开关磁阻电机的电磁设计方法

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1、湖南工业大学本科毕业设计（论文）第2章分马力开关磁阻电机的机理分析SR电机的结构比较简单，但其双凸极的结构特点，磁路和电路的非线性，开关性，使得电机的各个物理量随转子位置作周期的变化，定子绕组电流和磁通波形不规则，传统的分析法难以简单的用于SR电机的计算。不过，SR电机内部的电流过程是建立在电磁感应定理，全电流定理，能量守恒定理等基本电磁关系上，并可由此写出SR电机的基本平衡方程。2.1分马力开关磁阻电机的基本平衡方程一台相SR电机，假设各相结构和电磁参数对称，根据电路定理，可以写出SR电机的相的电动势平衡方程（2.1）式中——第相的端电压；——第相的电流；——

2、第相的电阻；——第相的磁链。在SR电机中，各相绕组的磁链是转子位移角和各相电流的函数，故磁链为（2.2）如果忽略了电阻的压降，并假设磁路为线性，则（2.1）可写为（2.3）式中——角速度，；——由于磁链变化引起的感应电动势；——由于转子旋转使绕组中引起的感应电动势。进一步考察SR电机能量，有（2.4）41湖南工业大学本科毕业设计（论文）上式表明，输入功率的一部分转化为磁场能量增加；另一部分则输出的机械功率。可以说，SR电机正是利用了不断的能量储存，转换而获得高效，大功率的性能。2.1.2转矩平衡方程式当电动机电磁转矩与作用在电机上的负载转矩不相等时，转速就会发生

3、变化，产生角加速度。根据力学原理，可以写出这时的转矩平衡方程（2.5）或（2.6）（2.7）式中——系统转动惯量；——摩擦系数；——负载转矩。当SR电机稳态运行时，，则（2.8）电磁转矩可以写为磁共能的函数（2.9）或（2.10）SR电机的基本方程可以写成为41湖南工业大学本科毕业设计（论文）（2.11）由于电路，磁路的非线性和开关性，使得（2.11）描叙的基本平衡方程实际上难以计算，通常需根据具体运行状态和研究项目的进行必要的简化，因此可以采用线性模型，准线性模型和非线性模型的求解方法。2.2分马力开关磁阻电机的线性模式分析影响SRD运行特性的最主要因素是SR

4、电动机相电流波形、电流的峰值和峰值出现的位置。然而，SR电动机运行时绕组电流既非恒定直流量，亦非交变的正弦量，而且其波形还随着电动机的运行状态而变化。为弄清SR电动机内部的基本电磁关系和基本特性，实用上，可从简化的线性模型入手进行分析。下面以转子只有一对凸极为例说明开关磁阻电动机的工作原理，定子磁极上装有绕组，径向的一对绕组以串联或并联方式连接在一起。当电动机绕组通电流时，转子磁极企图和定子磁极保持在一条轴线上，从而产生转矩。因为电动机转矩的产生的基本原理是电感的增加或磁阻的减小，因此电流的方向和转矩无关。通常，电动机定子相绕组的电压方程为（2.12）式中U为电

5、动机绕组的瞬时电压，为电动机的瞬时电流，为磁链变化率。如果忽略电动机的电阻，则（2.13）式中为电动机绕组的匝数，是每匝的平均磁通。假定电动机的磁路不饱和，即绕组的自感L与电流的大小无关，只是转子位置角的函数，若忽略绕组间的互感，则（2.14）41湖南工业大学本科毕业设计（论文）式中为角速度，为切割电势，当转子静止或为0时，等于0。由电机定子、转子的极数和磁极形状等参数所决定。图b为理想化的每电感的变化曲线。相应的转矩特性曲线示于图c，由式(2.10)可以看出，当为正时，转矩值为正；当比为负时，转矩值为负；当等于0时电动机不能产生转矩。为了产生正转方向的转矩，应

6、该在为正时让电动机绕组通以电流；为了产生反转方向的转矩，应该在以为负时，在电动机绕组中通以电流。因此需要转子位置传感器以决定电动机电流的开始和结束时刻。理想的电流波形是在为正时，通以恒定的方波电流。由于电动机存在电感，电流的上升需要一定的时间，实际的电压和电流波形如图b，c所示，电流的平均值与电流的峰值及其导通时间有关(即与电流的通断角有关)。图中以为直流电源电压。电力半导体器件在时刻导通，称为导通角；为晶闸管的关断角，在时电源流向电动机。在时刻电动机绕组的电流切断。在期间，能量经续流二极管由电动机回馈到电源。在电动机稳态运行时，通常有。(a)理想的电流波形(b

7、)实际的电流波形(c)实际的电压和磁通波形(d)采用斩波方式的电流波形图2.1开关磁阻电动机的运行实际上，开断角处在最大电感区域达到之前，如图b所示，在负转矩出现之前有电流流动。在高速电动机中，只需适当提前以保证在进入电感变化区域时电流有足够的上升时间。为了限制电流不超过某一数值，常采用PWM斩波方式，如图d所示。开关磁阻电动机具有较高的性能价格比，在工业中已经实际应用。有文献分析，开关磁阻电动机的单位体积所产生的功率和转矩可以和异步电动机相比较，但是转矩与惯量之比比异步电动机大。它的运行效率以及输出同样轴功率的变流装置容量与采用PWM控制的异步电动机相当。开关

8、磁阻电动机调速系统的主要