開關(guān)磁阻電機設(shè)計和應用

開關(guān)磁阻電機設(shè)計和應用第1頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月

電機品種規(guī)格數(shù)以萬計，科技愈進步，生產(chǎn)力愈發(fā)展，所需電機愈多。

自100多年前電機問世以來，電機在人類文明發(fā)展史上起著十分重要的作用。隨著科學技術(shù)的進步、原材料性能的提高和制造工藝的改進，各類電機品種規(guī)格數(shù)以萬計，功率等級從百萬分之幾瓦到1000MW以上。發(fā)電機和其它相關(guān)設(shè)備，使人們能利用熱能、水能、核能、風能、地熱能、潮汐能、太陽能等能源發(fā)電，提供國民經(jīng)濟及人民生活所必需的電能；電動機廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國民經(jīng)濟和人民生活，作為驅(qū)動各種機械設(shè)備的動力。電機落伍了嗎？一、概述第2頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月

典型的電機是依據(jù)電磁感應原理而運行的旋轉(zhuǎn)或直線運動電磁機械，用于實現(xiàn)電能和機械能的相互轉(zhuǎn)換。電機運行原理:電磁感應定律和電磁力定律第3頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月

電機運行原理基于電磁感應定律和電磁力定律。電機在實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換時，應具備能作相對運動的兩大部件：建立勵磁磁場的部件，感生電動勢并流過工作電流的被感應部件。兩個部件中，靜止的稱為定子，運動的稱為轉(zhuǎn)子或動子。定子轉(zhuǎn)子第4頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月

電磁轉(zhuǎn)矩由氣隙中的勵磁磁場與被感應部件中電流所建立的磁場相互作用而產(chǎn)生。建立兩個磁場的方式不同，形成不同類型的電機。例如兩個磁場均由直流電流產(chǎn)生，則形成直流電機；兩個磁場分別由不同頻率的交流電產(chǎn)生，則形成異步電機；一個磁場由直流電流產(chǎn)生，另一個磁場由交流電流產(chǎn)生，則形成同步電機。直流電機異步電機同步電機第5頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月

開關(guān)磁阻電機(SR電機)結(jié)構(gòu)和工作原理與傳統(tǒng)的交直流電機有著很大的差別，定轉(zhuǎn)子均由硅鋼片疊壓而成，轉(zhuǎn)子既無繞組也無永磁體，定子各極上繞有集中繞組，一般徑向相對極的繞組串聯(lián)，構(gòu)成一組。第6頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月三相6/4極開關(guān)磁阻電機運行第7頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月現(xiàn)代開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展，始于20世紀80年代，得力于英國學者LawrensonPJ及其同事們杰出貢獻。目前SR電機系統(tǒng)得到較大的發(fā)展，產(chǎn)品已經(jīng)應用于電動車驅(qū)動系統(tǒng)，家用電器（洗衣機、食品加工機械、電動工具等），通用工業(yè)（風機、泵、油田、煤礦等），伺服與調(diào)速系統(tǒng)，牽引電機，高轉(zhuǎn)速電機（用于紡織機、航空發(fā)動機、電動工具、離心機傳動等）。功率范圍從10W（轉(zhuǎn)速10000r／min）到5MW（轉(zhuǎn)速50r／min），速度上限高達100000r/min。我國也有不少科研院校開展SR電機系統(tǒng)研究，一些企業(yè)亦有產(chǎn)品量產(chǎn)。第8頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月

SR電機運行原理遵循“磁阻最小原理”----磁通總是要沿磁阻最小的路徑閉合，因磁場扭曲產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。其電磁轉(zhuǎn)矩是磁阻轉(zhuǎn)矩。式中，

轉(zhuǎn)子位移角；W磁共能；i相繞組電流。第9頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月單相開關(guān)磁阻電機，用于吸塵器電機，美國仙童（Fairchild）公司為此專門開發(fā)了單相開關(guān)磁阻電機用的功率模塊。第10頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月基本開關(guān)磁阻電機利用虛位移法，SR電機電磁轉(zhuǎn)矩可寫為：第11頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月當不考慮磁路飽和，SR電機電磁轉(zhuǎn)矩可寫為：第12頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)(SRD)是調(diào)速電機，主要由開關(guān)磁阻電機（SR電機）、功率變換器、控制器和檢測器四部分組成。第13頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月對SRD系統(tǒng)的理論研究和實踐證明，該系統(tǒng)具有許多明顯的特點：電機結(jié)構(gòu)簡單、堅固，制造工藝簡單，成本低，轉(zhuǎn)子僅由硅鋼片疊壓而成，可工作于極高轉(zhuǎn)速；定子線圈為集中繞組，嵌放容易，端部短而牢固，工作可靠，能適用于各種惡劣、高溫甚至強振動環(huán)境。損耗主要產(chǎn)生在定子，電機易于冷卻；轉(zhuǎn)子無永磁體，可允許有較高的溫升。轉(zhuǎn)矩方向與相電流方向無關(guān)，從而可減少功率變換器的開關(guān)器件數(shù)，降低系統(tǒng)成本。功率變換器不會出現(xiàn)直通故障，可靠性高。起動轉(zhuǎn)矩大，低速性能好，無感應電動機在起動時所出現(xiàn)的沖擊電流現(xiàn)象。調(diào)速范圍寬，控制靈活，易于實現(xiàn)各種特殊要求的轉(zhuǎn)矩－速度特性。在寬廣的轉(zhuǎn)速和功率范圍內(nèi)都具有高效率能四象限運行，具有較強的再生制動能力。各種突出的優(yōu)點，使SRD系統(tǒng)已成為交流電機驅(qū)動系統(tǒng)、直流電機驅(qū)動系統(tǒng)及無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)的有力競爭者。突出的缺點：噪聲振動。優(yōu)點要全面變成現(xiàn)實，還需進一步提高SRD系統(tǒng)電機設(shè)計和控制理論第14頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月目前應用較多的是3相6/4極、3相12/8極和4相8/6極結(jié)構(gòu)相數(shù)m123456定子極數(shù)Ns24681012轉(zhuǎn)子極數(shù)Nr2246810常見SR電機定、轉(zhuǎn)子極數(shù)組合方案二、電機結(jié)構(gòu)第15頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月利用渦流反應轉(zhuǎn)矩輔助起動徑向－軸向磁通的外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)永久磁鋼輔助起動

單相開關(guān)磁阻電機的電機成本和控制器成本都是最低的，控制器只需要一個開關(guān)管和一個快恢復二極管，線圈數(shù)和引出線都最少。但是單相開關(guān)磁阻電機存在嚴重起動“死區(qū)”，如果起動問題不能解決，單相開關(guān)磁阻電機亦難以變?yōu)楝F(xiàn)實。第16頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月階梯氣隙的不規(guī)則兩相SR電機渦輪轉(zhuǎn)子兩相SR電機可控飽和兩相SR電機

兩相開關(guān)磁阻電機在對齊位置（定、轉(zhuǎn)磁極中心線對齊)和不對齊位置(定子極與轉(zhuǎn)子槽中心線對齊)都不具備自起動能力，同時也存在一定的轉(zhuǎn)矩“死區(qū)”。第17頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月3相6/4極SR電機3相12/8極SR電機3相6/2極SR電機三相開關(guān)磁阻電機是最常見到的開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)，3相電機是常規(guī)結(jié)構(gòu)具備正反方向自起動能力最少相數(shù)SR電機。除了常見3相6/4極外，還有3相6/2極、6/8極、12/8極等結(jié)構(gòu)。第18頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月3相6/8極SR電機3相12/10極SR電機3相24/32極外轉(zhuǎn)子SR電機第19頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月4相8/6極SR電機5相10/8極SR電機7相14/12極SR電機4相開關(guān)磁阻電機也是得到廣泛研究和應用的類型。與3相電機相比，4相電機的起動性能要好得多，轉(zhuǎn)矩波動也小，但電機和控制器的成本都有所增加。

5相開關(guān)磁阻電機或更多相數(shù)的目的多是為了獲得更平滑的電磁轉(zhuǎn)矩，降低轉(zhuǎn)矩波動，但電機和控制器的成本和復雜性大大提高。第20頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月三、性能分析確定主要尺寸磁路計算參數(shù)計算性能計算開始電機設(shè)計基本流程第21頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月均勻氣隙非均勻氣隙第22頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月平均電磁轉(zhuǎn)矩可以基于磁鏈-電流曲線，用一個工作周期的能量轉(zhuǎn)換環(huán)來計算。為獲得盡可能大的電磁轉(zhuǎn)矩：

最大化對齊位置電感最大化飽和磁密最小化不對齊位置電感磁鏈曲線族第23頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月在起始重疊位置和半重疊位置之間，磁鏈工作軌跡包含的磁共能面積最大，且磁鏈與轉(zhuǎn)角近似成線性關(guān)系。第24頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月對齊位置不對齊位置半重疊位置起始重疊位置1、四條重要磁化曲線解析計算第25頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月繞組電感可以采用兩種方法計算：1）磁鏈法；2）能量法。采用磁鏈法時，電感當電路處于線性媒介時（磁鏈隨電流正比變化），第26頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月不對齊位置u位置二維典型磁場分布u位置的近似磁通路徑第27頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月不對齊位置u位置磁路結(jié)構(gòu)圖第28頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)有限元計算結(jié)果作出的SR電機在u位置下的二維典型磁場分布圖，磁場對稱于勵磁極。由于氣隙很大，鐵心不飽和，故假設(shè)鐵心的磁導率為無窮大，磁力線垂直于鐵心表面，u位置下磁化曲線實際為一條直線，為簡化分析，假設(shè)激勵線圈為矩形均勻分布。由此可作出u位置的近似磁通路徑，磁力線均由同心圓弧段和直線段組成。點C1、C2、C4的選擇原則是：磁力線與鐵心表面垂直或近似垂直。點O1取線圈邊中心，點Or取法見區(qū)域4磁路詳圖。第29頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月參照上圖，不考慮鐵心端部磁場時，每極繞組的磁鏈為

＝2(1＋2＋3＋4＋5)式中，1、2、3、4、5分別是區(qū)域1、2、3、4、5的磁鏈。一相線圈電感為：式中，Nph

每相繞組匝數(shù)；o

空氣磁導率；

lFe

鐵心有效疊長；Pj

各路徑的比磁導分量，第30頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月比磁導分量P1計算參見路徑1磁路詳圖。為簡化分析，以直線C1H2替代鐵心軛圓弧段C1H2，并假設(shè)區(qū)域C1H2H1D4C1均勻充滿勵磁導體。路徑1磁路詳圖第31頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月

設(shè)lx為磁通管1在x處的磁路長度，Nxi為x處單元磁路所匝鏈的安匝數(shù)，則x處磁通管對應的磁導第32頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月單元磁鏈則電感L1為比磁導分量P1為

第33頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月其它路徑的磁導分量第34頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月考慮端部磁場電感計算

從SR電機結(jié)構(gòu)特點可以知道，u位置下端部磁場非常嚴重，必須加以考慮。準確計算鐵心端部磁場須采用三維場的數(shù)值分析，這難以應用于一般的性能計算。有關(guān)文獻提出了一種估算端部磁場的簡單方法：用等效氣隙gF和考慮端部磁場的電樞計算長度lF計及電樞端部磁場。等效氣隙gF為磁力線(1)～(5)長度的平均值，第35頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月考慮端部磁場時的電樞計算長度式中，

為卡特系數(shù)故考慮端部磁場時u位置的繞組電感

第36頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月對齊位置

對SR電機的磁場分析表明，在a位置下，絕大部分磁通比較均勻地經(jīng)定子勵磁極和轉(zhuǎn)子鐵心閉合，因此可等效為簡單的二極磁路模型，用磁路法求解。為簡化計算，假設(shè)磁通在磁路中均勻分布，無漏磁通，無磁分流。a位置兩極磁路模型第37頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月磁路計算的基本原理

全電流定律（安培環(huán)路定律）：磁場強度向量沿任一閉合回路的線積分等于該回路所包圍的全電流（電流代數(shù)和），如果積分路徑沿著磁場強度向量取向（即沿著磁力線），則開關(guān)磁阻電機對齊位置磁路可分為5段：空氣隙；定子磁極；轉(zhuǎn)子磁極；定子軛；轉(zhuǎn)子軛第38頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月

參見兩極磁路模型，將磁路分為氣隙、定子磁極、轉(zhuǎn)子磁極、定子磁軛、轉(zhuǎn)子磁軛五個磁路段。磁路參數(shù)如下：氣隙長度定子軛截面積氣隙截面積第39頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月定子軛長度轉(zhuǎn)子軛截面積轉(zhuǎn)子軛長度定子極截面積定子極長度第40頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月轉(zhuǎn)子極截面積梯形轉(zhuǎn)子極取距極根1/3極處的磁場強度為磁極的等效磁場強度，則對平行轉(zhuǎn)子極轉(zhuǎn)子極長度故每對極勵磁磁勢借助兩極磁路模型和鐵心的BH曲線，即可方便地求其a位置的磁化曲線。第41頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月按梯形齒計算按平行齒計算測量值樣機2Lu(H)0.009910.010750.0101u轉(zhuǎn)子位置電感a轉(zhuǎn)子位置磁化曲線計算實例

對兩種不同結(jié)構(gòu)尺寸的樣機，采用上述解析法和二維有限元法進行了計算，并與實驗結(jié)果作了比較。第42頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月2、磁化曲線有限元計算ANSYSAnsoftFlux2DMagnetJmag……第43頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月AnsoftMaxwellSV靜磁場分析利用AutoCAD建模，轉(zhuǎn)換格式并導入設(shè)置求解區(qū)域范圍，命名區(qū)域，Group設(shè)置材料設(shè)置邊界條件、激磁設(shè)置求解參數(shù)求解、后處理第44頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月計算實例：8/6極SRM額定功率7.5kW額定電流20A峰值電流40A每相匝數(shù)136第45頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月磁勢(A)1503006001600260046005600660076008600磁通(Wb)0.41220.82451.6494.3977.14512.63715.37918.11320.82323.466磁勢(A)9600126001460016600186002060022600246002660028600磁通(Wb)25.57830.70633.41534.90636.22337.35338.48439.54640.58541.56不對齊位置磁鏈曲線第46頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月磁場分布圖氣隙磁場波形第47頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月

SR電機的工作原理和結(jié)構(gòu)都比較簡單，但其雙凸極的結(jié)構(gòu)特點，磁路和電路的非線性、開關(guān)性，使得電機的各個物理量隨轉(zhuǎn)子位置作周期性變化，電機性能應基于電勢平衡方程進行。SR電機第k相的電動勢平衡方程式：式中，

uk第k相的端電壓，

ik第k相的電流，

Rk第k相的電阻，

k第k相的磁鏈。開關(guān)磁阻電機電壓方程第48頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月在線性模型中作如下假設(shè)：

(1)忽略磁通邊緣效應和磁路非線性，且磁導率＝，因此繞組電感L是轉(zhuǎn)子位置的線性函數(shù)；

(2)忽略所有功率損耗；

(3)功率管開關(guān)動作瞬時完成；

(4)電機恒速運轉(zhuǎn)。3、線性模型繞組電感與轉(zhuǎn)子位置角一個極距下的關(guān)系曲線第49頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月第50頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月第51頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月準線性模型是將實際的非線性磁化曲線分段線性化，近似地考慮了磁路的飽和效應4、準線性模型SR電機準線性模型第52頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月當磁路不飽和時，電磁轉(zhuǎn)矩與電流平方成正比；當磁路飽和時，電磁轉(zhuǎn)矩與電流的一次方成正比。與串勵電機特性相似。第53頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月非線性磁參數(shù)法：基于有限元獲取的磁鏈曲線族，利用四階龍格-庫塔法求解電壓方程4、非線性模型（繞組導通期間）（繞組續(xù)流期間）第54頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月快速非線性法或快速非線性仿真法：基于對齊和不對齊位置磁鏈曲線，或基于四條位置磁鏈曲線，建立電磁性能的解析計算模型區(qū)域I區(qū)域I區(qū)III第55頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月仿真波形第56頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月測量值快速非線性仿真法非線性磁參數(shù)法端電壓(V)252252252轉(zhuǎn)速(r/min)150815081508開通角(deg)20.520.520.5關(guān)斷角(deg)484848平均電磁轉(zhuǎn)矩(N.m)50.2950.9450.89相電流峰值(A)3635.9435.66相電流有效值(A)20.7519.0318.71仿真計算與測量值比較第57頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月VisualEMCAD-開關(guān)磁阻電機5、開關(guān)磁阻電機CAD第58頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月VisualEMCAD-開關(guān)磁阻電機第59頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月VisualEMCAD-開關(guān)磁阻電機第60頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月VisualEMCAD-開關(guān)磁阻電機第61頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月場路結(jié)合動態(tài)仿真6、動態(tài)仿真第62頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月三維動態(tài)仿真轉(zhuǎn)矩波形電流波形第63頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月鐵損是SR電機性能計算的難點7、鐵損計算第64頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月噪聲振動是SR電機的應用瓶頸噪聲比較實驗裝置簡圖法國BesbesM和RenZ等學者的比較實驗表明，電磁噪聲占整個噪聲的95%。因此，如果能有效地抑制電磁噪聲，也就能達到SR電機降噪的目的。8、噪聲振動抑制第65頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月作用在定子磁極上的徑向力所引起的定子變形，是造成SR電機噪聲振動的主要原因。振動分析主要包括徑向力計算和結(jié)構(gòu)分析兩部分。利用有限元法計算徑向力-角度-電流關(guān)系曲線，獲得動態(tài)徑向力波形用解析法推導電機各結(jié)構(gòu)參數(shù)、電流與徑向力波形的關(guān)系采用雙極性勵磁構(gòu)成短磁路降低系統(tǒng)噪聲利用有限元法計算了電機的固有頻率，考慮繞組、鐵芯和結(jié)構(gòu)的影響利用瞬態(tài)有限元法分析電機振動動態(tài)響應，以定子極和定子軛以振動最小化為目標進行了優(yōu)化基于振動傳遞函數(shù)預測開關(guān)磁阻電機振動使用結(jié)構(gòu)諧波分析法獲得電機振動傳遞函數(shù)預測開關(guān)磁阻電機振動使用統(tǒng)計能量分析的方法分析開關(guān)磁阻電機的高頻振動第66頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月多物理場耦合振動仿真第67頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月兩種關(guān)斷控制策略下的振動波形比較(a)一次關(guān)斷(b)二次關(guān)斷第68頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月避免徑向磁吸力諧波與定子固有頻率諧振的現(xiàn)象，遠離2階周向節(jié)點數(shù)模態(tài)的定子固有頻率調(diào)相電流的開通角和關(guān)斷角，優(yōu)化控制策略進行噪聲控制加強定子的剛度和采取阻尼措施減小繞組換流時瞬時沖擊徑向磁吸力引起的噪聲和振動減小電機的轉(zhuǎn)矩波動SR電機與負載之間盡可能采用撓性聯(lián)結(jié)采用斜極降低噪聲振動的一些基本措施第69頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月

轉(zhuǎn)矩脈動是開關(guān)磁阻電機應用過程中不可忽視的一個問題，尤其在一些要求具備伺服性能的直接驅(qū)動系統(tǒng)中。最近幾年，對于開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)矩脈動抑制方法的研究主要集中在轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)法以及一些如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等智能控制方法上。9、轉(zhuǎn)矩脈動抑制第70頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)法在接受到轉(zhuǎn)矩給定T*m后，轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)模塊TSF根據(jù)電機當前轉(zhuǎn)子位置，將給定轉(zhuǎn)矩分配給各相，由轉(zhuǎn)矩-電流模塊生成給定電流，根據(jù)開關(guān)策略產(chǎn)生給定電流。左下圖為典型轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)波形。轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)的作用是在電機相鄰兩相轉(zhuǎn)矩重疊區(qū)將轉(zhuǎn)矩合理的分配給兩相，從而降低轉(zhuǎn)矩脈動。第71頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月模糊控制

左上圖為基于模糊控制的轉(zhuǎn)矩脈動抑制系統(tǒng)框圖，左下圖是模糊控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。根據(jù)預先設(shè)定好的知識庫，將誤差經(jīng)過模糊化，模糊推理及去模糊化的處理，得到相應的電流輸出。Sayeed等人的研究結(jié)果表明，采用模糊控制器后，轉(zhuǎn)矩脈動減小了近20%。第72頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

左圖為基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)矩抑制系統(tǒng)框圖。系統(tǒng)運行過程中，B樣條神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以一種在線的方式不斷更新神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中各個權(quán)值。控制器在運行過程中可以不斷修正自身模型來適應所控制的開關(guān)磁阻電機。第73頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月轉(zhuǎn)子位置以各種形式隱藏在電機電感信息中空閑相電流注入法(低速)激勵相法(高速)獲得電機電感或磁鏈由電感信息獲得轉(zhuǎn)子位置：查表法解析法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等智能算法觀測器法無預定義電感位置關(guān)系的方法10、無位置傳感器控制第74頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月通過自舉電容的電流注入法基于滑模觀測器的方法第75頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月溫升分析是實現(xiàn)高功率密度開關(guān)磁阻電機重要保證11、溫升計算第76頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月一些SR電機溫升相關(guān)研究：利用商用有限元軟件ANSYS分析開關(guān)磁阻電機的溫升，并通過實驗驗證了計算結(jié)果在溫度場有限元計算考慮了強制風冷的影響以電機所占空間及電機性能為約束條件，以材料成本最小化為目標函數(shù)，對一臺12/8電機進行了優(yōu)化設(shè)計。電機溫度分析過程中，各部分的熱力學參數(shù)對結(jié)果有較大影響。通過實驗方法確定了槽絕緣，鐵心等組件的熱阻及比熱容等參數(shù)?；谟邢拊慕佑|面建模方法研究溫升研究開關(guān)磁阻電機及其控制器的溫度測試方法第77頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月四、開關(guān)磁阻電機設(shè)計1、極數(shù)、相數(shù)和極弧定、轉(zhuǎn)子極數(shù)、極弧的選擇應滿足：電機在任何轉(zhuǎn)子位置都具有正、反方向的自起動能力；減小不對齊位置時每相繞組的最小電感Lmin；減小各相繞組間的互感；最小化各相繞組的開關(guān)頻率。定、轉(zhuǎn)子極數(shù)應滿足條件：符號LCM為取最小公倍數(shù)。

第78頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月所以極弧需滿足的必要條件為：當上式不滿足時，SR電機只具有單方向自起動能力

定、轉(zhuǎn)子極弧的確定，應保證對任何轉(zhuǎn)子位置，SR電機均具有正、反方向的自起動能力。因而要求，當某一相定、轉(zhuǎn)子極處于極對極，相鄰相定、轉(zhuǎn)子極必須有一定的重疊，也即要求兩相鄰相電感曲線上升期具有一定的重疊。第79頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月6/4極極弧約束三角形8/6極極弧約束三角形設(shè)計點C：不對齊電感太高，繞組面積太小設(shè)計點B：由于邊緣磁場，不對齊電感仍偏高，繞組面積合適設(shè)計點A：最大最小電感比高，效率高功率密度大，但轉(zhuǎn)矩波動大第80頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月Bps為對齊位置最大磁鏈時定子極磁密，為最大電感與最小電感的比值，為極?。ㄔO(shè)定轉(zhuǎn)子極弧相等），g為氣隙，r1為轉(zhuǎn)子半徑。例如，對6/4極SR電機，極弧30°，氣隙0.25mm，轉(zhuǎn)子半徑25mm,=10，Bps=1.6T時，可以求得單位轉(zhuǎn)矩60kN.m/m3Harris提出的主要尺寸關(guān)系式：2、主要尺寸關(guān)系式第81頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月B為一個轉(zhuǎn)子極距的氣隙平均磁密，ki為峰值電流系數(shù)，km為方波電流系數(shù)。亦可推導獲得主要尺寸關(guān)系式典型形式：第82頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月主要尺寸比：相數(shù)NsNrDr/Dsrs3640.5303231280.5716154860.532321定、轉(zhuǎn)子外徑比典型取值第83頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月每相繞組串聯(lián)匝數(shù)繞組匝數(shù)是導通角c的函數(shù)，c=off-on氣隙第1氣隙g為定子內(nèi)徑與轉(zhuǎn)子外徑差；第2氣隙gi為定子磁極表面到轉(zhuǎn)子槽底的距離，第84頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月繞組端電壓不考慮電容濾波定子、轉(zhuǎn)子軛高考慮電容濾波U2為交流電源的相電壓，Ud為全波整流后的直流電壓第85頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月3、電磁設(shè)計例給定數(shù)據(jù)

功率：7.5kW

電源電壓：380V（交流）

額定轉(zhuǎn)速：1500r/min

額定效率：0.88

調(diào)速范圍：200～2000r/min，其中200～1500r/min為恒轉(zhuǎn)矩特性1500～2000r/min為恒功率特性

運行方式：連續(xù)運行

絕緣等級：E第86頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月

將全距繞組應用于開關(guān)磁阻電機中，其繞組形式如圖所示。采用該繞組形式的電機既可以單極性運行，也可以雙極性運行。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩實驗表明，在銅損一定的情況下，該電機的轉(zhuǎn)矩輸出可能要比集中繞組電機更高。全距繞組開關(guān)磁阻電機五、新結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻電機第87頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月一種使用三相全橋的開關(guān)磁阻電機兩相同時勵磁方法，如圖3所示。電機的轉(zhuǎn)矩由互感和自感同時產(chǎn)生。這種勵磁方式緩解了開關(guān)管關(guān)斷時徑向力的瞬間突然變化，降低了電機的振動。而且，由于使用三相全橋控制電機，可以將現(xiàn)有的三相橋模塊、IPM應用于控制器硬件中，也可以方便地將無刷直流電機的控制器改裝成開關(guān)磁阻電機控制器，縮短了研發(fā)周期。開關(guān)磁阻電機兩相同時勵磁系統(tǒng)框圖第88頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月

磁鏈開關(guān)型電機(FluxSwitchingMotor),F+,F-為勵磁繞組，A為電樞繞組。勵磁繞組和電樞繞組可以像直流電機一樣采取并繞或串繞的方式。一些研究表明，開關(guān)磁鏈電機和串勵直流電機具有相似的機械特性，效率也幾乎一致，噪音振動水平低于同等級的開關(guān)磁阻電機。磁鏈開關(guān)電機是一種無刷電機，控制電路簡單，最少只需要兩個開關(guān)管。同時它又具有開關(guān)磁阻電機可靠性高，成本低的優(yōu)點。有利于取代電動工具中的串勵直流電機。磁鏈開關(guān)型電機第89頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月一種分段式轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機，如圖所示。轉(zhuǎn)子由一系列的導磁段（segment）鑲嵌在不導磁的材料上構(gòu)成。工作時，定子鐵芯與導磁段構(gòu)成了短磁路。與同體積開關(guān)磁阻電機相比，在熱負荷一定的情況下，該電機試驗樣機的轉(zhuǎn)矩提高了41%，并且減少了轉(zhuǎn)子鐵芯硅鋼片的用量，降低了成本和重量。分段式轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機第90頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月一種E型鐵芯開關(guān)磁阻電機。定子由兩個E型鐵芯構(gòu)成，每個鐵芯由三個極構(gòu)成，其中只有兩個極上放置繞組，另一個極作為兩相磁路的公共極。這種結(jié)構(gòu)減少了鐵芯的用料，并且方便繞線。實驗表明該電機與傳統(tǒng)開關(guān)磁阻電機相比具有更高的效率和功率密度。E型鐵芯開關(guān)磁阻電機第91頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月電動汽車20世紀80年代前，大部分車輛驅(qū)動電機都采用直流電機。90年代以后，百花齊放，歐美國家傾向變頻感應電機，日本采用永磁無刷直流電機，德國、英國大力開發(fā)開關(guān)磁阻電機。我國在變頻感應電機、開關(guān)磁阻電機、永磁同步電機等都展開了研究，并有一定的應用。現(xiàn)代電動汽車驅(qū)動電機要求效率高、高功率密度、高可靠性、伺服性好。近年來，永磁同步電機受到越來越多的關(guān)注。但稀土是一種緊缺的資源，變頻感應電機、開關(guān)磁阻電機等電勵磁電機亦有其優(yōu)勢。六、應用第92頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月圖為比利時GreenPropulsion公司研制的開關(guān)磁阻電機驅(qū)動的公交汽車。動力裝置由兩臺12/8開關(guān)磁阻電機和一臺柴油機構(gòu)成，這種架構(gòu)使得該系統(tǒng)在寬廣的負載范圍內(nèi)都具有較高的效率，并去除了齒輪箱，傳動機構(gòu)可以直接和車輪耦合。與傳統(tǒng)的單一柴油動力的公交汽車相比，該系統(tǒng)節(jié)省燃料30%,同時釋放的二氧化碳量降低了25%-40%。第93頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月GreenPropulsion電動汽車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第94頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月30kW開關(guān)磁阻電機驅(qū)動的市內(nèi)有軌電車50kW開關(guān)磁阻電機驅(qū)動的7.5噸城市載貨電動車開關(guān)磁阻電機驅(qū)動的電動摩托車第95頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月Renault（雷諾）將開關(guān)磁阻電機應用于其無級變速系統(tǒng)（Infinitelyvariabletransmissionsystems）中。左上圖為采用了該系統(tǒng)的RenaultLagunaIIEstate轎車。該系統(tǒng)的將傳統(tǒng)汽車中的固定變速裝置替換成由兩個開關(guān)磁阻電機組成的變速系統(tǒng)。該變速系統(tǒng)能夠使汽車獲得連續(xù)的變速比。這樣就可以使汽車發(fā)動機一直工作在大約2000rpm的最大效率點。左下圖為該系統(tǒng)的CAD簡圖。組成變速系統(tǒng)的開關(guān)磁阻電機功率為25kW，外徑為192mm，疊長為160mm，最大轉(zhuǎn)矩135Nm。系統(tǒng)采用了無位置傳感器技術(shù)以提高系統(tǒng)可靠性，減少系統(tǒng)空間。與傳統(tǒng)汽車相比，該系統(tǒng)效率提高了10%。第96頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月澳大利亞LeTourneau公司的L-1350系列的推土機使用了4臺B40型開關(guān)磁阻電機作為其主要動力系統(tǒng)，如圖所示。每臺電機既可以電動運行，也可以發(fā)電運行對車輛進行電磁制動。每臺電機功率為300kW，但其尺寸為傳統(tǒng)電機的一半。第97頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月Dyson(美國戴森公司)研發(fā)了一臺100000rpm單相開關(guān)磁阻電機，型號為X020，并將該項技術(shù)應用于吸塵器中。高轉(zhuǎn)速不僅保證了吸力的強勁，同時使得吸塵