1、郑 州 职业 技 术 学院 毕业设计（论文）开关磁阻电机综述系 别： 电气电子工程系 学生姓名： 郝 亮 专业班级： 电机与电器一班 学 号： 20082340115 指导教师： 郑小梅 2011 年 03 月 20 日 郑 州 职业 技 术 学院 毕业设计（论文）独创性声明本人声明所呈交的毕业论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名： 日期： 年 月 日毕业论文版权使用授权
2、书本毕业论文作者完全了解学校有关保留、使用毕业论文的规定，即：学校有权保留并向有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权郑州职业技术学院要以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本论文。保密，在_年解密后适用本授权书.本论文属于不保密。（请在以上方框内打“” ）毕业论文作者签名： 指导教师签名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日郑 州 职业 技 术 学院 毕业设计（论文）-I-摘 要摘 要：开关磁阻电机（SRM）是 80 年代初随着电力电子、微电脑和控制技术的迅猛发展而发展起来的一种新型调速驱动系统，具有结构
3、简单、运行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的强力的竞争者。本文将简单介绍其运行原理，结构特点及应用，并总结当前国内外对其研究的概况和热点问题。 关键词：开关磁阻电机 运行原理 结构特点 郑 州 职业 技 术 学院 毕业设计（论文）-I-目 录摘要 .I1 开关磁阻电机的发展史(1)2 开关磁阻电机的结构特点(1)3 开关磁阻电机运行原理及运行特性(3)3.1 转矩产生原理(3)3.2 电路分析(4)3.3 能量转换关系(5)3.4 运行特性(6)4 SRM 的研究概况与热点问题 (7)4.1 SRD 系统 (7)4.2 SRM 存在的问题及热
4、点. (8)4.3 转矩脉动的研究 (8)4.4 减振降噪的研究 (8)郑 州 职业 技 术 学院 毕业设计（论文）-II-4.5 多目标参数优化及先进控制策略的研究.(9)5 结束语 (9)参考文献(10)致谢(11)郑 州 职业 技 术 学院 毕业设计（论文）11. 开关磁阻电机的发展史开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor, SRM)最早可以追溯到 1970 年，英国 Leeds 大学步进电机研究小组首创一个开关磁阻电机雏形。到 1972 年进一步对带半导体开关的小功率电动机(10w1kw)进行了研究。1975 年有了实质性的进展，并一直发展到可以为 50kw
5、的电瓶汽车提供装置。 1980 年在英国成立了开关磁阻电机驱动装置有限公司(SRD Ltd.)，专门进行 SRD 系统的研究、开发和设计。1983 年英国(SRD Ltd.)首先推出了 SRD 系列产品，该产品命名为OULTON。1984 年 TASC 驱动系统公司也推出了他们的产品。另外 SRD Ltd. 研制了一种适用于有轨电车的驱动系统，到 1986 年已运行 500km。该产品的出现，在电气传动界引起不小的反响。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应用的一些变速传动系统。下表 1 是当时对几种常用变速传动系统各项主要经济指标所作的
6、比较：表 1 几种常见变速传动系统主要经济指标比较表系统类型 直流调速系统 PWM 变频调速系统 开关磁阻调速系统比较项目 1.0 1.5 1.0效率（% ） 70 85 90额定转速时 1/2 额 76 77 83定转速时 65 65 80电动机容量/体积 1.0 0.9 1.0控制能力 1.0 0.5 0.9控制电路复杂性 1.0 1.8 1.2可靠性 10. 0.9 1.1从上世纪 90 年代国际会议的上有关 SRD 系统的文章来看，对 SRD 系统的研究工作已经从论证它的优点、开发应用阶段进入到设计理论、优化设计研究阶段。对 SR 电机、控制器、功率变换器等的运行理论、优化设计、结构形
7、式等方面进行了更加深入的研究。 2. 开关磁阻电机的结构特点SRM 为双凸极结构，仅定子上有绕组、转子无绕组或永磁体，通过磁阻最郑 州 职业 技 术 学院 毕业设计（论文）2小原理产生转矩。SRM 属于大齿结构，其相数、定转子齿数有多种不同的搭配。一般而言，相数越多、齿数越密，则步进角越小，有利于减小转矩脉动；然而开关频率也更高，增加了损耗，也提高了对功率变换器的要求。下图为四相8/6 开关磁阻电机的实物定转子剖面图：图 1 四相 8/6 开关磁阻电机的实物定转子剖面图开光磁阻电机（SRM）的优点：（1） 系统性价比高。开关磁阻电机结构简单，因此制造工艺也简单。据调查，开关磁阻电机的制造成本仅
8、为相同规格的 DC 或 AC 电机的 60%左右。由于其定转子均为普通硅钢片，省掉了价格昂贵的稀土永磁铁，价格更为便宜。而开关磁阻电机控制性能主要由计算机软件实现，其控制器只比无刷直流电机高 30%左右。因此，开关磁阻电机系统具有很高的性价比。 （2） 运行效率高。开关磁阻电动机在 1:50 的调速范围和 1:5 的转矩变化范围内均能保证高效率；而直流电机只能在高速轻载下才能保证高效率，而且高效区很窄。对于变速度变转矩工况，如电动车驱动的应用，开关磁阻电动机的平均效率将比有刷和无刷直流电机的效率高出 1530%。（3） 起动电流小。开关磁阻电动机只需 0.20.3 倍额定电流就能产生1.52
9、倍的额定起动转矩。而无论有刷或无刷直流电机，都需要 1.52 倍的额定电流才能获得 1.52 倍的额定起动转矩。换而言之，对于同功率的直流电机和开关磁阻电机而言，为获取同样的起动转矩，前者的起动电流为后者的510 倍。郑 州 职业 技 术 学院 毕业设计（论文）3（4） 系统可靠性高。由于开关磁阻电动机的无易损的整流子机械结构也无性能不稳定的永磁铁，因此开关磁阻电动机的稳定性和寿命都高于有刷和无刷直流电机（5） 过载能力强。由于开关磁阻电动机的工作磁场不呈交变，因此发热很小，且电机的简单结构使其更易于冷却；此外，转子也没有热性能较差的永磁材料，这样使得开关磁阻电动机有着很强的过载能力。在短时间
10、里，开关磁阻电动机允许过载 23 倍，其性能接近汽油发动机。（6） 容错性好。开关磁阻电机运行时，各相是相互独立的。在相绕组开路或短路的情况下，仅运行性能会受到影响，而并不会像永磁或交流电机一样产生很强的冲击电流，导致严重的后果。SRM 的缺点：（1） 转矩脉动、振动及噪声。由于开关磁阻电机的双凸极结构及开关性的工作方式，使其在换相时转矩不可避免存在着脉动现象。而由转矩脉动及定子的径向脉动力也使其存在着振动和噪声较大的问题。（2） 位置传感器的使用降低了系统的可靠性。位置闭环是开关磁阻电机控制策略的基础。位置传感器的使用不仅增加了系统的成本，也降低了系统的可靠性。3. 开关磁阻电机运行原理及运
11、行特性3.1 转矩产生原理SRM 是双凸极可变磁阻电动机其定转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成转子既无绕组也无永磁体定子极上绕有集中绕组径向相对的两个绕组串联构成一个两极磁极称为“一相” ，如下图所示为三相 SRM。郑 州 职业 技 术 学院 毕业设计（论文）4图 2 3 相 SRM 剖面图SRM 也可以设计成多种不同极数的结构，但定转子极数 Ns 和相数 q 要遵循一定的关系其中定子极数 Ns 应为相数 q 的 2 倍或 2 的整数倍即 Ns=2mq 一般 m取 1 或 2；而转子极数 Nr 应与定子极数不相等一般取 Nr=2(mq-1)，即定子极数Ns 应多于转子极数 Nr，这样才能使 SR
12、M 连续地转动，同时还要尽量使开关频率和最小电感 Lmin 都达到最小，转矩最大。SRM的运行原理遵循“磁阻最小原理” ，即定子某相绕组通电时，所产生的磁力力图使相近的转子旋转到某转子极与该定子极相对齐位置，即磁阻最小位置，从而产生转矩。依次给定子绕组通电，转子则会连续旋转。如图1 所示，控制器根据位置检测器检测到的定转子间相对位置信息，结合给定的运行命令(正转或反转 )，导通相应的定子相绕组的主开关元件。当AA通励磁电流时，其产生的磁阻性电磁转矩会使转子转向“极对极” 位置即 AA。当转子转到被吸引的转子磁极与定子激磁相AA重合时，电磁转矩消失。此时控制器根据新的位置信息，在定转子即将达到平
13、衡位置时，向功率变换器发出命令，关断当前相的主开关元件，而导通下一相，则转子又会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地导通和关断相应的相绕组的主开关，就可产生连续的同转向的电磁转矩，使转子在一定的转速下连续运行。当S1和S2断开时，绕组电流会经续流二极管VD1和VD2继续流通，回馈给电源。从上面的分析可知，电流的方向对转矩没有任何影响，即电流的方向不会改变转矩的方向，而仅取决于电流的通电顺序。郑 州 职业 技 术 学院 毕业设计（论文）53.2电路分析图3中电源VCC 是直流电源， 3个电感分别表示SRM的三相绕组，IGBT1IGBT6为与 绕组相连的可控
14、开关元件，6个二极管为对应的续流二极管。当第一相绕组的开关管导通时，电源给第一相励磁，电流的回路（即励磁阶段）是电源正极上开关管绕组下开关管电源负极，如下图3（a）所示。开关管关断时，由于绕组是一个电感，由于电感电流不能突变，此时电流的续流回路（即去磁阶段）是绕组上续流二极管电源下续流二极管绕组，如图3（b）所示。郑 州 职业 技 术 学院 毕业设计（论文）6图 3 SRM 电流工作示意图3.3 能量转换关系当忽略铁耗和各种附加损耗时，SRM 工作时的能量转换过程为：通电绕组的电感处在电感上升区域（转子转向“极对极”位置） ，当开关管导通时，输入的净能量一部分转化为磁场储能，一部分转化为机械能
15、输出；当开关管关断时，绕组电流通过二极管和电源续流，存储的磁场储能一部分转化为电能回馈电源，郑 州 职业 技 术 学院 毕业设计（论文）7另一部分转化为机械能输出。3.4 运行特性SRD 是机电一体化系统，SR 电动机工作在自同步状态，它的每种运行状态与其控制方法有特定的对应关系。SR 电动机的可控参数有定子绕组电压 Us、开通角 on 和关断角 off， SR 电动机的控制就是如何合理改变这些参数以达到运 行要求。显然一个 SRD 系统是一个多变量控制系统（多输入单输出）对 SRM 的控制，实现多变量控制无疑是理想方案。然而这种控制方案也是复杂的，最一般的做法是采用单变量控制。根据改变控制参
16、数的不同方式，SRM 有两种基本控制模式，即电流斩波控制（简称 CCC）和角度位置控制（简称 APC） 。 CCC 方式是为限制电流超过功率开关元件和电机允许的最大电流而采取的方法，一般on 和 off 固定不变，通过开关元件的多次导通和关断来限制电流在给定的上、 下限值内变化，改变限流幅值的大小，可控制输出转矩的变化。CCC 实际上是调节电压的有效利用值,适用于电机低速区,这时,相电流周期长、磁链及电流峰值大，适宜采用斩波限流。APC 是电压保持不变。通过改变开通角和关断角调节电机转速，常把 off 固定在最佳值，而将 on 作为控制变量。APC 适于电机 较高速区，因为绕组反电动势大，电流
17、上升速度缓慢，不会出现过流情况。对于 SR 电动机在允许的最高电源电压作用和允许的最大磁链与最大电流条件下有一个临界转速 ，它是电动机能得到最大转矩的最高速度。在这个转速以下 SR 电动机呈现恒转矩特性。当 SR 电动机在高于 转速范围运行时，对于线性理想情况，随着 的增加， 磁链和电流随之下降，转矩则随转速的平方下降，在最高电源电压作用下最大导通角( 以及最佳触发角条件下 ,在转速 下呈现恒功率特性。=2/2) 当 SR 电动机在超过 下运行时，由于可控制条件已达到极限，SR 电动机呈现串励特性。如图 4 所示。采用不同的电源电压、开通、关断角的组合、两个临界点在速度轴上将对应不同的分布，且
18、在上述两个区域内分别采用不同的控制方法，能得到满足不同需求的机械特性，也表明了 SR 电动机具有十分优良的调速性能。郑 州 职业 技 术 学院 毕业设计（论文）8图 4 SR 电动机运行特性4. SRM 的研究概况与热点问题4.1 SRD 系统由于开关磁阻电动机的双凸极结构和磁路的严重非线性以及绕组电压和电流的非正弦性，传统电机学的一些理论和分析方法已不在适用于开关磁阻电动机。开关磁阻电机主要应用于调速系统即（SRD） ，国内外都在研究如何可以使SRD 系统达到最优。SRD 系统主要由四部分组成：SRM 电机本体、功率变换器、控制器及位置和电流检测器。如下图 5 所示:图 5 SRD 系统SR
19、M 是 SRD 中实现机电能量转换的部件，也是 SRD 有别于其他电动机驱动系统的主要标志。它遵循磁通总是要沿着磁导最大的路径闭合的原理，由磁拉力作用产生具有磁阻性质的电磁转矩。采用双凸极结构就是要使转子旋转时磁路的磁阻要尽可能大地变化。功率变换器向 SRM 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 SRM 绕组电流是单向的，使得其功率变换器主电路非常简单。其结构形式与 SR 电动机的相数、绕组形式有关。功郑 州 职业 技 术 学院 毕业设计（论文）9率变换器的结构和开关器件的选择直接影响到 SRD 系统的性能和成本。功率变换器是开关磁阻电动机运行时所需能量的供给者，是
20、连接电源和电动机绕组的功率开关部件。控制器是系统的中枢，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器件的工作状态，实现对 SRM运行状态的控制。其性能好坏直接影响到电机的运行性能。检测单元由位置检测和电流检测环节组成，提供转子的位置信息，从而确定各相绕组的开通和关断，提供电流信息来完成电流跟踪控制或采取相应的保护措施以防止过电流。4.2 SRM 存在的问题及热点SRM 运行状态需要设计在饱和区，以使其具有最大的功率密度。由此导致SRM 的磁链和转矩均为相电流和转子位移角的强非线性函数，给 SRM 的数学模型的精确建立带来了很大的困难。而 SRM 模
21、型的精确建立直接影响到电机的分析、设计和评估。国内外对此提出了多种数学模型，其数学模型包括电磁方程和机械方程。开关磁阻电机模型建立的方法有线性法、准线性法、查表法、有限元法、非线性解析法和神经网络建模法等。线性法和准线性法精度较低，只能是对电机的一个定性描述。非线性解析法是人们不断探索的一个领域。相比而言，其模型有较好的精度，并且往往有较快的计算性能。然而，不同模型的精度差异较大，模型往往很难兼顾高精度和快速计算的优点。目前对 SRM 的建模还没有得到统一的认同，这是现今对 SRM 研究的一个热点。4.3 减振降噪的研究振动和噪声是机电设备运行中普遍存在的现象，但是由于 SRM 的双凸极结构及
22、开关脉冲的供电方式，使得它的振噪尤为严重和突出。SRM 的噪声主要是由电磁振动引起的电磁噪声，而产生电磁振动有两方面原因：一是作用在定子上的脉动径向力；二是电机的转矩脉动。目前解决的办法是从电机设计的角度改善，国外的提出了两种方法：一、加定子的磁轭厚度的方法降低电机的振动噪声；二、在转子上开孔以减小径向力来实现减振降噪。两种方法都是以牺牲郑 州 职业 技 术 学院 毕业设计（论文）10电机的单位体积出力为代价，虽有效，但代价太大。4.4 多目标参数优化及先进控制策略的研究SRD 是个强非线性时变系统，用常规线性控制的方法难以满足动态较快的SRD 非线性、变参数的要求。SRD 的可控参数有四个：
23、电机给定转速、外加电压，开通角和关断角。为实现电机的高效运行，往往需要优化电机的可控参数组合。系统性能优化目标可包括最大平均转矩输出、最大转矩/安培比、最大效率或者最小相电流变化率等。同样地，智能技术也被引进到 SRD 的多目标参数优化控制中。这也是开关磁阻电机调速研究的一个热点。4.5 多目标参数优化及先进控制策略的研究SRD 是个强非线性时变系统，用常规线性控制的方法难以满足动态较快的SRD 非线性、变参数的要求。SRD 的可控参数有四个：电机给定转速、外加电压，开通角和关断角。为实现电机的高效运行，往往需要优化电机的可控参数组合。系统性能优化目标可包括最大平均转矩输出、最大转矩/安培比、
24、最大效率或者最小相电流变化率等。同样地，智能技术也被引进到 SRD 的多目标参数优化控制中。这也是开关磁阻电机调速研究的一个热点。5 结束语本文作为一篇综述型的论文，并没有详细地介绍 SRD 系统的原理，只是在参阅了一些前人的文献资料下，简单地介绍了一种新型特种电机开关磁阻电机的运行原理，及其结构和特点，并总结了当今国内外对 SRD 调速系统的研究概况和热点。随着电力电子技术的发展和现在多学科的交叉融合，SRD 系统的发展将会越来越成熟。郑 州 职业 技 术 学院 毕业设计（论文）11参考文献1 开关磁阻电机驱动系统发展的概况(讲座一)2 詹琼华，开关磁阻电动机M.武汉:华中理工大学出版社,1
25、9923 周永勤，王旭东，开关磁阻电动机驱动控制系统的研究，哈尔滨理工大学，20024 孙振兴，王广柱，开关磁阻电动机调速技术的研究，山东大学，20105 李聪智，张侃健，程康 电动自行车开关磁阻电机控制器设计，东南大学自动化研究院，20096 陈琼忠，孟光，开关磁阻电机的非线性建模及在航空发动机多场耦合仿真的应用，上海交通大学，20097 杨旭丽，彭涛，三相开关磁阻电机功率变换电路综述，湖南铁道职业技术学院 （412001）8 张淑芳，韩君，欧阳一鸣，开关磁阻电机调速系统及其应用，合肥工业大学宿州学院9 周素莹，林辉，减小开关磁阻电机转矩脉动的控制策略综述，西北工业大学10 司利云，林辉，开
26、关磁阻电机无位置检测方法及关键技术研究综述，西北工业大学11 许嵩，范瑜，微型开关磁阻电机的无位置传感器研究，北京交通大学（100044）郑 州 职业 技 术 学院 毕业设计（论文）12致 谢本课题在选题及研究过程中得到郑小梅老师的悉心指导。郑小梅老师多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。郑小梅老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，虽历时三载，却终生受益。对郑小梅老师的感激之情是无法用言语表达的。感谢王翠平老师、刘天才老师、甄亚老师等对我的教育培养。他们细心指导我的学习与研究，在此，我要向诸位老师深深地鞠上一躬。感谢我的同学李世超、董迅、赵济深、张松凯、宁光辉等几年来对我学习、生活的关心和帮助。郑 州 职业 技 术 学院 毕业设计（论文）13
