繞有線圈（定子繞組），用來向電機提供工作磁場。在轉子上沒有線圈，這是磁阻電機的主要特點。供工作磁場。在轉子上沒有線圈，這是磁阻電機的主要特點。 在講電動機工作原理時常用通電導線在磁場中在講電動機工作原理時常用通電導線在磁場中受力來解釋電動機旋轉的道理，磁阻電機轉子上沒受力來解釋電動機旋轉的道理，磁阻電機轉子上沒有繞組，那是靠什么力推動轉子轉動呢？有繞組，那是靠什么力推動轉子轉動呢？ 磁阻電動機是利用磁阻最小原理，也就是磁通磁阻電

10、動機是利用磁阻最小原理，也就是磁通總是沿磁阻最小的路徑閉合，利用磁引力拉動轉子總是沿磁阻最小的路徑閉合，利用磁引力拉動轉子旋轉。旋轉。下面通過圖示來說明轉子的工作原理，下面是磁阻電動機的正視圖，定子六下面通過圖示來說明轉子的工作原理，下面是磁阻電動機的正視圖，定子六個齒極上繞有線圈，徑向相對的兩個線圈是連接在一起的，組成一個齒極上繞有線圈，徑向相對的兩個線圈是連接在一起的，組成一“相相”，該電機有該電機有3相，結合定子與轉子的極數就稱該電機為三相相，結合定子與轉子的極數就稱該電機為三相6 / 4結構。在下圖標結構。在下圖標注的注的A、B、C相線圈僅為后面分析磁路帶來方便，并不是連接三相交流電。

11、相線圈僅為后面分析磁路帶來方便，并不是連接三相交流電。 在下面有一組磁阻電動機運轉原理動畫的截圖，從中我們將看到磁阻電動機是如何轉在下面有一組磁阻電動機運轉原理動畫的截圖，從中我們將看到磁阻電動機是如何轉動起來的，圖中紅色的線圈是通電線圈，黃色的線圈沒有電流通過；通過定子與轉子動起來的，圖中紅色的線圈是通電線圈，黃色的線圈沒有電流通過；通過定子與轉子的深藍色線是磁力線；把轉子啟動前的轉角定為的深藍色線是磁力線；把轉子啟動前的轉角定為0度。度。從左面圖起，從左面圖起，A相線圈接通電源產生磁通，磁力線從最近的轉子齒極通過轉子鐵芯，相線圈接通電源產生磁通，磁力線從最近的轉子齒極通過轉子鐵芯，磁力線可

12、看成極有彈力的線，在磁力的牽引下轉子開始逆時針轉動；中間圖是轉子轉磁力線可看成極有彈力的線，在磁力的牽引下轉子開始逆時針轉動；中間圖是轉子轉了了10度的圖，右面圖是轉到度的圖，右面圖是轉到20度的圖，磁力一直牽引轉子轉到度的圖，磁力一直牽引轉子轉到30度為止，到了度為止，到了30度轉度轉子不再轉動，此時磁路最短。子不再轉動，此時磁路最短。 為了使轉子繼續轉動，在轉子轉到為了使轉子繼續轉動，在轉子轉到30度前已切斷度前已切斷A相電源在相電源在30度接通度接通B相電源，相電源，磁通從最近的轉子齒極通過轉子鐵芯，見下左圖，于是轉子繼續轉動。中間磁通從最近的轉子齒極通過轉子鐵芯，見下左圖，于是轉子繼續

13、轉動。中間圖是轉子轉到圖是轉子轉到40度的圖，右面圖是轉到度的圖，右面圖是轉到50度的圖，磁力一直牽引轉子轉到度的圖，磁力一直牽引轉子轉到60度為止。度為止。在轉子轉到在轉子轉到60度前切斷度前切斷B相電源在相電源在60度時接通度時接通C相電源，磁通從最近的轉子相電源，磁通從最近的轉子齒極通過轉子鐵芯，見下左圖。轉子繼續轉動，中間圖是轉子轉到齒極通過轉子鐵芯，見下左圖。轉子繼續轉動，中間圖是轉子轉到70度的度的圖，右面圖是轉到圖，右面圖是轉到80度的圖，磁力一直牽引轉子轉到度的圖，磁力一直牽引轉子轉到90度為止。度為止。當轉子轉到當轉子轉到90度前切斷度前切斷C相電源，轉子在相電源，轉子在90

14、度的狀態與前面度的狀態與前面0度開始時一樣，重度開始時一樣，重復前面過程，接通復前面過程，接通A相電源，轉子繼續轉動，這樣不停的重復下去，轉子就會相電源，轉子繼續轉動，這樣不停的重復下去，轉子就會不停的旋轉。這就是磁阻電動機的工作原理。不停的旋轉。這就是磁阻電動機的工作原理。由于是運用了利用磁阻最小原理，故稱為磁阻電動機，又由于線圈電流通斷、由于是運用了利用磁阻最小原理，故稱為磁阻電動機，又由于線圈電流通斷、磁通狀態直接受開關控制，故稱為磁通狀態直接受開關控制，故稱為開關磁阻電動機開關磁阻電動機。向線圈供電的開關是用開關晶體管進行的，下面就是三相線圈與開關晶體管向線圈供電的開關是用開關晶體管進

15、行的，下面就是三相線圈與開關晶體管的連接示意圖，的連接示意圖，BG1、BG2、BG3是三個開關晶體管，分別控制三相線圈是三個開關晶體管，分別控制三相線圈A、B、C的電流通斷，三極管旁邊并聯的二極管是用來續流的。的電流通斷，三極管旁邊并聯的二極管是用來續流的。由于電機靠磁阻工作，跟磁通方向無關，即跟電流方向無關，故在上面運行圖中沒有由于電機靠磁阻工作，跟磁通方向無關，即跟電流方向無關，故在上面運行圖中沒有標明磁力線的方向。標明磁力線的方向。A、B、C各相線圈輪流通電視乎簡單，實際情況要復雜些，線圈切斷電源后產生的自各相線圈輪流通電視乎簡單，實際情況要復雜些，線圈切斷電源后產生的自感電流不會立即消

16、失，要提前關斷電源進行續流；為加大力矩相鄰相線圈有電流的時感電流不會立即消失，要提前關斷電源進行續流；為加大力矩相鄰相線圈有電流的時間會有部分重合；調節電動機的轉速、轉矩也要調整開關時間，各相線圈開通與關斷間會有部分重合；調節電動機的轉速、轉矩也要調整開關時間，各相線圈開通與關斷時間與轉子定子間的相對位置直接相關，故電機還裝有轉子位置檢測裝置為準時開關時間與轉子定子間的相對位置直接相關，故電機還裝有轉子位置檢測裝置為準時開關各相線圈電流提供依據，何相線圈何時通斷必須根據轉子轉到的位置與控制參數決定。各相線圈電流提供依據，何相線圈何時通斷必須根據轉子轉到的位置與控制參數決定。開關磁阻電機運行原理

17、開關磁阻電機運行原理動畫演示動畫演示例：例：12/8 極三相開關磁阻電動機極三相開關磁阻電動機v以不同的顏色表示磁場強弱，藍色磁場最弱，綠色強v當某一相通電時，磁極極尖處磁場強轉速的計算設：設：定子繞組為定子繞組為m相，定子齒數相，定子齒數 Ns=2m，轉子齒數為轉子齒數為Nr。 當定子繞組輪流通電一次時，轉子轉過一個轉子齒距。這當定子繞組輪流通電一次時，轉子轉過一個轉子齒距。這樣定子需輪流通電樣定子需輪流通電 Nr次轉子才轉過一周，故電機轉速次轉子才轉過一周，故電機轉速 n(r/min)與相繞組電壓的開關頻率與相繞組電壓的開關頻率 fph之間的關系為之間的關系為 給定子相繞組供電的功率變換器

18、輸出電流脈動頻率給定子相繞組供電的功率變換器輸出電流脈動頻率 則為則為 60phrfnN60rphN nf60nmNfrD)22kNNkmNsrs1 1、為了避免單邊磁拉力，徑向必須對稱，所以、為了避免單邊磁拉力，徑向必須對稱，所以雙凸極的雙凸極的定子和轉子齒槽數應為偶數。定子和轉子齒槽數應為偶數。2 2、定子和轉子齒槽數不相等，但應盡量接近。、定子和轉子齒槽數不相等，但應盡量接近。因為當定子和轉子齒槽數相近時，就可能加大定因為當定子和轉子齒槽數相近時，就可能加大定子相繞組電感隨轉角的平均變化率，這是提高電子相繞組電感隨轉角的平均變化率，這是提高電機出力的重要因素。機出力的重要因素。)22kN

19、NkmNsrs 相數相數 3 4 5 6 7 8 9定子極數定子極數 6 8 10 12 14 16 18轉子極數轉子極數 4 6 8 10 12 14 16步進角步進角(度度) 30 15 9 6 4.28 3.21 2.5 SR電機常用方案電機常用方案相數越大，轉矩脈動越小，但成本越高，故常相數越大，轉矩脈動越小，但成本越高，故常用三相、四相，還有人在研究兩相、單相用三相、四相，還有人在研究兩相、單相SRM低于三相的低于三相的SRM 沒有自起動能力沒有自起動能力（1） 2-phase 4 stator pole/2 rotor pole（2） 4-phase 8 stator pole/6

20、 rotor pole（3） 3-phase 6 stator pole/4 rotor pole（4） 5-phase 10 stator pole/8 rotor pole PM PM 開關磁阻電機的優缺點開關磁阻電機的優缺點vSR電機轉子上沒有任何形式的繞組、永磁體、滑環等，定子上只有簡單的集中繞組，繞電機轉子上沒有任何形式的繞組、永磁體、滑環等，定子上只有簡單的集中繞組，繞組端部較短，沒有相間跨接線，因此組端部較短，沒有相間跨接線，因此SR電機的結構比鼠籠式感應電動機還要簡單。電機的結構比鼠籠式感應電動機還要簡單。vSR電機的材料利用系數高，與直流電機甚至感應電機相比，體積小、堅固、維

21、護量小。電機的材料利用系數高，與直流電機甚至感應電機相比，體積小、堅固、維護量小。v由于由于SR電機的轉矩與電流極性無關，只需要單方向的電流激勵，因此在理論上功率變換電機的轉矩與電流極性無關，只需要單方向的電流激勵，因此在理論上功率變換器電路中每相可以只用一個可控開關元件，而且每個可控開關元件都與電機繞組串聯，不器電路中每相可以只用一個可控開關元件，而且每個可控開關元件都與電機繞組串聯，不會出現像交流電機會出現像交流電機PWM逆變器那樣有電源直通短路的危險，所以功率變換器電路簡單，逆變器那樣有電源直通短路的危險，所以功率變換器電路簡單，可靠性高。可靠性高。vSR電機轉子上無繞組，系統在低速運行

22、時，不僅轉矩大，而且轉子發熱不嚴重。電機轉子上無繞組，系統在低速運行時，不僅轉矩大，而且轉子發熱不嚴重。vSRD系統可以通過對電流的導通、斷開以及電流幅值等的控制，易于實現系統的軟啟動，系統可以通過對電流的導通、斷開以及電流幅值等的控制，易于實現系統的軟啟動，四象限運行和寬廣的恒功率范圍。四象限運行和寬廣的恒功率范圍。vSRD系統的容錯能力強，在缺相的情況下仍然能可靠運行。系統的容錯能力強，在缺相的情況下仍然能可靠運行。vSR電機原有的轉矩脈動大、噪聲大的缺點通過技術的進步也已經可以解決。電機原有的轉矩脈動大、噪聲大的缺點通過技術的進步也已經可以解決。1)1)電動機結構簡單、成本低、適用于高速

23、電動機結構簡單、成本低、適用于高速 SRSR電機轉子上沒有任何形式的繞組、永電機轉子上沒有任何形式的繞組、永磁體、滑環等，定子上只有簡單的集中繞組，磁體、滑環等，定子上只有簡單的集中繞組，繞組端部較短，沒有相間跨接線，因此繞組端部較短，沒有相間跨接線，因此SRSR電機電機的結構比鼠籠式感應電動機還要簡單。的結構比鼠籠式感應電動機還要簡單。2)2)功率電路簡單可靠功率電路簡單可靠 因為電動機轉矩方向與繞因為電動機轉矩方向與繞組電流方向無關，即只需單方向繞組電流，故組電流方向無關，即只需單方向繞組電流，故功率電路可以做到每相一個功率開關。功率電路可以做到每相一個功率開關。3)3)各相獨立工作，可構

24、成極高可靠性系統各相獨立工作，可構成極高可靠性系統 從電動機從電動機的電磁結構上看，各相繞組和磁路相互獨立，各自的電磁結構上看，各相繞組和磁路相互獨立，各自在一定軸角范圍內產生電磁轉矩。而不像在一般電在一定軸角范圍內產生電磁轉矩。而不像在一般電動機中必須在各相繞組和磁路共同作用下產生一個動機中必須在各相繞組和磁路共同作用下產生一個圓形旋轉磁場，電動機才能正常運轉。圓形旋轉磁場，電動機才能正常運轉。4)4)高起動轉矩，低起動電流高起動轉矩，低起動電流 控制器從電源側吸收較控制器從電源側吸收較少的電流，在電機側得到較大的起動轉矩是本系統少的電流，在電機側得到較大的起動轉矩是本系統的一大特點。的一大

25、特點。 （SR:0.4IN,1.4TN IM:6-7IN,2-3TN）5)5)適用于頻繁起停及正反向轉運行適用于頻繁起停及正反向轉運行 SRDSRD系統系統具有的高起動轉矩，低起動電流的特點，具有的高起動轉矩，低起動電流的特點，使之在起動過程中電流沖擊小，電動機和使之在起動過程中電流沖擊小，電動機和控制器發熱較連續額定運行時還小。控制器發熱較連續額定運行時還小。6)6)可控參數多，調速性能好可控參數多，調速性能好 控制開關磁阻電控制開關磁阻電動機的主要運行參數和常用方法至少有四動機的主要運行參數和常用方法至少有四種種: :相開通角相開通角, ,相關斷角相關斷角, , 相電流幅值相電流幅值, ,

26、相繞相繞組電壓。組電壓。7)7)效率高，損耗小效率高，損耗小 SRDSRD系統是一種非常系統是一種非常高效的調速系統。高效的調速系統。8)8)可通過機和電的統一協調設計滿足各可通過機和電的統一協調設計滿足各種特殊使用要求種特殊使用要求 。9)9)缺點：轉矩脈動、振動、噪聲缺點：轉矩脈動、振動、噪聲 但可通但可通過特殊設計克服過特殊設計克服54SRD的特點vSR電機結構簡單、堅固、維護量小v功率變換器電路簡單、可靠性高v可以在寬廣的速度和負載范圍內高效率運行v控制方便、靈活，易于實現四象限運行v起動電流小，啟動轉矩大v容錯能力強，在缺相情況下仍能可靠運行v轉矩脈動大v振動與噪聲大 開關磁阻電動機

27、（開關磁阻電動機（Switched Reluctance Drive ：SRD）是）是繼變頻調速系統、無刷直流電動機調速系統之后發展起來的繼變頻調速系統、無刷直流電動機調速系統之后發展起來的最最新一代無級調速系統新一代無級調速系統，是集現代微電子技術、數字技術、電力，是集現代微電子技術、數字技術、電力電子技術、紅外光電技術及現代電磁理論、設計和制作技術為電子技術、紅外光電技術及現代電磁理論、設計和制作技術為一體的光、機、電一體化高新技術。一體的光、機、電一體化高新技術。它具有調速系統兼具直流、交流兩類調速系統的優點。它具有調速系統兼具直流、交流兩類調速系統的優點。英、美等經濟發達國家對開關磁阻

28、電動機調速系統的研英、美等經濟發達國家對開關磁阻電動機調速系統的研究起步較早，并已取得顯著效果，產品功率等級從數究起步較早，并已取得顯著效果，產品功率等級從數w直到數直到數百百kw，廣泛應用于，廣泛應用于家用電器、航空、航天、電子、機械及電動家用電器、航空、航天、電子、機械及電動車輛車輛等領域。等領域。 71電動汽車用開關磁阻電機72開關磁阻電機驅動的純電動汽車 五相SRM三相SRM73于于2004年年6月投入了武漢市的月投入了武漢市的510公汽線路上運行至今。公汽線路上運行至今。 課題成果目前的應用情況 742002年年12月月50/100kW開關磁阻電機在東風技術中心的裝車照片開關磁阻電機

29、在東風技術中心的裝車照片 vSR電機設計研究：電機設計研究：鐵心損耗計算、轉矩脈動、噪聲、優化設計等理論鐵心損耗計算、轉矩脈動、噪聲、優化設計等理論vSR電機的控制策略研究：電機的控制策略研究：最優控制，減小轉矩脈動、降低噪聲最優控制，減小轉矩脈動、降低噪聲具有較高動態性能、算法簡單、可抑制參數變化、擾動及具有較高動態性能、算法簡單、可抑制參數變化、擾動及各種不確定性干擾的新型控制策略各種不確定性干擾的新型控制策略智能控制策略智能控制策略vSR電機的無位置傳感器控制電機的無位置傳感器控制vSR電機的振動、噪聲研究電機的振動、噪聲研究v無軸承無軸承SR電機研究（磁懸浮）電機研究（磁懸浮）vSR電

30、機應用研究：電動車、發電機、一體化電機等電機應用研究：電動車、發電機、一體化電機等不計磁滯、渦流及繞組間互感時，不計磁滯、渦流及繞組間互感時，m相相SR電電機系統示意圖機系統示意圖 J轉子與負載的轉動慣量轉子與負載的轉動慣量 TL負載轉矩負載轉矩 Te K J TL R1 d 1/dtt1 u1 + - . . . Rm d m/dt um + - 耦合磁場耦合磁場 i1 im 第第k相繞組的相電壓平衡方程相繞組的相電壓平衡方程:所以：所以：電阻壓降電阻壓降dtdLidtdiiLiLiRdtddtdiiiRUkkkkkkkkkkkkkkkkddidLuLidtdtdt2221222211221

31、1112222rdidLddLPuiiLiLiidtdtdtdtddL dddLLiiLiidtddtdtdddLiTe221refTdtdW為電磁轉矩Wf為磁場儲能，r為轉子機械角速度如果忽略繞組電阻如果忽略繞組電阻R，則上面的方程可寫為：，則上面的方程可寫為：由轉矩公式可知：由轉矩公式可知：1.開關磁阻電機的轉矩大小與電流平方成正比，因此開關磁阻電機的轉矩大小與電流平方成正比，因此轉矩轉矩方向與電流方向無關，故可以采用單極性電流供電方向與電流方向無關，故可以采用單極性電流供電。2.轉矩與繞組電感對轉子位置角的變化率成正比，因此，轉矩與繞組電感對轉子位置角的變化率成正比，因此，只有當繞組電感

32、隨轉子位置角而增大時，給繞組通電才只有當繞組電感隨轉子位置角而增大時，給繞組通電才能產生正向電動轉矩。能產生正向電動轉矩。當電感隨轉子位置角而下降時，當電感隨轉子位置角而下降時，如繞組中仍有電流，則將產生制動轉矩。如繞組中仍有電流，則將產生制動轉矩。3.相繞組關斷后繞組電流不能突變為零，有一個延續過程。相繞組關斷后繞組電流不能突變為零，有一個延續過程。為防止繞組電流延續到負轉矩區，必須在繞組電感開始為防止繞組電流延續到負轉矩區，必須在繞組電感開始下降之前提前關斷繞組。下降之前提前關斷繞組。ddLiTe221線性模型有利于對線性模型有利于對SR電機的定性分析，了解電機的定性分析，了解其運動的物理

33、狀況、內部各物理量的基本特點和相其運動的物理狀況、內部各物理量的基本特點和相互關系；互關系；準線性模型具有一定的計算精度，多用于分析準線性模型具有一定的計算精度，多用于分析和設計功率變換器和制定控制策略；和設計功率變換器和制定控制策略；非線性模型則用于電機性能計算、仿真，是電非線性模型則用于電機性能計算、仿真，是電機設計的必需手段。機設計的必需手段。 基本控制策略A. 低速時的電流斬波控制（Current chopping control- CCC)在電感很小時使繞組開通，電流快速上升。為防止電流過大而損壞電機，當電流達到最大值Imax時，使繞組關斷，電流開始衰減，當電流衰減咸至Imin時，繞

34、組重新開通。在最大電感出現之前必須將繞組關斷，以免電流延續到負轉矩區。B. 高速時的角度位置控制（Angular position control-APC)高速時，由于反電勢大，電流受到限制，上升較慢。當到達最大值后，因電感的增加，電流返而下降。同樣，為避免電流延續到負轉矩區，繞組要在電感到達最大值之前關斷。速度越高，要關斷的越早。典型機械特性0bscconst.Tconst.T.const2TTorqueSpeedSeries dcAPCCCC22eLddTJKTdtdt開關磁阻電機的非線性特性 以上分析都是在線性條件下進行的。實際電機磁路為非線性。磁場分布diiWci0),(-i),(iW

35、TcediTmNTrNerav/20),(2 不計磁路飽和，假定繞組電感與電流無關，不計磁路飽和，假定繞組電感與電流無關，此時電感只與轉子位置有關此時電感只與轉子位置有關 1 0 2 3 0 4 5 SR電機相電感隨轉子位置變化電機相電感隨轉子位置變化 = 1位置位置轉子凹槽前沿與定子磁極前沿相遇位置轉子凹槽前沿與定子磁極前沿相遇位置statorrotor 1stator =0o位置位置rotor定子磁極軸線與轉子凹槽中心重合定子磁極軸線與轉子凹槽中心重合 =0ostator = 2位置位置rotor轉子磁極前沿與定子磁極前沿相遇位置轉子磁極前沿與定子磁極前沿相遇位置 2stator = 3位

36、置位置轉子磁極前沿與定子磁極前沿重合位置轉子磁極前沿與定子磁極前沿重合位置rotor 3stator = 4位置位置rotor轉子凹槽前沿與定子磁極后沿重合位置轉子凹槽前沿與定子磁極后沿重合位置 4stator = 5位置位置rotor轉子凹槽前沿與定子磁極前沿相遇位置轉子凹槽前沿與定子磁極前沿相遇位置 5 1 0 2 3 0 4 5 =0 定子磁極軸線與轉子凹槽中心重合定子磁極軸線與轉子凹槽中心重合 1( 5) 轉子凹槽前沿與定子磁極前沿相遇位置轉子凹槽前沿與定子磁極前沿相遇位置 2 轉子磁極前沿與定子磁極前沿相遇位置轉子磁極前沿與定子磁極前沿相遇位置 3 轉子磁極前沿與定子磁極前沿重合位置

37、轉子磁極前沿與定子磁極前沿重合位置 4 轉子凹槽前沿與定子磁極后沿重合位置轉子凹槽前沿與定子磁極后沿重合位置SR電機繞組電感的分段線性解析式：電機繞組電感的分段線性解析式：-544max43max32min221min)()()(KLLLKLLK=(Lmax-Lmin)/(3-2)= (Lmax-Lmin)/sLmin為定子磁極軸線對轉子凹槽中心時的電感為定子磁極軸線對轉子凹槽中心時的電感, Lmax定子磁極軸線對轉子磁極軸線的電感定子磁極軸線對轉子磁極軸線的電感 。相電流解析分析相電流解析分析-zonzoffsoffonsUU,0uk忽略電阻，相繞組電壓方程：忽略電阻，相繞組電壓方程：而：而

38、： =L idtdUSdidLdidLUsLiLidtdtdtd相電流解析分析相電流解析分析同時可以同時可以導出：導出：-54243322200000iKiKTTTKT為常數為常數sdidLULidtdsUdidLLiddminsUdiLdmin( )sonUiL -min2()sUCLKi-min2min2min2()()()()sUdidLdiLiLKiKddddidiLKKiKdddid K iLKdd-min2()( )()sonUiLK-min2(2)( )()soffonUiLK-max(2)( )soffonUiL-max4(2)( )()soffonUiLK-12min2min

39、23min234max45max4()()(2)()()(2)(2)()sonsonoffsoffonoffsoffonsoffonULULKUiLKULULK- on 2 :電感上升，使繞組電感上升，使繞組電流下降電流下降 off 3 : 在電感達最大之前，繞組在電感達最大之前，繞組關斷，繞組續流。關斷，繞組續流。 3 z 4 (zz=2=2offoff- -onon) ) 在電感下降之前，續流結在電感下降之前，續流結束。否則會產生反向轉矩束。否則會產生反向轉矩典型電流波形典型電流波形結構一定，在結構一定，在onon和和offoff不變時，不變時，繞組電流隨外加電壓的增大而增大，隨轉速繞組電

40、流隨外加電壓的增大而增大，隨轉速的升高而減小；通過調整開關角和關斷角也的升高而減小；通過調整開關角和關斷角也可以影響繞組電流，從而就間接地使電動機可以影響繞組電流，從而就間接地使電動機的電磁轉矩增大。的電磁轉矩增大。 ：外加電源電壓外加電源電壓UsUs、角、角速度速度r r、開通角、開通角onon、關斷角、關斷角offoff、最大電、最大電感感Lmaxmax、最小電感、最小電感Lminmin、定子極弧、定子極弧s s等。等。 線性模型忽略了許多因素，計算結果誤差很大，只線性模型忽略了許多因素，計算結果誤差很大，只能定性地說明影響電流、轉矩的因素。能定性地說明影響電流、轉矩的因素。為避免繁瑣計算

41、，又近似考慮磁路的飽和效應，常為避免繁瑣計算，又近似考慮磁路的飽和效應，常借助準線性模型：將實際非線性磁化曲線分段線性，借助準線性模型：將實際非線性磁化曲線分段線性，且不考慮磁耦合且不考慮磁耦合一段為飽和段，視為與一段為飽和段，視為與 =0的位置的的位置的磁化曲線平行磁化曲線平行,斜率為斜率為Lmin；一段為非飽和段，為；一段為非飽和段，為L( ,i)的的 不飽和段。不飽和段。準線性模型分析準線性模型分析實際磁化曲線實際磁化曲線分段線性磁化曲線分段線性磁化曲線i1準線性模型繞阻電感準線性模型繞阻電感L(i, ): 基于準線性模型，基于準線性模型，L(i, )是可解析的，可是可解析的，可以分別求

42、出繞阻磁鏈與磁共能的分段解析式，以分別求出繞阻磁鏈與磁共能的分段解析式，由此得到由此得到SR電機的瞬時轉矩的分段解析式：電機的瞬時轉矩的分段解析式：)21)(2minmax2min2222LLLUNmToffonoffSrav-1) on 是控制轉矩的重要參數：是控制轉矩的重要參數： 一定時，若一定時，若開通角開通角 on較小，相電流直線上升時間較長，較小，相電流直線上升時間較長，從而增大電流，提高轉矩從而增大電流，提高轉矩。2) 在在 on一定時，增大一定時，增大 off,平均轉矩也相應增大。平均轉矩也相應增大。但導通角但導通角 c= off- on有一個最佳值，超過此值，有一個最佳值，超過

43、此值， c 增大，平均轉矩反而減小。增大，平均轉矩反而減小。討論：討論：2.3 SR電機的控制原理電機的控制原理F為以電機結構參數為以電機結構參數(m，Nr， 2，Lmax，Lmin)和和控制參數控制參數( on , off)為變量的函數為變量的函數/sa vUFT 整理得：整理得：對一定電機，結構參數一定。如對一定電機，結構參數一定。如Us、 on 、 off一定，則一定，則電機的固有機械特性電機的固有機械特性為：為： Tav=k/ 2 P=k/ 恒轉矩區恒轉矩區 恒功率區恒功率區 串勵特性區串勵特性區 CCC 方式方式 APC 方式方式 1 2 c固定固定 o T SR電機的基速電機的基速

44、vSR電機的固有機械特性類似與直流電機電機的固有機械特性類似與直流電機的串勵特性。的串勵特性。v對給定對給定SR電機，在最高電壓電機，在最高電壓Us和最大允和最大允許電流條件下，存在一個臨界角速度。即許電流條件下，存在一個臨界角速度。即SR電機得到最大轉矩的最高角速度，稱電機得到最大轉矩的最高角速度，稱為為。SR電機控制策略：電機控制策略：可控量為：可控量為：Us、 on 、 off控制法控制法1：固定：固定 on , off，通過電流斬波限，通過電流斬波限制電流，得到恒轉矩制電流，得到恒轉矩控制法控制法2：固定：固定 on , off，由速度設定值和，由速度設定值和實際值之差調制實際值之差調

45、制Us，進而改變轉矩，進而改變轉矩*基速以上，角度位置控制基速以上，角度位置控制(APC)，輸出恒功率，輸出恒功率 O i Imin Imax O i Imax O i O T off on增大增大 0 0 Amin Cmaxn 2 1 電電流流斬斬波波可可控控區區 起起動動斬斬波波 定定角角度度斬斬波波 變變角角度度斬斬波波 APC控控制制 可可變變角角度度運運行行區區 -onSLUimin)(HonSCILU-2minmax A B C D D A B C D D Te 30 O 導通相控制導通相控制 60 Tstmin D A C AB BC CD DA Te 30 O 導通相控制導通相

46、控制 60 B D on off 導導 通通 區區 正正 轉轉 on off 導導 通通 區區 反反 轉轉 O L O Te Te L,Te轉轉 L,Te轉轉 L L i L, , i O Te - -Te r/2 on r off v功率變換器是直流電源和SRM的接口，起著將電能分配到SRM繞組中的作用，同時接受控制器的控制。 v由于SRM遵循“最小磁阻原理”工作，因此只需要單極性供電的功率變換器。功率變換器應能迅速從電源接受電能，又能迅速向電源回饋能量。（1）較少數量的主開關元件；）較少數量的主開關元件；（2）可將全部電源電壓加給電動機相繞）可將全部電源電壓加給電動機相繞組；組；（3）主開

47、關器件的電壓額定值與電動機）主開關器件的電壓額定值與電動機接近；接近；（4）具備迅速增加相繞組電流的能力；）具備迅速增加相繞組電流的能力；（5）可通過主開關器件調制，有效地控）可通過主開關器件調制，有效地控制相電流；制相電流；（6）能將能量回饋給電源。）能將能量回饋給電源。1、雙開關型、雙開關型每相有兩只主開關每相有兩只主開關和兩只續流二極管和兩只續流二極管。當兩只主開關當兩只主開關VTVT1 1和和VTVT2 2同時導通時，同時導通時，電源電源U US S 向電機相向電機相繞組供電繞組供電 ；當當VTVT1 1和和VTVT2 2同時關斷時，同時關斷時，將電機的磁場儲能將電機的磁場儲能以電能形

48、式迅速回以電能形式迅速回饋電源，實現強迫饋電源，實現強迫換相。換相。 。 + US - - VD1 VD2 VT1 VT2 雙開關型電路特點：雙開關型電路特點：1）適用于任意相數）適用于任意相數SR電機電機2 2）相控獨立性：獨立）相控獨立性：獨立3 3）相電壓）相電壓= =電源電壓電源電壓4 4）器件數量多）器件數量多 + US - - VD1 VD4 VT1 VT4 VD2 VD5 VT2 VT5 VD3 VD6 VT3 VT6 A B C 雙繞組型電路特點雙繞組型電路特點主開關主開關S1S1導通時，導通時，電源對主繞組電源對主繞組A A供供電；電；當其關斷時，當其關斷時，靠磁耦合將主繞靠

49、磁耦合將主繞組組A A的電流轉移到的電流轉移到副繞組，通過二副繞組，通過二極管極管D1D1續流，向續流，向電源回饋電能，電源回饋電能，實現強迫換相。實現強迫換相。早期使用的雙繞組結構，每相有主、副兩個繞組，主、副繞組雙線并繞，同名端反接，其匝數比為1：1。 2 2、雙繞組型、雙繞組型 缺點：缺點：1 1）由于主、副繞組之）由于主、副繞組之間不可能完全耦合，間不可能完全耦合，在在S1S1關斷的瞬間，因關斷的瞬間，因漏磁及漏感作用，其漏磁及漏感作用，其上會形成較高的尖峰上會形成較高的尖峰電壓，故電壓，故S1S1需要有良需要有良好的吸收回路。好的吸收回路。2 2）由于采用主、副兩）由于采用主、副兩個

50、繞組，因而電機槽個繞組，因而電機槽及銅線利用率低。銅及銅線利用率低。銅耗增加、體積增大。耗增加、體積增大。優點：優點：適用于任何相數的適用于任何相數的SRMSRM，尤其適宜于低壓直流電源供尤其適宜于低壓直流電源供電場合電場合兩個相串聯的電容兩個相串聯的電容C1和和C2將電源電壓一分為二將電源電壓一分為二, ,構成中構成中點電位。每相只有一個主開關點電位。每相只有一個主開關S和一只續流二極管和一只續流二極管D。 當當S1導通時，上導通時，上側電容側電容C1對對A相相繞組放電，電源繞組放電，電源對對A相供電，經相供電，經下側電容下側電容C2構成構成回路；當回路；當S1關斷關斷時，時，A相電流經相電

51、流經D1續流，向下側續流，向下側電容電容C2充電。充電。 1）只適用于偶數）只適用于偶數相相SR電機電機2）主開關數較少）主開關數較少3）相控獨立性：）相控獨立性：不獨立不獨立4）電源利用率低，）電源利用率低，每相電壓為電源電每相電壓為電源電壓的壓的1/2。5）需限制中點電）需限制中點電位漂移位漂移該變換器比四相電容分壓型功率變換器主電路少了兩個串聯的分壓電容，換相相的磁能以電能形式一部分回饋電源，另一部分注入導通相繞組，引起中點電位的較大浮動。它要求每一它要求每一瞬間必須上、下各瞬間必須上、下各有一相導通。有一相導通。1）只適用于）只適用于4的倍數相的倍數相SR電機電機2）主開關數較少）主開

52、關數較少3）相控獨立性：不獨立）相控獨立性：不獨立4）相繞組電壓浮動）相繞組電壓浮動可以實現零壓續流，可以實現零壓續流，提高系統的控制性能。提高系統的控制性能。H橋型電路為橋型電路為4相相SR電機最常電機最常用的主電路形式用的主電路形式單管斬波方式，需增加一個公共開關單管斬波方式，需增加一個公共開關V0, PWM斬波由斬波由V0完成，完成，V1-V4只負責換相只負責換相.V0導通導通 V0關斷關斷AB兩相導通時工作情況兩相導通時工作情況主電路主電路續流續流斬波：V1關斷，續流換相：V2關斷，V1導通換相：V1關斷，V2導通 VT1 VT3 VD3 VD1 VD2 VD4 VT2 VT4 + +

53、 US - - + U0 A B C D C2 C1 J 電壓檢測電壓檢測 R1 R2 R3 380V VT RL 11 10 2 1 3 MID 3 1 2 8 9 MDI 14 15 5 4 6 2 3 1 9 AMP 過流保護電路過流保護電路 15 6 2 3 1 9 4 5 14 10mEXB841 驅動信號驅動信號 4.7k 1/2W 過流保護輸出過流保護輸出 TLP521 或等效或等效 47 F 47 F ERA34-10 RG IGBT ICC 20V 0V 隔離電源隔離電源 絞線絞線 2.5.1 靜止部分靜止部分運動部分運動部分定子上安裝兩個相距定子上安裝兩個相距75o的光敏器

54、件的光敏器件S、P,分別與定子極中心線分別與定子極中心線成成37.5o夾角。夾角。將其組合為將其組合為4種不同種不同狀態，代表定子繞組狀態，代表定子繞組4種不同參考位置種不同參考位置S P導通相導通相1 0 AB0 0 BC 0 1 CD1 1 DA1 0 ABS P導通相導通相0 0AD1 0DC1 1CB0 1 BA0 0AD Ui (fi) (fo) Ue U0 Ud (fo) 輸出信號輸出信號 壓控振蕩器壓控振蕩器 相位比較器相位比較器 控制電壓控制電壓 低通濾波器低通濾波器 誤差電壓誤差電壓 輸入信號輸入信號 fi 相位比較器相位比較器 低通濾波器低通濾波器 壓控振蕩器壓控振蕩器 分頻器分頻器( N) fo =Nfi R5 R4 C4 + R7 R6 C3 S +5V Q VIN 16 3 4 14 6 7 13 9 11 12 5 8 CD4046 CD4040 8 11 10 12 16 14 4 3 13 15 S 信號信號 6 7 300pF 4046 10k 47k 1M 0.22 F OUT1 CLK1 8253 CS A0 A1 D0 D7