开关磁阻电机性能的研究与优化设计
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。
开关磁阻电机三种控制策略研究
开关磁阻电机三种控制策略研究开关磁阻电机结构简单、调速便利，但是其双凸结构及电磁非线性特性严重制约它在工业领域的应用。
基于文章设计的TMS320LF28335的开关磁阻电机调速系统，在不同矩速区实现了电流斩波控制、电压斩波控制和角度位置控制三种控制模式。
并分类阐述了三种控制策略的优缺点，分析了其应用范围。
标签：开关磁阻电机；三种控制模式；开关磁阻电机调速系统1 概述开关磁阻电机因其结构简单坚固、成本低廉、控制参数多、效率高、适于高速与恶劣环境运行等优点越来越受到市场的喜爱，但是其电机本身其非线性与转矩脉动大特点限制SR电机在工业领域的广泛应用[1]。
文章中的开关磁阻电机调速系统是以德州仪器公司的TMS320LF28335为控制器，响应速度快、具有丰富的I/O口，能产生16路的PWM（脉宽调制），硬件结构简单。
性能优良。
SR电机可控参数多、控制灵活，在对SR电机建立线性模型后，在不同励磁方式，可分为三种不同的控制模式：电流斩波控制（CCC）、电压斩波控制（CVC）、角度位置控制（APC）[2]。
2 SRD系统结构与特点开关磁阻电机调速系统（简称SRD）由开关磁阻电机、功率电路、控制器以及位置、电流检测装置组成，如图1所示。
SR电机是开关磁阻电机调速系统中实现机电能量转换的部件。
功率电路把交流电变为电机可接受脉冲直流电，在SRD系统中，功率电路具有十分重要的作用。
控制器是SRD系统的大脑。
电流传感器、位置传感器提供的反馈信息都由控制器进行分析处理，并据此对电路中IGBT的关断作出判断，实现对SR电机的控制，电流检测：检测电机相绕组的电流大小，實现系统电流反馈信息。
位置检测：用绝对编码器检测定转子相对位置，为控制器作出换相操作及计算电机转速提供信号。
3 三种控制模式开关磁阻电机可控参数多，包括电机相电压UK、相电流iK、开通角θon和关断角角θoff等参数，根据不同的矩速区采取不同的控制方式，通常分为以下三种控制方式：电流斩波控制（Current Chopping Control，简称CCC）、电压斩波控制方式（Chopping V oltage Control 简称CVC）、角度位置控制（AngularPositionContro，简称APC），在不同的转速采用不同的控制方式，下边我们详细介绍我们系统如何实现这三种控制方法。
86极单绕组磁悬浮开关磁阻电机的关键参数优化与控制的开题报告
86极单绕组磁悬浮开关磁阻电机的关键参数优化与
控制的开题报告
1.研究背景与意义
磁悬浮技术已经被广泛应用于高速列车、风力发电机、离心式压缩机、空气分离机等领域。
其中，磁悬浮开关磁阻电机由于具有结构简单、节能、稳定性好、几乎无摩擦损耗等优点而备受关注。
然而，为了达到
理想的运行效率和精度，需要对控制系统进行优化，并以此为基础，对
关键参数进行深度研究，以进一步优化磁悬浮开关磁阻电机的性能。
2.研究内容
（1）磁悬浮开关磁阻电机的基本原理和结构，建立数学模型；
（2）确定磁悬浮开关磁阻电机的关键参数，如气隙长度、磁阻系数、磁场分布等；
（3）对关键参数进行优化，通过仿真和实验的方法验证优化结果；
（4）设计控制系统，进行控制策略研究；
（5）进行磁悬浮开关磁阻电机的性能评价。
3.研究方法
采用理论分析、数值计算、仿真模拟和实验验证相结合的方法，以
控制理论和电磁理论为基础，对磁悬浮开关磁阻电机的关键参数进行分
析和优化，并设计控制系统进行研究。
4.预期成果
通过对磁悬浮开关磁阻电机关键参数的优化和控制系统的设计，实
现磁悬浮开关磁阻电机的高效、稳定运行和高精度控制，具有很高的应
用价值和推广前景。
开关磁阻电机
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开关磁阻电机的工作原理
SRM的工作原理
• 电磁感应原理：转子绕组切割磁力线产生感应电动势 • 磁阻变化原理：定子凸极与转子凸极相对位置变化导致 磁阻变化 • 扭矩产生：磁阻变化产生电磁扭矩，驱动转子旋转
SRM的运转过程
• 启动阶段：电流通过定子绕组产生磁场，转子开始旋转 • 运行阶段：转子转速增加，磁阻变化减小，电流逐渐减 小 • 停止阶段：转子停止旋转，磁阻变化消失，电流降至零
应用领域的拓展
• 新能源汽车：提高电动汽车性能，降低能耗 • 家用电器：提高家用电器性能，降低能耗 • 工业自动化：提高生产效率，降低能耗
技术水平的提升
• 高性能电机的研究与应用：提高电机性能 • 新型控制策略的研究与应用：提高控制精度和响应速度 • 高性能驱动电路的研究与应用：提高驱动效率和可靠性
开关磁阻电机的技术发展趋势
高性能材料的应用
• 高磁能永磁材料：提高电机磁能密度 • 高强度绝缘材料：提高电机绝缘性能 • 高导热材料：提高电机散热性能
高性能电机设计
• 优化磁路设计：提高电机效率和扭矩 • 优化绕组设计：降低铜损，提高效率 • 优化轴承设计：提高电机运行稳定性
开关磁阻电机的研究热点与挑战
研究热点
• 新型控制策略：提高控制精度和响应速度 • 高性能驱动电路：提高驱动效率和可靠性 • 高性能材料的研究与应用：提高电机性能
挑战
• 高效率与高性能的平衡：提高电机效率，同时保持高性能 • 控制策略的优化：实现精确控制，提高系统性能 • 制造工艺的改进：提高电机制造工艺水平，降低成本
开关磁阻电机的未来展望
开关磁阻电机磁极结构优化与工程设计软件研发.pdf
表２．１常见电机主要参数的典型取值Ｔａｂｌｅ２－ｌＴｈｅｍａｉｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｙｐｉｃａｌｖａｌｕｅｓｏｆｃｏｍｍｏｎｍｏｔｏｒ相数ⅣｓＭ见／Ｄ，８ｓ８ｔ三相６４Ｏ．５３００３２。
三相１２８０．５７１６。
１５。
四相８６０．５３２３０２１。
２．铁心长度与转子外径的比值兄，定义五讹，其中厶是铁心长度，名的取值严重影响着电机的性能指标和经济指标，当取值较大时，电机较细长，电机绕组端部的长度占整个绕组的比例相对很小，因此电机的整体铜量较少，这种细长的铁心也使端部磁场的影响减弱，这样一来，在二维模型下计算得到的磁化曲线的误差减小。
同时电机的转动惯量较小，对电机的起动和调速性能有很好的帮助，但也使得电机的通风条件变差；反之，当比值较小时，电机相对较粗短，此时的情况正好相反幢引。
参考中小型交流电机的经验数据，兄一般取值为Ｏ．５～３．０。
本文取值为１．２，即铁心长度ｌａ＝；ｔ．Ｄａ＝１３５．５ｍｍ３．开关磁阻电机实际上存在着两个气隙，通常提到的气隙ｇ是指定子极表面与转子磁极表面之间空气的距离，也称为第一气隙，另一个气隙∥指的是定子磁极表面到转子槽底之间的气隙，通常被称为第二气隙，他们分别影响着电机电感的最大值和最小值。
小型电机的气隙通常不小于０．２５ｍｍ，为了减小电机的振动和噪声，应该适当的增大气隙的取值，一般情况下，开关磁阻电机的气隙等于或者稍微小于同容量的异步电机的气隙船¨。
综合实际，取气隙ｇ＝０．４ｍｍ。
４．选取转子轭高ｋ时，应保证轭部铁心出现最大磁通密度时不会达到过饱和，考虑到存在两相以上绕组同时导通的情况，轭高较好的取值是：ｈＣｉ＂＝（１．２－１．４）等（２－２４）式中，ｋ是转子的极宽，在不影响转轴强度情况下，ｋ可以取的相对较大的值，本文取ｈ。
：１５．７７ｍｍ，定子轭高ｈ。
的选取同转子轭高相同。
５．每相绕组串联匝数的确定。
由开关磁阻电机的方程可知，每相绕组的·串联匝数如公式（２－２５）所示通过上面公式计算得Ｎｐｈ＝７６。
开关磁阻电机控制器硬件系统研究与设计的开题报告
开关磁阻电机控制器硬件系统研究与设计的开题报告一、研究背景随着现代技术的不断进步，磁阻电机在工业生产中得到了广泛的应用。
磁阻电机具有结构简单、体积小、噪声低、寿命长等优点，同样也具有可调速、可逆转、扭矩平稳等特性，因此得到了广泛的关注和研究。
目前，磁阻电机的控制方式主要有开环控制和闭环控制两种，其中开环控制的优点是结构简单，并且成本低。
但是闭环控制却可以实现更为精确的控制，同时还可以避免负载变化对系统的干扰。
本文主要研究的是开关磁阻电机控制器硬件系统的设计与研究，通过硬件控制器的设计，实现对磁阻电机的精确控制。
二、研究内容本文的研究内容主要包括以下几个方面：1. 开关磁阻电机的基本原理和控制方法的研究。
2. 磁阻电机的模型建立与仿真分析。
3. 开关磁阻电机控制器硬件系统的设计与实现。
4. 控制器的软件模块的设计与研究。
5. 控制器性能测试与实验验证。
三、研究意义本文的研究意义主要有以下几个方面：1. 开关磁阻电机控制器硬件系统的设计与实现，可以提高磁阻电机的工作效率和控制精度，实现对磁阻电机的精确控制。
2. 通过对磁阻电机的调控，可以使其在工业制造中得到广泛的应用，同时还可以提高生产效率和降低成本。
3. 本文的研究成果可以为相关领域的研究者和工程师提供参考和指导，促进磁阻电机领域的技术发展。
四、研究方法本文采用的研究方法主要包括文献调研法、理论分析法、仿真分析法、实验验证法等。
其中，通过文献调研法，了解磁阻电机的基本原理和控制方法，并对磁阻电机的现有控制方式进行分析和评价；通过理论分析法，建立磁阻电机的数学模型，并对模型进行仿真分析；通过实验验证法，对研究成果进行实验验证，评估控制器的性能和实用价值。
五、预期成果1. 实现开关磁阻电机控制器硬件系统的设计与实现。
2. 对磁阻电机模型进行建模和仿真分析，实现对电机的精确控制。
3. 测试控制器的性能，评估其控制效果和实用价值。
4. 发表学术论文多篇，并将相关成果应用于实际生产中。
开关磁阻电机结构优化
开关磁阻电机结构优化现状与发展趋势摘要：作为一种新型调速驱动系统，开关磁阻电机以其结构简单、起动转矩大、稳定性高等优点在石油、航空、电动汽车等领域得到了发展和广泛应用。
然而这种电机自身存在转矩脉动大、噪声明显等缺陷，对其在某些特殊场合的进一步应用造成了不利的影响。
长期以来，为了进一步提高开关磁阻电机的各项性能，国内外研究者对开关磁阻电机的结构优化，开展了广泛、系统和深入地研究工作，取得了一些具有建设意义的成果。
因此，对上述研究工作，进行合理有序的梳理和评述，不但有利于掌握该领域研究动态，更有助于优化该领域发展思路。
鉴于此，本文在收集国内外开关磁阻电机结构优化文献的基础上，对其研究现状和发展方向进行了较为全面系统的探讨、分析与展望，以求能够为开关磁阻电机设计制造和运行检修水平的进一步提升，提供有益参考。
关键词：开关磁阻电机；绕线方式；励磁方式；电磁场逆问题；优化；发展动态0引言随着科学技术和工业化的快速发展，工业自动化程度的日益加深，电机的应用领域不断扩大。
现如今，国内外对电机的研究，尤其针对电机的技术方面，进行了更深入地研究。
诸如定、转子在更高电压的情况下，如何进一步优化其绝缘性能；考虑电机的电磁性能，对电机实行变速变频等优化控制；新产品开发中，广泛运用 ANSOFT、FLUENT、ANSYS 等软件从电机电磁场、机械强度和应力、转子动力特性、温升和温度场等方面进行有限元计算分析。
此外，如德国西门子公司、日本三菱电机有限公司等企业与上国内电机厂合作研究新型电机产品，技术上呈现优劣互补的特点，目前已研发出的新产品有如 VFD 同步电机、超高速永磁同步电机、高温超导电机、低温潜液泵电机等等。
本文将依托开关磁阻电机这一成果，对其技术优化方面作阐述总结。
1开关磁阻电机本体结构优化开关磁阻电机理论体系和计算电磁学的不断发展为电机结构的优化提供了基础，以国外的纽卡斯尔大学、利兹大学、东京理科大学，国内的南京航空航天大学、浙江大学、华中科技大学为代表的科研机构，提出了许多新型开关磁阻电机结构来改善其性能，基本可以概括为三个方面: 定子绕线方式优化、定转子结构优化、励磁方式优化。
开关磁阻电机设计与控制
开关磁阻电机的设计与驱动控制近年来，国内外关于开关磁阻电机的研究已取得一定的进展，已显示出其与其它电机在价格和可靠性等方面的潜在优势。
虽然SRM结构简单，但是用来分析SRM能量转换过程的数学方法却相对复杂。
由于SRM的双凸极结构和磁路的严重非线性以及脉冲供电方式，传统电机学的一些理论和分析方法已不再适用于SRM。
因此，研究SRM及其驱动系统无论是在理论上还是在工业应用中都具有重要意义。
利用电机电磁场理论和有限元数值计算方法对SRM进行电磁场分析和仿真是SRM研究中重要的一部分，它是整个电机设计和性能分析的基础。
传统的以路的观点进行电机性能分析的方法在SRM 上显现出很大的局限性，然而以场的观点，全面、系统的分析电机的性能，给电机的设计、性能分析与计算带来了很大的方便。
本章着眼于SRM的本体，根据传统电机设计理念与开关磁阻电机设计的特点，设计了一台功率为2.2kW的开关磁阻电机。
1.1开关磁阻电机设计及优化方法1.1.1电机建模与分析SRM的各种性能参数需要经过仿真才能得到，所以设计工作必须包含仿真部分，而仿真的前提是将SRM简化为数学模型。
几种常用的SRM磁链模型有：线性模型、准线性模型、非线性模型。
线性模型：较简单的模型，只要知道最大电感、最小电感以及定、转子极弧宽度就可以得到任意位置的电感，从而计算出磁链、转矩等。
但是，由于SRM一般运行于高饱和状态，磁路是非线性的，所以该方法缺乏可靠性。
准线性模型：将实际的非线性磁化曲线分段线性化，近似的考虑磁通边缘效应和磁饱和效应，从而既克服了线性模型只能用于定性分析的缺陷，又能使问题解析计算有一定的精度。
最常用的准线性模型是用两段直线来代替同一位置角的实际磁化曲线。
该方法的缺点是没有考虑铁心的饱和，计算是二维的，但是因为其编程方便，得到了广泛的应用。
非线性模型：对于不同的励磁电流，磁链与转子位置曲线的中段均为直线，将其三段化后，只需计算出齿对齿，齿对槽两种情况下的磁化曲线，便可以相应的计算出中间任意位置的磁化曲线。
开关磁阻电机角度位置控制参数优化研究
％ 以 ８
数 的方 法来 提高 系统 的整 体性 能．
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收 稿 日期 ｔ０ １ ７ ０ ２ １ —０ —１
作 者 简 介 ｔ 彦 宇 （９ １ ， ， 师 ， 究方 向 ； 气 自动 化． 张 １８ 一） 男 讲 研 电
１ ４
湖南工 程学 院学报
Ｏ 引 言
开关 磁阻 电机 （ 以下简 称 Ｓ Ｄ） Ｒ 由磁 阻 电机 （ 简
１ Ｓ 电机 的 可 控 参 数 Ｒ
ｍ 相 Ｓ 电机 平 均转矩 解 析式为 Ｒ ］
称Ｓ ＲＭ） 功率变 换器 、检测 器及 控制 器组 成 ， 一 、 是
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式： ｒ一 ≤ （ ・ ） ， Ｎ 设置 为． ：
Ｐ ＝５ ５ｋ ， Ｎ １ ０ ／ ｉ ， ＝ ４ ０Ｖ，Ｎ Ｎ ． Ｗ Ｑ ＝ ９ ０ｒｒ ｎ ＵＮ ６ Ｊ ａ
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＝８ Ａ ， ｑ一 ４，Ｎ 。 ８， ｒ＝ ６， 一 Ｎ Ｌｕ一 １ ０
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Ｔ一 ≥ 曲ｍ （ ） ％一
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开关磁阻电机性能的研究与优化设计
开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor，简称SRM）是一种适用于高速、高效、高可靠性和低成本的电机。
它的特点是没有永磁体和绕组，通过磁阻来实现转矩产生。
本文将研究SRM的性能，并优化其设计。
首先，我们来分析SRM的性能。
SRM的核心是转子和定子，它们之间的间隙被称为磁阻。
在运行时，SRM通过改变定子和转子的磁阻来产生转矩，从而驱动负载。
与传统电机相比，SRM具有以下优点：结构简单、无永磁体、高效率、高可靠性和低成本。
然而，SRM也存在一些问题，如震动和噪音较大、起动困难、转矩脉动等。
因此，我们需要对SRM进行研究和优化设计，以提高其性能。
为了研究SRM的性能，我们可以从以下几个方面进行分析。
首先是电磁特性的研究。
我们可以通过建立数学模型来分析SRM的电磁特性，如磁场分布、磁阻变化和磁通变化等。
通过研究这些特性，我们可以了解SRM的工作原理和性能表现。
其次是电气特性的研究。
SRM的电气特性包括电流、电压和功率等。
我们可以通过实验和模拟来测量和分析这些特性，以了解SRM的工作状态和效果。
在研究电气特性时，我们还可以考虑SRM的控制方法，如直接转矩控制（Direct Torque Control，简称DTC）和传统的PWM控制方法等。
通过优化控制方法，我们可以提高SRM的响应速度、精度和效率。
第三是热力特性的研究。
SRM的工作会产生一定的热量，如果热量无法有效散发，会影响SRM的性能和寿命。
因此，我们可以通过热学分析来研究SRM的热力特性，如温升、热阻和散热方式等。
通过优化散热设计和材料选择，我们可以降低SRM的温升，提高其工作效率和稳定性。
最后是结构设计的研究。
SRM的结构设计直接影响其性能。
我们可以通过优化磁路设计、转子形状和定子绕组等方式来改善SRM的性能。
同时，我们还可以
考虑使用新材料和新工艺，如磁性复合材料和三维打印技术等，来提升SRM的性
能和制造效率。
总结起来，开关磁阻电机是一种有着很大潜力的电机，具有高速、高效、高可
靠性和低成本的优点。
为了进一步提高其性能，我们可以对其进行研究与优化设计。
通过分析电磁、电气、热力和结构等特性，我们可以深入了解SRM的工作原理和
性能表现，并通过优化控制方法、散热设计和材料选型等方式来提高其工作效率和稳定性。
未来，随着科技的发展和研究的深入，开关磁阻电机将在各个领域得到更广泛的应用。