小功率开关磁阻电动机调速系统的设计.doc

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1、第一章绪论1.1开关磁阻电机的产生上个世纪60年代以前，在需要可逆、可调速和高性能的电气传动技术领域中，直流传动系统一直占有统治性的地位。但是，直流电动机存在致命的弱点，在直流电动机运行的时候，利用电刷和换向器进行换向的时候会产生换向火花，因此直流电动机无法做成高速、大容量的机组。而且直流电动机造价高，维护困难，直流供电也有难度。纪60年代以后，随着电力电子学、微电子学和现代控制理论的发展，交流电气传动技术得到了飞速的发展，开始挑战直流电气传动的统治地位，特别是交流电机的矢量控制和直接转矩控制理论的产生以及应用技术的推广，使得交流

2、传动具备了调速范围宽、稳态精度高、动态响应快速以及可以四象限运行(即正转、反转、电动、制动)等良好的技术性能，其静态、动态性能完全可以与直流传动系统相媲美，然而，交流传动系统也存在自身的不足，比如传动系统复杂、价格高、力矩指标有待进一步提高等一系列问题。正是在电气传动技术得到迅猛发展的时代背景下，20世纪80年代园际上推出了一种新型交流电动机调速系统一开关磁阻电动机调速系统。它融新的电动机结构-开关磁阻电动机与现代电力电子技术、控制技术为一体，兼有异步电动机变频调速系统和直流电动机调速系统的优点，已成为当代电气传动的热门课题之一。

3、1.2国内外SRM的发展国内外对开关磁阻电动机调速系统做了进一步的研究，目前的研究热点主要有；(1)、进一步完善开关磁阻电动机的设计理论，建立一套效率高、适用于工程设计要求的优化设计法。开关磁阻电动机的非线性使其性能分析和计算较为困难。目前，采用二维非线性有限元方法分析电机内的饱和磁场具有局限性：第一，对以路为基础的设计方法研究不够，由路的方法导出的设计公式能以清晰的物理概念体现设计变量与结果之间的联系，而场的方法则显得比较抽象，就设计方法的经济性和正确性综合考虑，用路的方法设计，而用场的方法来校核是一种比较理想的方法；第二，现有

4、场的方法精度有待提高，应计及端部效应，开展开关磁阻电动机三维场的研究。在此基础上，开展计算机辅助设计，向智能化方向发展。(2)、加强对铁心损耗理论的研究。开关磁阻电动机磁场特性的非线性导致相绕组供电电压和电流波形比较复杂，一般为单向脉动的非正弦波；定、转子各部分铁心中的磁通密度变化规律也不相同，因此对定、转子铁心损耗的计算和测量都很困难，目前面临的主要问题是如何建立准确、实用的铁心损耗计算模型和分析、测试方法。(3)、加强对转矩脉动及噪声的理论研究，提高电机的功率因数。减小开关磁阻电动机的振动和噪声的关键在于如何减小作用在定子上的

5、径向力。从电机自身的结构设计上，主要是合理设计磁场结构、定子磁轭强度和电机刚度，合理选择气隙、极弧参数及励磁方式，优化绕组的拓扑结构。从控制角度看，主要是优选导通角和关断角及调节脉冲宽度，尽可能调节好各相工作参数的对称性。(4)、改善电机静态及动态性能仿真模型。开关磁阻电动机的性能分析方法还处于探讨阶段，有待进一步完善。(5)、完善开关磁阻电动机、功率变换器及控制器三者之间的协调设计，应该把这三者作为一个整体来进行优化设计，不应该将各部分的设计分裂开。目前的研究，尚停留在仅对特定类型的开关磁阻电动机调速系统分析核算的水平，只能完成

6、局部的综合设计和个别参数的优化。(6)、实用无位置传感器方案的研究。目前，国内外提出许多无位置传感器转子位置检测方案，比如，通过测试电机非激磁相绕组电感来估算转子位置；利用探测线圈的自感和互感估算转子位置；在定子两个凸极之间安装金属平板，通过电容的变化来估算转子位置等。如果将这些无位置检测方案应用于开关磁阻电动机调速系统，可以使系统更加简单。(7)、开关磁阻电机转矩波动最小化技术。开关磁阻电动机运行中的转矩脉动较大是其一个主要的缺点，因此如何获取最佳的绕组电流波形以使开关磁阻电机转矩波动最小就成为主要的研究方向。目前，主要的研究成

7、果有利用迭代学习控制和转矩分配函数减小转矩波动。这种方法以绕组电流作为开关磁阻电动机调速系统的输入量，转矩作为系统的输出量，利用迭代学习控制方法不断调整绕组中的电流、以得到希望的输出转矩。这种方法完全从控制工程的角度，实现转矩的波动的最小化，它不需测量电机磁特性，控制器结构简单。计算工作量小，便于微机控制，是一种很有前途的控制方法。1.3SRD的研究发展方向目前，SRD的研究方向主要集中在更优的电机建模、更简便的位置传感器、合理的开关元件、更小的噪声、更高的功率因数和优化控制系统方面。1.31SR电动机建模的研究SR电动机数学模型

8、的精确建立与描述直接决定和影响电机的优化设计、电机动态性能分析、电机效率评估等，也是电机的高性能控制的基础。目前已有多种SR电动机磁链建模方法，如线性法、准线性法、函数解析法、表格法、有限元分析法和神经网络法等。1.32噪声的抑制和提高SR电动机的