开关磁阻电机的电磁设计方法(学术参考)
开关磁阻电机PPT课件
当电机低速运行时，im很大，必须限幅
电流斩波控制方式 （CCC）
2.4 ψ-i曲线
得到SR电动机各部分的磁通、磁阻 不同转子位置角下的磁化曲线ψ＝f(i)。
φ
在线性模型中，电感L 仅是位置角θ的函数 而与电流无关，因此 对某一θ来讲， ψ＝ Li为一直线。
i
φ i
SR电机线性模型
2.5 转矩与功率
dt 2
2 dt
ui d (1 Li2 ) 1 i2 dL
d 2
2 d
ui d (1 Li2 ) 1 i2 dL
d 2
2 d
当开关导通，单位时间内输入电能ui 一部分增加磁场储能 (1 Li2 )
2
一部分转化为机械能 (1 i2 dL )
当开关关断
2 d
dL 0
d
dL 0
d
一部分转化为机械能 一部分磁场储能返回电源
波变化，不随电流改变
随电流改变。
四相8/6极SR电机定转子实物
1.1.2 功率变换器
能量提供者 包括直流电源和开关器件
1.1.3 控制器和位置检测器
控制器要求具有下述性能： （１）电流斩波控制 （２）角度位置控制 （３）起动，制动，停车及四象限运行 （４）调速 位置检测器提供转子位置信号，使控制器决定
理想SR模型 定子绕阻电感L与绕阻电流i无关 极尖的磁通边缘效应忽略不计 磁导率μ∞ 忽略所有功率损耗 开关动作瞬时完成 转子旋转角速度Ω=C
2.1 电感与转子位置角的关系
Lmin
L(
)
K (
1)
Lmax
Lmin
1 1 1 2 2 3
Lmax K ( 1) 3 4
d d
开关磁阻电机设计计算
开关磁阻电机设计计算
开关磁阻电机设计
(说明：红色部分是计算结果，兰色部分是输入的参数,橙色部分暂不可修改）1设计要求选定
功率（W）转速相数极对数电流线负荷603004112000最小齿宽系数长径比磁饱和度初值分齿数电压（V）
0.68750.80.91124 2能量转换系数
0.3505
3计算定子内径和铁心有效长度
气隙磁密动态转矩系数电机常数定子内径铁心有效长度
1.670.250.0118 5.43 4.3468
4励磁绕组电流计算
峰值电流（A）额定有效电流
5.2500 3.0781
5计算每相绕组匝数
等效气隙倍数定转子气隙（mm)最小/大磁比实际磁饱值每相匝数
1.250.380.2416
2.24
6定、转子齿宽计算
定子齿系数转子齿系数转子外径定子齿宽转子齿宽
0.750.6875 4.670.970.91
7绕组导线截面积计算
电流密度导线面积直径(mm)
60.51300.40
8定、转子齿高及轭高的计算
定子齿高转子齿高定、转子轭高定子槽面积槽满率
0.580.510.490.7 9转矩计算
转矩。
电动车用开关磁阻电机设计与优化方法
电动车用开关磁阻电机设计与优化方法摘要：随着人们生活水平日益提高，人均汽车占有量大幅度提升，传统汽车产生的尾气对环境造成了严重威胁，因此发展绿色交通工具成为当今社会的一个热点话题。
电动汽车具有噪音低、无污染和能源利用率高等特点，是比较理想的交通工具。
近年来电力电子技术不断发展，微电子、电机学、现代计算机技术和控制理论也开始完善，这都促使开关磁阻电机系统得到了飞速的发展。
目前已成功应用于电动车用驱动系统、家用电器、高速驱动、泵及风机等众多领域中，创造了巨大的经济效益，是直流电机调速系统、交流电机调速系统、无刷直流电机调速系统强有力的竞争者。
关键词：开关磁阻电机；设计；优化目前国家正大力发展新能源技术，电动车因势而起，得到了快速的发展，电动车作为一种新兴的代步用车，不仅绿色环保而且在未来有极大的发展潜力。
目前电动车驱动电机主要有永磁电机、异步电机、直流电机等。
作为一种新型电机，开关磁阻电机SRM由于其结构简单、制造成本低、调速范围宽、控制灵活且效率高等优点，与传统的电动车驱动电机相比有较大的竞争力，而且能满足电动车起动转矩大、起动电流小的需求，所以在电动车驱动领域中有较大的发展潜力。
一、开关磁阻电机基本原理开关磁阻电机依靠定、转子之间磁阻变化运行，当给定子其中一相绕组通电时，若定子极轴线和转子极轴线不重合，就会有磁阻力作用在转子上，使转子运动，直到两者轴线重合，磁阻力消失，在惯性作用下继续旋转一定角度，然后换相邻绕组通电，使转子继续转动[1]。
如图。
图中定子极上为定子线圈，标有箭头的绕组表示该相绕组通电，虚线表示磁力线，转子起动前的转角为0°。
在初始位置，A 相绕组通电，在磁力的作用下，距 A 相最近的转子极受力开始逆时针转动，使磁阻变小，转子旋转到5°，又旋转了10°，直到15°为止，转子不再转动，此时磁路最短。
为了使转子继续转动，必须在转子不受力时切断 A 相电源，同时接通 B 相，于是 B 相产生磁通，磁力线沿磁路最小的磁极通过转子，在磁力的作用下继续转动，直到转到30°之前，关断 B 相绕组电源并开通 C 相绕组，使转子继续转动，在转到45°之前接通 A 相绕组电源，以此类推，电机就会运行下去。
开关磁阻电机1.ppt
运动电动势 (转子位置改变)
机械运动方程：
d2
d
Te
J dt2
D dt
TL
式中 Te——电磁转矩； J—— 系 统 的 转 动 惯 量 ； K——摩擦系数；
TL——负载转矩。
电磁转矩：
SR电机的瞬时电磁转矩Te可由磁共能Wc导出：
Te
Wc (i, )
磁共能的表达式为：
Wc i (i, )di 0
SR电动机常用的相数与极数组合
相数
SR电机常用方案 34567
89
定子极数 6 8 10 12 14 16 18
转子极数 4 6 8 10 12 14 16
步进角(度) 30 15 9 6 4.28 3.21 2.5
相数与转矩、性能关系：
相数越大，转矩脉动越小，但成本越高，故常 用三相、四相，还有人在研究两相、单相SRM
5、需要根据定、转子相对位置投励。不能像普 通异步电机一样直接投入电网运行，需要与控制 器一同使用。
2.1.3 开关磁阻电动机的相数与结构
相数与级数关系
Ns 2km Nr Ns 2k)
1、为了避免单边磁拉力，径向必须对称，所以 双凸极的定子和转子齿槽数应为偶数。
2、定子和转子齿槽数不相等，但应尽量接近。 因为当定子和转子齿槽数相近时，就可能加大定 子相绕组电感随转角的平均变化率，这是提高电 机出力的重要因素。
各种不确定性干扰的新型控制策略 – 智能控制策略
• SR电机的无位置传感器控制 • • SR电机应用研究：电动车、发电机、一体化电机等
2.2 SR电机基本方程与性能分析
+
R1
i1
u1
d1/dt
-
+
《开关磁阻电机》课件
电动汽车的驱动系统需要能够提供更高的扭矩和功率，同时还要具备较 高的可靠性和效率。开关磁阻电机能够满足这些要求，因此在一些高端 电动汽车中得到了应用。
在工业领域的应用
工业领域是开关磁阻电机的重要应用领 域之一，特别是在需要高扭矩、高可靠
性、高效率和高寿命的场合。
发展
开关磁阻电机在发展过程中不断改进和优化，以提高效率、降低成本、减小体积和重量等方面取得显著进展。目 前，开关磁阻电机已经在工业自动化、电动车、家用电器等领域得到广泛应用。
特点与优势
特点
开关磁阻电机具有结构简单、成本低、可靠性高、效率高、调速范围宽等优点。
开关磁阻电机具有更高的能效和可靠性，适 用于需要频繁启动、制动和调速的场合。此外，开关磁阻电机的控制系统简单， 维护方便，适用于各种恶劣环境。
开关磁阻电机的设计、制造和控制系 统已经得到了很大的发展，但仍存在 一些挑战和问题需要进一步研究和解 决。
对未来研究的展望
随着技术的不断进步和应用需求的不断提高，开关磁阻电 机的性能和功能需要进一步优化和完善。
未来的研究将更加注重开关磁阻电机的智能化、高效化、 小型化和轻量化等方面的研究，以适应更加复杂和多变的 应用场景。
在工业领域中，开关磁阻电机主要用于 驱动各种机械设备，如压缩机、泵、风 机、传送带等。由于其高效、可靠、维 护成本低等优点，开关磁阻电机在工业
领域中得到了广泛应用。
在工业自动化和智能制造领域，开关磁 阻电机的高效性和可靠性也得到了广泛 应用，如机器人关节驱动、自动化生产
线等。
在家用电器领域的应用
家用电器是开关磁阻电机的重要应用领域之一，特别是在需要高效、低噪音、低 维护成本的家电产品中。
开关磁阻电机
下面通过图示来说明转子的工作 原理，下面是磁阻电动机的正视图，定子 六个齿极上绕有线圈，径向相对的两个线 圈是连接在一起的，组成一“相”，该电 机有3相，结合定子与转子的极数就称该电 机为三相6 / 4结构。在下图标注的A、B、 C相线圈仅为后面分析磁路带来方便，并不 是连接三相交流电。
主开关S1导通时，
电源对主绕组A供
电；当其关断时，
靠磁耦合将主绕
组A的电流转移到
副绕组，通过二
极管D1续流，向
电源回馈电能，
实现强迫换相。
早期使用的双绕组结构，每相有主、 副两个绕组，主、副绕组双线并绕，
同名端反接，其匝数比为1：1。
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3.3 主电路常见形式
双绕组型缺点： 1）由于主、副绕组之 间不可能完全耦合， 在S1关断的瞬间，因 漏磁及漏感作用，其 上会形成较高的尖峰 电压，故S1需要有良 好的吸收回路。 2）由于采用主、副两 个绕组，因而电机槽 及铜线利用率低。铜 耗增加、体积增大。
它具有调速系统兼具直流、交流两类调 速系统的优点。
英、美等经济发达国家对开关磁阻电动 机调速系统的研究起步较早，并已取得显著效果， 产品功率等级从数w直到数百kw，广泛应用于家 用电器、航空、航天、电子、机械及电动车辆等 领域。
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2.2
2.4 SRD机械结构
H桥型电路为4相SR电机最常 用的主电路形式
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3.4 开关磁阻电动机的相数与结构
开关磁阻电动机驱动系统设计
开关磁阻电动机驱动系统设计摘要开关磁阻电机作为上世纪80年代出现的一种新型机电一体化系统，具有非常优良的性能和广泛的应用发展前景。
与传统的交、直流调速系统相比，开关磁阻电机既保留了感应电机的绝大部分优点，而且具有控制器简单、运行可靠性高、控制灵活方便和价格便宜等突出特点。
而近来，随着电力电子技术和计算机技术的高速发展，开关磁阻电机驱动系统也与时俱进，日趋先进，在电动车、航空工业、家用电器和机械传动领域都有成功的应用，成为电气传动领域的新势力。
本次论文主要对开关磁阻电动机的驱动系统进行设计，以80C196KC单片机作为控制核心，得出基于位置传感器检测和电流检测的控制方案。
论文的理论基础是开关磁阻电动机的理想线性数学模型，通过研究开关磁阻电动机的控制特性、可控角、关断角、相电流、绕组端电压与控制策略之间的关系，进行系统的硬件电路和系统控制软件的设计。
论文通过对开关磁阻电动机驱动系统的每一个环节的设计，实现了电机的方便的正、反转控制和制动控制，并设计了比较完备的电流和电压保护环节，以保证系统的可靠运行。
关键词: 开关磁阻电机；开关磁阻电机驱动系统；控制系统；位置传感器；80C196KCABSTRACTSwitched reluctance motor as a new type of mechatronic systems appeared at the 80s of last century, with very good performance and wide application prospects. Comparing with the traditional AC and DC speed control systems, switched reluctance motor has retained most of the advantages of the induction motor, but also the controller is simple, reliable, flexible and inexpensive control and other prominent feature. And recently, with the the rapid development of power electronics technology and computer technology, switched reluctance motor drive systems becoming more advanced, Has been successfully applied to the electric car, the aviation industry, household appliances and mechanical drive system and become a new force in the field of electric drive.This paper focuses on the switched reluctance motor drive system which designed to Intel 80C196KC MCU As the core of control, location-based sensor and obtained current detection control program. The theoretical basis of this paper is ideal linear switched reluctance motor model, by studying the control characteristics of switched reluctance motor, controllable angle, turn-off angle, phase current, the winding terminal voltage and the relationship between the control strategy, then the system of hardware and system control software design.This paper by designing every aspect of switched reluctance motor, implementation of the motor which is easy turn t and brake , and then design a more complete link current and voltage protection to ensure reliable operation of the system .KeyWords: Switched Reluctance Motor; SRD; Control system; Position sensor; 80C196KC目录第1章绪论 (1)1.1课题背景 (1)1.2 SR电机与SR电机驱动系统概述 (1)1.2.1SR电机的基本结构及工作原理 (1)1.2.2SR电动机的特点 (2)1.3国内外SR电机驱动系统的研究现状及发展趋势 (2)1.3.1SR电动机的发展概况 (2)1.3.2SRD系统概述 (3)1.3.3SR电机的未来研究方向 (3)1.4课题研究的主要内容及意义 (4)第2章SR电机的数学建模及控制策略分析 (4)2.1引言 (4)2.2 SR电机的基本方程 (5)2.1.1电压方程 (5)2.2.2 磁链方程 (5)2.2.3机械运动方程 (5)2.2.4转矩公式 (6)2.3SR电动机的理想线性模型分析 (6)2.3.1SR电动机的理想线性模型 (6)2.3.2相绕组磁链方程 (7)2.3.3相绕组的电流方程 (8)2.3.4 电磁转矩 (9)2.4SR电机的控制策略 (10)2.4.1SR电机的基本运行特性 (10)2.4.2SR电动机的起动 (11)2.4.3SR电动机运行控制 (11)第3章SRD系统的设计原理 (12)3.1 SR电动机的换相原理 (12)3.2 SRD控制系统原理 (12)3.2.1 速度给定单元 (12)3.2.2转子位置检测单元 (13)3.2.3 数字速度PI调节器 (15)3.2.4 电流检测环节 (15)3.2.5 电流和电压斩波控制调节器 (16)3.2.6综合逻辑控制单元 (16)3.2.7功率变换器 (16)3.3 80C196KC单片机简介 (16)第4章SRD系统硬件电路设计 (17)4.1系统概述 (17)4.2位置检测电路 (19)4.3低速电流斩波器 (19)4.4高速电压斩波电路 (20)4.5故障检测电路 (20)4.6逻辑综合电路 (21)4.7功率主电路 (22)4.8 参数显示及外部接口电路 (23)4.9系统总电路图 (23)第5章软件控制 (24)5.1概述 (24)5.2主程序模块 (25)5.3起动控制模块 (26)5.4位置中断模块 (27)5.5控制算法模块 (28)5.6转速PI调节模块 (29)5.7定时器中断模块 (29)5.8故障保护及处理模块 (29)第6章总结 (31)参考文献 (32)附录 (33)翻译部分 (34)致谢............................................................................................................... 错误!未定义书签。
开关磁阻电机word
一、开关磁阻电机的结构开关磁阻电机是典型的机电一体化装置，由开关磁阻电机本体、位置传感器、控制和功率电路等部分组成，如图1所示。
位置传感器检测转子位置和速度信号，控制器根据这些信号决定绕组的导通和关断时刻，功率电路根据导通和关断信号为电机绕组供电。
图1 开关磁阻电机系统的组成如图2所示为开关磁阻电机本体的典型结构，由定子和转子两部分组成，定、转子铁心均由硅钢片叠压而成。
转子上既无绕组也无永磁铁；定子齿上绕有几种绕组，相对极上的绕组串联，构成一相绕组。
开关磁阻电机可以设计为单相、二相、三相、四相及多相等不同相数，低于三相的开关磁阻电机一般没有自启动能力。
相数多，有利于较小转矩波动，但结构复杂，主开关器件多，成本增加。
目前应用较多的是三相6/4极结构和四相8/6极结构。
图2 开关磁阻电机本体的经典结构表1 常见的定、转子级数组合二、开关磁阻电机的工作原理开关磁阻电机的运行遵循“磁阻最小原理”，即磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合，磁场扭曲产生切向力，从而产生电磁转矩。
下面通过图示来说明转子的工作原理，下面是磁阻电动机的正视图，定子六个齿极上绕有线圈，径向相对的两个线圈是连接在一起的，组成一“相”，该电机有3相，结合定子与转子的极数就称该电机为三相6 / 4结构。
在下图标注的A、B、C相线圈仅为后面分析磁路带来方便，并不是连接三相交流电。
假设电机定、转子的初始状态如图3。
B相线圈接通电源产生磁通，磁力线从最近的转子齿极通过转子铁芯，磁力线可看成极有弹力的线，在磁力的牵引下转子开始异时针转动；图4是转子转了10度的图，图5是B相对齐后的状态，磁力一直牵引转子与B相对齐为止不再转动，此时磁路最短。
图3 初始状态图4 转过10°后图5 B转至相对齐为了使转子继续转动，在转子转到与B相对齐后已切断B相电源，接通C相电源，磁通从最近的转子齿极通过转子铁芯，于是转子继续转动。
依次类推。
这样不停的重复下去，转子就会不停的旋转。
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教=学 1 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 教=学 2
ABSTRACT The 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 教=学 3
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 3.1 ANSYS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 教=学 4
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