开关磁阻电机调速系统的研究

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1、1前言1.1开关磁阻电机调速系统的概况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不高的电动机，故只应用于少数小功率场所。通过最近约20年问的研究和改进设计工作，使磁阻式电动机的性能不断提高，目前已能在较大的功率范围内使其性能不低于其它型式的电动机。七十年代初，美国福特电动机(FordMotor)公司研制出最早的开关磁阻电机调速系统(SwitchedReluctanceDrive)。其结构为轴向气隙电动机、晶闸管功率电路，具有电动机和发电机运行状态和较宽范围调速的能力，特别适用作蓄电池

2、供电的电动车辆传动。七十年代中期，在工业部门的促进下，英国里兹(Leeds)大学和诺丁汉(Nottingham)大学组成一研究小组，共同研制以传动电动车辆为目标的开关磁阻电动机调速系统。小组在该系统的理论研究和实践方面做了大量工作，他们研制的样机容量从10W至50kW，转速从750rpm至10，000rpm，其系统效率和电动机利用系数等主要指标达到或超过了传统传动系统。随后以研究小组为基础成立了开关磁阻电动机调速系统公司(SwitchedReluctanceDrivesLtd．)，以经营其研究成果。1981年英国

3、TASC公司(TASCDrivesLtd．)获准制造该系统，并于1983年推出商品名为Oulton的通用调速系列产品，其容量范围为4-22kW。该产品的出现在电气传动界引起不小的反响。因为其确实在很多性能指标上达到出人意料的高水平，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。开关磁阻电动机调速系统的出现不仅为工业、交通、国防及家用电器等部门提供了一种极其优越的调速系统，而且也因其具有的典型机电一体化结果丰富了“机械电子学”的成功实例。因此1983年后在国际范围内迅速掀起开关磁阻电机

4、研究开发热，并持续至今不断发展，其产品推广领域不断扩大。我国对开关磁阻电机调速系统的开发研究开始于1984年，现已有大批高等院校、科研院所、生产企业从事开关磁阻电机调速系统的开发研究工作，在借鉴国外经验的基础上，国内对开关磁阻电机调速系统的开发研究尽管起步较晚，但是起点较高，研制目标基本都集中在较为成熟的三相或四相控制方案上，目前已有十余家单位推出不同性能、用途、功率(1kW到55kW)的多规格系列产品，应用于纺织、冶金、机械、运输等多种行业、场所的数十种生产机械和运输车辆中。开关磁阻电机的研究工作从最初摸索合理

5、的设计方法转向如何加速优化设计发展，在绕组互感对运行的影响、转矩脉振、最佳电流波形、振动与噪声、发热及铁耗计算等方面提出了许多有益的见解和尝试。开关磁阻电机调速系统则是随之而上的又一调速驱动系统，涉及到微电子、电力电子、微机实时控制、机械制造、机电一体化及工程应用等众多学科领域，具有广阔的发展前景。综上所述：开关磁阻电机调速系统结构简单坚固、成本低、效率高、调速性能优异，37是传统交、直流调速系统的强有力竞争者，是各国研究和开发的热点之一，SRD产品己广泛或开始应用于电动车驱动、家用电器、通用工业、航空工业和伺服

6、系统等各个领域，覆盖功率范围10kW～5MW的各种高低速驱动系统，呈现强大的市场潜力。1.2开关磁阻电机调速系统的组成开关磁阻电机调速系统(SwitchedReluctanceDrive简称SRD)，主要由开关磁阻电机(SwitchedReluctanceMotor简称SRM)、功率变换器、控制器和角位移传感器四部分组成，如图1-1所示。图1-1SRD系统组成Figure1-1ThecompositionoftheSRDsystem(1)开关磁阻电机是SRD中实现机电能量转换的部件，系双凸极可变磁阻电动机，其定转

7、子的凸极均由普通硅钢片叠压而成。转子无绕组也无永磁体，定子极上绕有集中绕组，径向相对的两个绕组可串联或并联构成一对磁极，称为“一相”。SRM可以设计成多相结构，且定、转予的极数有多种不同的搭配。相数多，步距角小，有利于减小转矩脉动，但结构复杂，且主开关器件多，成本高。因此电机定、转子的极数应当按使用的场合合理确定。SRM的转向与电流方向无关，为单向电流，若改变相电流的大小，可改变电动机转矩的大小，进而可以改变电动机转速。若在转子极转离定子极时通电，所产生的电磁转矩与转子旋转方向相反，为制动转矩。由此可知，通过简单

8、的控制方式便可改变电动机的转向、转速和工作状态。(2)功率变换器的作用是将电源提供的能量经适当转换后提供给SRM，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不仅结构较简单，而且相绕组与主开关器件是串联的，因而可以避免直接短路故障。SRM的功率变换器主电路的结构形式与供电电压、电动机相数及主开关器件的种类等有关。(3)控制器是