开关磁阻电机的电磁设计方法
17 开关磁阻电机设计及控制
毕业设计报告书课题名称：开关磁阻电机设计及控制专业班级：电机制造及运行维护报告人：指导老师：报告日期：年月日2005/6/152005/6/15毕业设计(论文)任务书课题名称(包括主要技术参数)及要求:题 目: 开关磁阻电机设计及控制功 率：kw 15P N = 电源电压：相电压v 380U = 额定转速：m in /r 1500n = 额定效率：85.0≥η调速范围：min /200050r ∝ 运行方式：连续运行 绝缘等级: B课题内容及工作量:1. 了解开关磁阻电机原理、结构及控制2. 确定电机主要参数、主要尺寸3. 电磁方案计算4. 控制研究5. 编写设计说明书目录前言第一章开关型磁阻电机驱动系统的组成1.1 SRD基本结构1.2 SRD的工作原理1.3 SRD的特点1.4 SRD的研究动态第二章 SR电机工作原理和特点2.1 基本结构2.2 工作原理2.3 SR电机的特点第三章开关磁阻电动机电磁设计3.1 设计特点3.2 确定SR电动机额定数据3.3 计算SR电动机主要尺寸3.4 计算SR电动机其他尺寸3.5 选择导通角和磁负荷，计算绕组匝数3.6 核算SR电动机的额定转矩、额定电流3.7 计算槽满率、导线线径及每相绕组的电阻3.8 参数计算和校核额定效率3.9 计算机辅助设计程序第四章 SRD的基本控制原理4.1 基本控制策略4.2 正反转控制4.3 SR电动机的起动运行4.4 低速斩波控制4.5 高速单脉冲控制第五章 SRD系统控制原理设计5.1 控制系统的总体设计5.2 控制器的设计5.3 电流检测器的设计5.4 位置检测器的设计5.5 功率变换器的设计第六章 SR电动机运行时的转矩脉动与噪声6.1 SR电动机的转矩脉动分析6.2 SR电动机的噪声分析第七章开关磁阻电动机应用概况7.1 SRD系统在电动车方面的应用7.2 SRD系统在家用电器方面的应用2005/6/15第八章结束语第九章参考资料附录：参观实习报告摘要：在此次设计中，主要是系统的介绍开关磁阻电动机驱动系统的基本结构和基本工作原理，并依此为基础简要的进行开关磁阻电动机驱动系统的设计；重点分析和详细的说明了开关磁阻电动机驱动系统的执行元件开关磁阻电动机的结构、控制原理和控制策略，并根据给定的电动机的额定数据进行电机的主要参数、主要尺寸、电磁方案的计算、性能的核算和控制方案研究关键词：开关磁阻电动机驱动系统开关磁阻电动机电磁设计控制方案研究转矩的脉动与噪声2005/6/15前言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（效率、功率因数、利用系数等〕不高的电动机，故仅应用于少数小功率场所。
一种Hall开关磁阻电动机设计
ｔ Ｓ Ｍ）ｗ ｓｐｅｅ ｔ ｉ ｐ ｐｒ ｈ ｅｅａ ｐｏｅｓ ｆ ｔｔ ｎ ｏ ｒｏ Ｒ ｄ ｓ ｎｗ ｓｄ — ｏ ｒ（ Ｒ ａ ｒｓｎｅ ｉ ｔ ｓ ａ ｅ．Ｔ ｅｇｎ ｒ ｒｃ ｓ ｏ ａ ｒ ｄｒｔ ｆ Ｍ ｅｉ ａ ｅ ｄ ｎ ｈ ｌ ｓ ｏａ ｏ Ｓ ｇ
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０８ Ｐ ． ； 为电磁功率 ；Ａ 、Ｂ 为电磁负荷 ，一般
按相同容量 的异步电机选取 ；Ａ为细长 比（ ． Ａ＝１ ／
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开关磁阻电机的设计与应用
开关磁阻电机的设计与应用引言开关磁阻电机是一种新型的电机，具有结构简单、体积小、响应快、效率高等优点，在工业生产和家用电器等领域得到广泛应用。
本文将介绍开关磁阻电机的设计原理、构造和工作方式，并探讨其在不同领域的应用。
1. 开关磁阻电机的设计原理开关磁阻电机是通过控制磁场的方向和大小来实现转动，其设计原理基于磁阻效应和磁场的反转。
当电流通过绕组时，会产生一个磁场，根据右手定则，当磁阻材料中的磁场方向与绕组的磁场方向相反时，就会出现瞬时的磁流偏移，导致磁场的反转。
通过不断地反转磁场的方向，可以产生连续的转动力。
2. 开关磁阻电机的构造开关磁阻电机主要由转子、定子和驱动电路组成。
2.1 转子转子是开关磁阻电机的核心部件，由磁阻材料制成。
磁阻材料通常采用铁短路片或磁铁片，具有高导磁性和低磁饱和性。
转子上绕有线圈，通过控制线圈通电情况，可以控制转子的磁场方向和大小。
2.2 定子定子是开关磁阻电机中固定的部件，用于产生或感应磁场。
定子一般由永磁体或电磁体构成，永磁体具有固定的磁场，电磁体则通过外部电源提供磁场。
定子的磁场与转子的磁场交互作用，产生转动力。
2.3 驱动电路驱动电路是控制开关磁阻电机正常工作的关键部分，它负责提供正确的电流和电压信号，并控制磁场的反转。
驱动电路一般由电能转换器、控制芯片和传感器组成。
3. 开关磁阻电机的工作方式开关磁阻电机主要有两种工作方式：单相工作和多相工作。
3.1 单相工作单相工作是指开关磁阻电机通过单个绕组进行驱动，具有结构简单、成本低的优点。
但由于只有一个驱动绕组，单相工作的开关磁阻电机转速较低，扭矩较小，适用于一些低负载和速度要求不高的应用。
3.2 多相工作多相工作是指开关磁阻电机通过多个绕组进行驱动，具有转速高、扭矩大的优点。
多相工作的开关磁阻电机可以灵活控制磁场的变化，达到更高的效率和更精确的转动性能。
但多相工作的开关磁阻电机相对于单相工作来说，结构复杂，成本较高。
高速开关磁阻电机电磁解析分析方法
Ｓ Ｍ， Ｒ 不适 用 于高速运 行的低 极数 Ｓ 的基础 上 ， 导 了 Ｒ ／ Ｒ 推
４ ２极 高速 Ｓ Ｍ 三个 重要位 置 的磁化 曲线 计算 公式 ， 与有 限元 结果做 了对 比。 对额 定工 况下 的 ／ Ｒ 并 ４ ２极 Ｓ Ｍ 样 机进行 了转矩校 验 ， 出了传 统校验 法 的不足 ， 出 了新 的校 验 方 法。最后 ， 虑 电 ／ Ｒ 指 提 考
第ｌ ４卷
第 ９期
电 机 与 控 制 学 报
Ｅ ＬＥＣＴＲＩ Ｃ Ｍ Ａ ＣＨ Ｉ ＥＳ Ａ Ｎ Ｄ ＣＯ ＮＴＲ ＯＬ Ｎ
Ｖ０＿１ Ｎｏ ９ ｌ ４ ．
Ｓ ｐ． ２ ０ ｅ ０１
２１ ０ ０年 ９月
高 速开 关磁 阻电机 电磁 解 析 分 析 方法
裴 丽娜 葛 宝 明 ， 毕 大 强 孙 东森 ， ，
ｔ ｃ ｔｒ（ Ｒ ．Ｔ ｅｅ ａｅ ｓｍｅｃｍｐ ｔ ｉ ａ ｆ ｍ ｌｓｆｒｌ — ｅｄ ｍ ｔｒ ｗｔ ｕｔｐｌｓ ａ ｅｍｏ ｎ ｏ Ｓ Ｍ） ｈ ｒ ｒ ｏ ｏ ｕａ ｏ ｌ ｏ ｕａ ｏ ｓ ｅ ｏ ｓ ｉ ｍ ｌ—ｏ ， ｔｎ ｒ ｏ ｗ ｐ ｏ ｈ ｉ ｅ
（ ． 京 交 通 大 学 电 气 工程 学 院 ， 京 １０ ４ ２ 清华 大 学 电力 系统 国家 重 点 实 验 室 ， 京 １０ ８ ） １北 北 ０ ０４； ． 北 ００ ４
摘
要 ： 化 曲线计 算是 Ｓ Ｍ 解 析 计 算 的 关键 ， 有 的磁 化 曲 线计 算 公 式 大 多针 对 多极数 低 速 磁 Ｒ 现
机 自起 动 能力 ， 化 了电机转 子结构 。 优
关键词 ：高速 电机 ；开 关磁 阻电机 ； 化 曲线 ；转矩校 验 ；自起 动 磁
开关磁阻电机的电磁设计
开关磁阻电机的电磁设计开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor，简称SRM）是一种利用磁阻力产生转矩的电机。
在SRM电机中，转动部件是一个由一系列磁场互相耦合的铁磁材料构成的转子，它和定子之间没有任何电磁感应元件。
因此，SRM电机具有许多优点，例如结构简单、容量小、重量轻、高效率以及低成本等。
SRM电机的电磁设计是SRM电机设计中的一个重要环节。
其设计目标是使电机的转矩和功率因数优化，并使其达到高效率运行。
为了实现这个目标，需要进行以下几个方面的电磁设计。
首先，需要确定电机的工作原理和各种性能指标。
在SRM电机的设计中，常用的工作原理是磁阻推力原理。
在该原理下，通过改变定子上电流的大小和方向，可以产生一个斥力，进而驱动转子转动。
因此，需要确定电机的定子电流和栅极火花的位置和数量等参数。
其次，需要进行电机的磁路设计。
磁路设计主要包括定子和转子的磁路结构设计。
在定子的磁路设计中，需要确定定子的槽形和定子线圈的绕组方式。
在转子的磁路设计中，需要确定转子的磁阻分布和转子磁通闭合的路径。
通过对定子和转子的磁路设计，可以优化电机的磁通分布，提高电机的磁阻和转矩。
然后，需要进行电机的线圈设计。
线圈设计主要包括定子线圈和转子线圈设计。
定子线圈设计中，要考虑线圈元件的形状和尺寸，以及线圈的绕组结构和电流密度。
转子线圈设计中，要考虑转子线圈的尺寸和形状，以及线圈的绕组方式和电流密度。
通过优化线圈的设计，可以提高电机的工作效率和功率因数。
最后，需要进行电机的性能评估和优化设计。
性能评估主要包括电机的转矩、功率因数、效率等。
通过对电机的性能进行评估，可以找出电机的不足之处，进行相应的优化设计，以提高电机的性能。
总之，SRM电机的电磁设计是SRM电机设计中的一个重要环节。
通过合理的电磁设计，可以提高电机的转矩和效率，实现电机的高效运行。
但是，电磁设计还需要考虑其他因素，如电机的机械设计、控制系统设计等。
开关磁阻电机系统设计
前言８0年代以后,开关磁阻电机调速系统的性能指标高于其他传统的传动系统。
因以结构简单、运作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有力的竞争者。
目前,开关磁阻电机已广泛应用于纺织、冶金、机械、石油、化工、航空、交通运输等行业。
美国、英国、韩国已在家用电器中进行了应用，并取得了良好的效果。
开关磁阻电动机是磁阻电机与电子开关驱动控制器组成一体的控制装置，又称开关磁阻电动机调速系统。
它融新型电动机结构与现代电力电子技术、控制技术一体，兼有交流变频调速系统的电动机结构简单、坚固耐用、无刷、无整流子和直流调速系统的调速性能好、控制电路简单、输出特性变化灵活、能频繁正反转和起、制动、在负载和转速变化时均有较高效率以及能适应恶劣环境等优点，是一种性能价格比较高的无级调速系统。
它有许多卓越的性能,如：①启动特性好,启动电流小,为额定电流的３０%，而启动转矩是额定转矩的2～3倍；②低速特性好,真正意义上的永恒转矩;③调速范围广，稳速精度高;④标准的四象限运行，在有良好的启动性能的同时,还具有出色的制动性能；⑤效率高,即在全调速范围内的高效率,节约能源是其突出的优点。
需要特别说明的是，本设计是在老师谢卫才的悉心指导下完成的,同时,同组同学也给了很大的帮助,是大家同心协力辛勤工作的成果。
论文编写过程中还吸取了谢卫才老师的殷殷教诲。
作者还要特别感谢本班同学向滔、尹湘宇、米建华等在设计过程中给予的关心、意见和支持。
鉴于作者对相关领域知识的了解深度和对可编程逻辑器件本身认识的局限性，文中难免有不足和谬误之处,诚挚地希望老师们批评指正。
ﻬ目录摘要................................................. .．.ⅢAＢSTRAＣT (Ⅳ)第1章概述 (1)1．1关磁阻电机的优点与缺点ﻩ2１.1.1开关磁阻电机的优点:ﻩ21.1．2 开关磁阻电机的缺点ﻩ21.2 开关磁阻电动机应用和发展............................. ２第2章开关磁阻电动机工作原理与结构ﻩ４2．1 开关磁阻电动机的工作原理 (5)2.1．1 基本结构ﻩ52.1.2 SRD的工作原理 (5)2.1.3 SRＤ的特点 (5)2.２开关磁阻电动机的结构 (5)第３章开关磁阻电动机电磁设计 (9)3.１设计特点............................................. ９3．2 确定SＲ电动机额定数据 (9)３．３计算ＳＲ电动机的主要尺寸ﻩ93.4 计算机辅助设计程序................................. 1３第4章 SＲＤ系统控制原理设计 ................. 错误!未定义书签。
开关磁阻发电机设计
开关磁阻发电机设计
设计一台开关磁阻发电机的步骤如下：
1. 确定发电机的功率需求：确定所需的电力输出，这将有助于确定所需的磁阻发电机的尺寸和特性。
2. 选择磁性材料：选择合适的磁性材料作为发电机的核心。
通常，钢或铁是常用的磁性材料。
3. 设计线圈：根据功率需求和磁阻发电机的尺寸，设计合适的线圈。
线圈应具有适当的电阻和电容特性。
4. 安装控制开关：将控制开关安装在发电机的适当位置。
这个开关用于调整发电机的输出功率。
5. 安装输出装置：将发电机的输出装置连接到所需的电路或设备上。
这可以是插座、电池或其他电力系统。
6. 测试和调整：在实际使用之前，对发电机进行测试和调整。
确保发电机能够按预期工作，并满足所需的功率输出。
要注意的事项：
- 磁阻发电机的设计应遵循相关的电气和机械安全标准。
- 在设计和安装过程中，要考虑发电机的散热和绝缘问题，以确保安全和高效的操作。
- 如果对发电机的设计和安装不熟悉，最好请专业人士进行咨询和指导。
E形分块定子开关磁阻电机的电磁设计
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2010 年5 月摘要开关型磁阻电动机驱动系统(Switched Reluctance Drive，简称SRD电动机)。
是20世纪80年代迅猛发展起来的一种新型调速电机驱动系统。
它是由功率变换电路、双凸极磁阻电机、控制器及位置检测器构成。
它的结构极其简单，调速范围宽，调速性能优异，而且在整个调速范围内都具有较高的效率，系统可靠性高，是各国研究和开发的热点之一。
本文介绍了开关磁阻电机的发展历史,应用领域以及它的优点；对三相6/4结构的开关磁阻电机与四相8/6结构的开关磁阻电机进行了比较；对开关磁阻电机的电磁设计与参数优化进行了分析与研究，简单介绍了ANSYS软件在开关磁阻电机电磁分析中的应用；提出8/6结构开关磁阻电机的一种设计方案；并对开关磁阻电机的磁通波形和电机损耗进行了分析。
关键词: 开关磁阻电机，磁场，电磁设计，参数优化ABSTRACTThe switched reluctance drive (SRD) is a new-type drived-electromotor system which develops rapidly since 1980, and consists of power converter circuits、the doubly-salient reluctance motor、the controller and the examination of position. The structure of the SRD is simple. It has a wide range and excellent performance in speed. It also has a high efficiency and high reliability. So the SRD is one of the hot spots which is studied and designed all over the world.This thesie introduced the SRD development history, the application domain as well as its merit; comparison to the three-phase 6/4 structure SRD with four-phase 8/6 structure SRD overall performance. also analysis and research SRD electromagnetism design and parameter optimization, and introduced ANSYS software in SRD electromagnetism analysis application; Proposes 8/6 structure SRD one kind of design proposal; And analysis to the switched reluctance drive magnetic flux profile and the loss of machine.Keywords:switched reluctance motor, magnetic field, electromagn- etism design, parameter optimization目录第1章绪论 (1)1.1 开关磁阻电机发展历史 (1)1.2 开关磁阻电机工作原理及优越性简介 (1)1.3 开关磁阻电机的应用 (2)1.3.1 电动车中的应用 (2)1.3.2 纺织工业中的应用 (3)1.3.3 焦炭工业中的应用 (3)1.4开关磁阻电机的发展趋势 (4)第2章分马力开关磁阻电机的机理分析 (6)2.1 分马力开关磁阻电机的平衡基本方程 (6)2.1.1 转矩平衡方程 (7)2.2 分马力开关磁阻电机线性模式分析 (8)2.3 SR电机的运行特性分析 (11)第3章分马力开关磁阻电机的电磁设计及参数优化 (17)3.1ANSYS软件在开关磁阻电机电磁分析中的应用 (17)3.1.1 ANSYS软件简介 (17)3.1.2 ANSYS电磁场分析 (17)3.1.3 ANSYS具体分析方法 (17)3.1.4 应用实例 (18)3.1.5 ANSYS软件在电磁分析中应用前景 (19)3.2定、转子极弧的确定 (20)3.3 主要尺寸与电磁负荷的关系 (21)3.4主要尺寸的确定 (22)3.5 其他参数的确定 (24)3.5.1 绕组端电压 (24)3.5.2 转子轭高 (26)3.5.3 转子轴径 (26)3.5.4 定子轭高 (26)3.5.5 定子槽深 (27)3.5.6 气隙 (27)3.6 分马力开关磁阻电机电磁设计实例 (27)3.7 电磁设计例小结 (33)3.8 优化设计 (33)3.8.1 目标函数 (33)3.8.2 优化变量 (34)3.8.3 约束条件 (34)3.9 SR与其他电机的有关比较 (35)3.9.1 SR与步进电机驱动系统的比较 (35)3.9.2 SR与异步电机变频调速的比较 (36)第4章分马力开关磁阻电机的磁通波形和损耗计算 (38)4.1 分马力开关磁阻电机的磁通波形 (38)4.1.1 引言 (38)4.1.2 基本频率 (38)4.1.3 理想线性模式下的磁通波形 (39)4.2 分马力开关磁阻电机的损耗计算 (42)4.2.1 引言 (42)4.2.2 铁心损耗的计算 (42)4.2.3 其他损耗的计算 (43)结论 (46)参考文献 (47)致谢 (48)附录1 英文资料原文 (49)附录2英文资料译文 (55)第1章绪论1.1 开关磁阻电机的发展历史开关磁阻电机是80年代随着电力电子、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有力的竞争者，引起各国学者和企业界的广泛关注。
跨国电机公司Emerson电气公司还将开关磁阻电机视为其下世纪调速驱动系统的新的技术、经济增长点。
目前开关磁阻电机已广泛或开始应用于工业、航空业和家用电器等各个领域。
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（Switched Reluctance Motor, SRM）雏形，这是关于开关磁阻电机最早的研究。
1972年，进一步对带半导体开关的小功率电动机（10w～1kw）进行了研究。
到了1975年有了实质性的进展，并一直发展到可以为50kw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。
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、结构形式等方面进行了更加深入的研究。
1.2 分马力开关磁阻电机工作原理与优越性简介开关磁阻电动机驱动系统（SRD）是较为复杂的机电一体化装置，SRD的运行需要在线实时检测的反馈量一般有转子位置、速度及电流等，然后根据控制目标综合这些信息给出控制指令，实现运行控制及保护等功能。
转子位置检测环节是SRD的重要组成部分，检测到的转子位置信号是各相主开关器件正进行逻辑切换的根据，也为速度控制环节提供了速度反馈信号。
开关磁阻电机具有再生的能力，系统效率高。
对开关磁阻电机的理论研究和实践证明，该系统具有许多显著的优点。
电机结构简单、坚固，制造工艺简单，成本低，可工作于极高转速；定子线圈嵌放容易，端部短而牢固，工作可靠，能适用于各种恶劣、高温甚至强振动环境；损耗主要产生在定子，电机易于冷却；转子无永磁体，可允许有较高的温升；转矩方向与电流方向无关，从而可最大限度简化功率变换器，降低系统成本；功率变换器不会出现直通故障，可靠性高；起动转矩大，低速性能好，无感应电动机在起动时所出现的冲击电流现象。
与当前广泛应用的变频调速感应电动机相比，开关磁阻电机在成本、效率、调速性能、单位体积功率、可靠性、散热性等都具有明显的优势或竞争力。
如果说第一代开关磁阻电机在小功率范围的效率比高效变频调速感应电动机低，第二代开关磁阻电机的效率已全面超过了高效变频调速感应电动机。
更难得的是，开关磁阻电机在宽广的速度和功率范围内都能保持较高的效率，这是变频调速感应电动机难以比拟的。
感应电动机要取得与直流电机相近的调速特性需采用复杂的矢量控制系统，而开关磁阻电机通过调整开通角、关断角、电压和电流，可以得到不同负载要求的机械特性，控制简单、灵活，能容易地实现软启动和四象限运行，而且由于这是一种纯逻辑的控制方式，很容易智能化，通过修改软件调整电机工作特性满足不同应用要求。
由于开关磁阻电机固有的转矩波动，可能导致较大的噪声和振动，事实上这种情况的发生往往与电机设计和控制的不合理相关，通过优化电机设计和控制策略，转矩波动和噪声完全可以得到有效的抑制，正确认识到这一点对开关磁阻电机的开发和应用是很重要的。
SRD Ltd.公司开发的伺服应用开关磁阻电机，转矩波动仅为0.05%。
近年研究的最优励磁控制策略、两次换流控制策略、电机噪声根源、定子振动模态、定子固有频率计算等成果对降低电机噪声都有积极的促进作用。
随着设计和制造水平的提高，噪声必将进一步降低。
1.3分马力开关磁阻电机的应用近年来，开关磁阻电机的应用和发展取得了明显的进步，已成功地应用于电动车驱动、通用工业、家用电器和纺织机械等各个领域，功率范围从10W到5MW，最大速度高达100000 r/min。
1.3.1电动车中的应用开关磁阻电机最初的应用领域就是电动车。
目前电动摩托车和电动自行车的驱动电机主要有永磁无刷及永磁有刷两种，然而采用开关磁阻电机驱动有其独特的优势。
当高能量密度和系统效率为关键指标时，开关磁阻电机变为首选对象。
SRD开关磁阻电机驱动系统的电机结构紧凑牢固，适合于高速运行，并且驱动电路简单成本低、性能可靠，在宽广的转速范围内效率都比较高，而且可以方便地实现四象限控制。