开关磁阻电机发展概况及市场趋势

开关磁阻电机发展概况及市场趋势
开关磁阻电机发展概况及市场趋势

开关磁阻电机发展概况及市场趋势

发布人:kzcd 发布时间:2005-3-4

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、低成本、高效率、优良的调速性能和灵活的可控性,愈来愈得到人们的认可和应用。随着对开关磁阻电机认识的深入,其应用必将更为普遍。

关键词:开关磁阻电机、驱动系统

一、开关磁阻电机发展简介

开关磁阻电机是80年代初随着电力电子、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。

二、原理简介及优越性简介

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确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:

(1)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。

(2)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。

(3)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。

(4)功率变换器不会出现直通故障,可靠性高。

(5)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。

(6)调速范围宽,控制灵活,易于实现各种特殊要求的转矩-速度特性。

(7)在宽广的转速和功率范围内都具有高效率

(8)能四象限运行,具有较强的再生制动能力。

(9)容错能力强。开关磁阻电机的容错体现在电机某一相损坏,电机照样可以运行。

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(1983年研制)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(1988年研制)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。

三、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。

3.1 电动车应用

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。这些特点使SRD开关磁阻电机驱动系统很适合电动车辆的各种工况下运行,是电动车辆中极具有潜力的机种。SRD的最大特点是转矩脉动大,噪声大;此外,相对永磁电机而言,功率密度和效率偏低;另一个缺点是要使用位置传感器,增加了结构复杂性,降低了可靠性。因此无传感器的SRD也是未来的发展趋势之一。其优点主要表现在以下几个方面:

(1)开关磁阻电机不仅效率高,而且在很宽的功率和转速范围内都能保持高效率,这是其它类型驱动系统难以达到的。这种特性对电动车的运行情况尤为适合,有利于提高电动车的续驶里程。

(2)开关磁阻电机很容易通过采用适当的控制策略和系统设计满足电动车四象限运行的要求,并且还能在高速运行区域保持强有力的制动能力。

(3)开关磁阻电机有很好的散热特性,从而能以小的体积取得较大的输出功率,减小电机体积和重量。

(4)通过调整开通角和关断角,开关磁阻电机完全可以达到它激直流电机驱动系统良好的控制特性,而且这是一种纯逻辑的控制方式,很容易智能化,从而能通过重新编程或替换电路元件,方便地满足不同运行特性的要求。

(5)开关磁阻电机无论电机还是功率变换器都十分坚固可靠,无需或很少需要维护,适用于各种恶劣、高温环境,具有良好的适应性。3.2 纺织工业应用

近十多年来我国纺织机械行业的机电一体化水平有了较明显的提高,在新型纺织机械上普遍采用了机电一体化技术。这项技术的内容包含了先进的信息处理和控制技术,即以计算机为核心,有PLC、工控机、单片机、人机界面、现场总线等组成的控制系统;先进的驱动技术,有变频调速,交流伺服,步进电机等;检测传感技术和执行机构;精密机械技术等。棉纺织设备较有代表性的机电一体化产品,例如新型的粗纱机、分条整经机、浆纱机等。其中,

无梭织机的主传动技术也有了新的突破:采用开关磁阻电机作为无梭织机的主传动带来许多好处,减少传动齿轮、不用皮带和皮带盘,不用电磁离合器和刹车盘,不用寻纬电机,节能10%等优点,国内已有开关磁阻电机和驱动器的产品(北京中纺机电研究所),目前还在与无梭织机主机厂合作,共同开发应用技术,希望能尽快取得成功,填补国内空白。

3.3 焦炭工业应用

开关磁阻电机(SRD)因其起动力矩大、起动电流小,可以频繁重载起动,无需其它的电源变压器,节能,维护简单,特别适用于矿井输送机、电牵引采煤机及中小型绞车等。

90年代英国已研制成功300kW的开关磁阻电机,用于刮板输送机,效果很好。我国已研制成功110kW的开关磁阻电机用于矸石山绞车、132kW的开关磁阻电机用于带式输送机拖动,良好的起动和调速性能受到工人们的欢迎。我国还将开关磁阻电机用于电牵引采煤机牵引,运行试验表明新型采煤机性能良好。此外还成功地将开关磁阻电机用于电机车,提高了电机车运行的可靠性和效率。

3.4 家电行业应用

随着人们生活水平的提高,洗衣机已逐渐深入千家万户,洗衣机也经历了手动机械洗衣机、半自动洗衣机、全自动洗衣机的发展过程,并不断智能化。洗衣机电机也由简单的有级调速电机发展为无级调速电机。开关磁阻电机由于低成本、高性能、智能化已开始应用于洗衣机,在美国高档洗衣机中已小批量采用,并取得明显的优点:

(1)很低的洗涤速度。

(2)良好的衣物分布性。

(3)滚筒平衡性好。

(4)快速安全停机。

(5)软起动。

(6)电流限幅。

(7)最大速度高,低速转矩大。

(8)机械特性易调整。

(9)对水温、水流等易于智能控制。

四、开关磁阻电机的发展趋势展望

作为一种新型调速驱动系统,开关磁阻电机以其结构简单、低成本、高效率、优良的调速性能和灵活的可控性,愈来愈得到人们的认可和应用。目前已成功应用于在电动车用驱动系统、家用电器、工业应用、伺服系统、高速驱动、航空航天等众多领域中,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竞争者。

美国、加拿大、南斯拉夫、埃及等国家都开展了SRD系统的研制工作。在国外的应用中,SRD一般用于牵引中,例如电瓶车和电动汽车。同时高速性能是SRD的一个特长的方向。据报道,美国为空间技术研制了一个25000r/min、90kW的高速SRD样机。SRD系统的研究已被列入我国中、小型电机“八五”、“九五”和“十五”科研规划项目。

华中科技大学开关磁阻电机课题组在“九五”项目中研制出使用SRD的纯电动轿车,在“十五”项目中将SRD应用到混合动力城市公交车,均取得了较好的运行效果。纺织机械研究所将SRD应用于毛巾印花机、卷布机,煤矿牵引及电动车辆等,取得了显著的经济效益。

近年来功率电子技术,数字信号处理技术和控制技术的快速发展,而且随着智能技术的不断成熟及高速高效低价格的数字信号处理芯片(DSP)的出现,利用高性能DSP开发各种复杂算法的间接位置检测技术,无需附加外部硬件电路,大大提高了开关磁阻电机检测的可靠性和适用性,必将更大限度地显示SRD的优越性。

90年代进一步以计算机控制的柔性制造系统、主体仓库、机器人进行装配等组合起来,由计算机控制材料、部件的供应管理、达到全厂高效率、高质量的全自动化均衡生产,设计和制造水平不断提高,专用控制芯片和集成功率器件不断被开发出来,开关磁阻电机性能和适用性不断增强。随着国民经济建设的日益发展,各行各业的机械化、自动化程度越来越高,为开关磁阻电机提供了巨大的潜在市场。

开关磁阻电动机在工业自动化中的应用

张宙1,潘剑飞1,陈健聪1,简伟泉2,杨金明3

(1 香港理工大学电机工程系,香港;2 先进器材有限公司(香港);

3 华南理工大学电力学院,广州 510640)

摘要:众多高级的生产流程对产品的运输,包装,装配和配线等需要高速和高精确度的装配仪器来完成。为了达到精确的位置控制,一般这些机器利用旋转电机作为其主要的运动执行器,然后用机械上的耦合(变速箱,传送带等等)改变其运动方式。这是比较通用的方法,但是却不可避免地导致精确度的降低,而且复杂的机械结构,不易调试,具有生产成本高和可靠性低等缺点。在本文中,作者提出了对设计自动化机器的新趋势,并且建议未来的高性能的运动系统的设计应该建立在“利用直接驱动的执行器和高级控制方案简化机械结构”的理念之上。作者首先对一些具有高性能的基于开关磁阻原理的运动执行器进行深入地研究,然后作者探讨了一些适用于机器人方面的执行器。其中包括用于机械手的手指抓取器,人造关节,直线运动设备和平面运行设备。文章强调了这些设备各自的优点及特色,并且描述了控制方案和面临的困难与挑战。

关键词:直接驱动,开关磁阻,运动执行器

Using Variable-Reluctance Actuators in Automated Manufacturing Machines Norbert C. Cheung1, Jianfei Pan1, Kenneth Chan1, Wai-Chuen Gan2, Jinming Yang3

(1 Department of Electrical Engineering, Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong; )

(2 ASM Assembly Automation Ltd, Hong Kong;)

(3 South China University of Technology, Guangzhou 510641, China)

0 引言

目前,加工和生产电子芯片和产品(如移动电话,手提电脑和芯片等)需要高精度和高速度的装配生产线,要求执行装配器能够提供二维甚至三维的运动。

而且还要满足一定的位置精度,可靠性好和提供较高的加速减速的需求。工业上,通常应用旋转永磁无刷电机,进行机械轴上的耦合,从而将曲线运动转变成直线运动。相对来说,这样的设备比较容易控制,而且这样的设备和配件都已经形成标准。然而,由于机械部件较复杂,加工和维修的费用很高,并且存在校准手续复杂,可靠性差,和无法在恶劣环境中运作等弊病。

图1 展示了常用的由两个直线滑轨层叠形成的X-Y平面工作台。它的工作精度和性能大部分取决于机械参数,比如滚珠的安排,滚珠和螺母,导轨与滚珠间的配合,和电机之间的平直程度。尤其是如果加工的复杂程度增加,必然导致精度要求的进一步提高。生产迪卡尔坐标运动系统的成本随着生产精度的要求呈指数关系增长。大部分的成本花费在高精度机械部件的生产,机械校准的程序和日常的维护费用上面。降低成本和提高性能最有效的办法是去除复杂的机械结构和耦合装置。本文中,作者提出一些设计自动化设备的新方案。对于未来高性能的仪器,以下两个方面值得借鉴:

图1 传统的XY工作台的外型构造及直线导轨内部结构

1.用直接驱动的运动执行器,替代机械上的耦合和运动方式变换器[10],即便要付出非线性控制上的代价。

2.应用智能和鲁棒控制技术来克服机械和电子上的非线性。

上面的指导思想是基于这样的事实得出的结论,那就是功能强大的伺服控制器的价格将越来越便宜,而高精度部件的生产和加工技术将变得越来越昂贵。将复杂的运动要求用软件去实现从而代替机械上的硬件一般是比较有效的。

为了进一步减少执行部件的成本和设计的复杂程度,本文提出基于开关磁阻原理的执行设备。开关磁阻电机具有鲁棒性好,结构简单等特点,而且其加工费用远远低于同类的无刷直流电动机和交流电机。由于它具有在较小的极距空间中容纳较多的极子的特点,使得它可以作为直接驱动的设备。再有,它可以制造成不同的结构和形态适应不同场合的要求,而不只是局限于旋转电机。

图2(a)及图2(b)分别是直线和旋转开关磁阻执行器。当通入电流流过线圈时,产生磁通。磁通就像“一只无形的手”一样,它将尽可能

地缩短磁路和活塞间的空气隙的距离。对于旋转的情形,通电后,动子将顺势旋转与定子极完全对齐为止。同样,对于直线的情况,活塞将向上运动直至与上端相接触。这里所描述的可变磁阻执行器是最简单鲁棒性最好的电机。它不包括任何永磁体,鼠笼结构或是换向器。

目前,主要应用于日常的开/关设备中(车锁,洗衣机中的截水阀等等)。但是,开关磁阻具有磁和电方面的非线性控制的非线性化特点,因而它不能用作比例执行机构。与无刷直流电机和交流同步电机相比,它更难进行控制。控制的因素绝大部分取决于其磁通的分布特性,然而磁通却是非线性的参数。虽然如此,在过去几年中,确实有一部分致力于对开关磁阻线性执行器的研究[3] ,这要归功于高速电子开关,计算设备和高级控制理论的发展。

图2 开关磁阻执行器工作原理(直线和旋转)

近些年来,很多文章都是致力于旋转的多相开关磁阻电机的研究[2] 。香港理工大学电力电子研究中心开发了一些高性能的用于运动

控制的开关磁阻执行机构。其中包括:(机器人)手指抓取器,人造关节,直线磁阻电机,和平面磁阻电机。本文中,作者将按顺序详细

介绍每一个科研项目,并且讨论它们各自在高性能的机器人结构中的应用。在本文的最后,将简要介绍开关磁阻执行器的控制方案。

1 数学模型

开关磁阻执行器在电特性上具有严重的非线性,而且主要取决于实际的机械结构[4]。但仍可以按下列状态方程描述:

图3(a) 磁链相对于位置和电流曲线

(b) 力相对于位置和电流曲线

为了抵消这些非线性的因素,必须应用相应的非线性化解耦和补偿方案 [5] 。本文第4部分有相关论述。

2 直接驱动开关磁阻执行器

直接驱动的执行器应用开关磁阻原理的一大优点是能够根据需要将其制作成所需的形状。如下所介绍的4种:

1.(机器人)手指抓取器;

2.人造关节;

3.直线电机;

4.平面电机。

每一个仪器具有其本身特色,控制特点和应用领域。然而,就开关磁阻的原理而言,控制的方法是相似的。 .

2.1 (机器人)手指抓取器

手指抓取器用于机器人领域[8],图4是它的实际结构。其中包含了两个旋转部件,每个都和一个执行受动器相连。执行部分包括两个线圈,各自为相应的受动器提供力矩。每个移动的转子都连接在各自的轴上,从而运动机构可以自由地移动于定子的极间。图5显示了总体结构。该执行器鲁棒性好,结构简单,并适用于危险的环境中。由于不包含永磁体,加工成本和难度都大大降低。自感和互感参数在制造过程中已经进行过测量,并应用三阶差值函数差值。控制方案采用双模式位置/力控制策略。在目前的研究中,该设备具有0.5的角度精度和5mN的力精度。最大抓取力达到大约8N。它已被测试于高速和高精度的抓取多种精密或脆弱物件的应用中。

.2.2 人造关节

开关磁阻原理可以应用于人造关节的制造上。直接驱动旋转关节对机器人的结构建造上有很大的用处。图5显示了整体结构和实际形态。它包含了两个线圈和居于中心的层叠板,层叠板作为运动的电机部分。磁路走向由两个线圈控制,各自提供与对方方向相反的力矩。最大旋转角度为90o 。基板由两部分组成;一部分负责顺时针方向的转距,另一个负责逆时针方向。每个线圈负责各自的旋转部分。每个部分是层叠结构,一端固定,中间是转子部分而另一端是磁回路(由Carpenter 430FR型金属条板提供)。整体结构十分简单,而且可以根据需要制成人的手指形状。通过单独控制各自线圈的导通和关断,可以让它跟随不同的运动轨迹,提供不同的抓取力或者以不同的力度停留在某个位置上保持静止。

2.3 直线磁阻电机

图6是直线电机的结构图。该电机已经在以下方面进行过优化:

出力/尺寸比;

力波动;

磁漏和涡流损耗;

动态输出特性。

该电机安装在精确的直线导轨上。三项线圈组装在动子上,并相隔120o由于线圈互相之间是完全磁通解耦的,三项线圈各自独立,互不影响,而且项间不具备互感影响。这种新型的电气结构简化了模型分析并且提高了系统的鲁棒性。该设备可以以较好的性能工作于较恶劣的环境。目前,位置控制精确度达到0.8μm,具有3.5个自由落体加速度。电机的驱动控制器目前还没有使电机工作在饱和区。预计下一代的

控制方案和控制器将使电机工作在饱和区,从而进一步提高输出效率。

2.4 平面磁阻电动机

平面组电动机具有二维空间的延展性。它可以在X方向,同时和Y的方向上产生力。二维空间运行在工业生产中有着极高的需求。新型的平面结构可以完全替代传统的X-Y工作台。在机械上结构简单,部件很少,而且易于加工和制造。但目前需要解决的困难不光是在执行部件的结构上的设计,位置传感器二维传感,而且包括非线性控制方法和PWM 电流驱动器上。图7(a)是该电机的外观图,它是基于6/4的型旋转磁阻电机,经过平面延展,形成二维平面的运动结构。动子平台上安装两组3项线圈和较宽的动子齿。齿的宽度保证两个方向的力的耦合达到最小。在对该电机进行设计时用到有限元分析分析软件。定子“齿型”结构请参看图7(b)。基座是由分层的导磁钢片在两个方向上叠加而成。精度为一个μm 的直线位置解码器分别安装在两个方向的移动导轨上。

目前该电机还处于最终试制阶段。通过有限元分析,可以证实无论从固有特性和控制策略上,这个平面电机与直线电机有很多的共同点。表

1 是它的性能参数。

3 平面电机的控制方案

开关磁阻执行机构具有非线性的特点,也就是说力/力矩输出相对于位置和电流呈非线性关系。为了纠正其非线性,控制器必须包含一个力/电流的二维表。通常可变磁阻电机运行于位置和力的调节模式下,因此常采用双模式控制策略。图8是典型的控制器框图。

采用分级闭环控制。控制器内环包含一个快速的电流调节器和慢速的位置调节器在外环。外环采用自适应PI调节器;在位置控制器和电流控制器之间的是非线性的二维表。表位于两个控制器之间。它接收来自控制器的力的命令和位置信息,输出所需的电流值给电流控制器。该双闭环分级运行是以电流控制器能够正确地进行跟踪为基本前提的。只要电流内环跟踪正确,外环给定的位置指令将取决于内环,最后将指令送给电机。若电机运行于位置和力的控制模式之下,建议采用模式切换机制。该切换模式对输入的力命令在轨迹控制器和力产生器之间进行选择。

4. 结语

高性能低成本的机器可以由可变磁阻为原理的直接驱动执行器和“利用特种驱动的执行器和高级控制方案简化机械结构”的理念来实现。在本文中所描述的特种开关磁阻电机成本低,鲁棒性强和可靠性好,无需繁琐的机械校准工作,而且容易加工制造。这些优点将最终取代包含很多旋转电机和机械螺钉组成的X-Y工作台。

当应用上述的电机所组成的仪器进行电子设备和零件(手提电脑,半导体设备芯片等)的加工时,生产成本也将随之大大降低。甚至可以将它们用于那些由于条件所限从未付诸实施的应用中。上述的直接驱动开关磁阻电机将对自动化工业做出贡献,所研究的重点是如何利用有限的人力物力成本制造高科技含量价值的高、精、尖产品。

致谢

本文作者在此感谢香港大学基金会和香港理工大学研究委员会对本项目(PolyU 5066 /01E and G-T223)所提供的支持和帮助。

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潘剑飞 2001年毕业于长春理工大学(原长春光学精密机械学院),获得工程学士学位。现就读于香港理工大学电机工程系,从事开关磁阻电机设备的控制工作。

陈健聪(Kenneth Chan)1997年于澳大利亚新南威尔大学获得工程学士学位。现就读于香港理工大学电机工程系,从事开关磁阻电机设备的控制工作。

简伟泉 (Dr. Wai-Chuen Gan)博士分别于1995,1997和2002年于香港科技大学电子工程学系获得学士、硕士和博士学位。主要从事电子设备的鲁棒控制,数字信号处理和电子驱动器的开发和研究。现工作于先进器材有限公司(香港)。

杨金明博士,1987年毕业于北京航空航天大学,获学士学位;1990年获硕士学位,毕业于浙江大学;2000年毕业于华南理工大学,获博士学位。

主要从事于电机设备的驱动和非线性控制。目前工作于华南理工大学

开关磁阻电机速度控制

Journal of Electrical Engineering 电气工程, 2016, 4(1), 55-62 Published Online March 2016 in Hans. https://www.360docs.net/doc/ef8187699.html,/journal/jee https://www.360docs.net/doc/ef8187699.html,/10.12677/jee.2016.41008 Speed Control Strategy of Switched Reluctance Motor Zhou Du1,2, Dingxiang Wu2,3, Lijun Tang1,2 1School of Physics and Electronic Sciences, Changsha University of Science & Technology, Changsha Hunan 2Hunan Province Higher Education Key Laboratory of Modeling and Monitoring on the Near-Earth Eletromagnetic Environments, Changsha Hunan 3Billion Set Electronic Technology Co, Ltd., Changsha Hunan Received: Mar. 1st, 2016; accepted: Mar. 19th, 2016; published: Mar. 24th, 2016 Copyright ? 2016 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). https://www.360docs.net/doc/ef8187699.html,/licenses/by/4.0/ Abstract Aimed at research on starting mode and speed control of switched reluctance motor speed control system, a two-phase starting is adopted to start the electric, in order to increase the torque and reduce the torque ripple. A fuzzy adaptive PID control algorithm is proposed, and a switched re-luctance motor speed control system with STM32 + FPGA as the main controller is designed, ap-plying current chopping in low speed and angle position control mode in high speed, which has a certain effect on solving the problems of high overshoot, slow dynamic response and low accuracy. The experimental results show that the precision of the system speed is within 10 r/min, and the maximum overshoot is 15 r/min. Keywords Switched Reluctance Motor, Torque Ripple, Fuzzy Adaptive Tuning PID 开关磁阻电机速度控制 杜舟1,2,吴定祥2,3,唐立军1,2 1长沙理工大学物理与电子科学学院,湖南长沙 2近地空间电磁环境监测与建模湖南省普通高校重点实验室,湖南长沙 3长沙亿旭机电科技有限公司,湖南长沙

控制电机:开关磁阻电机

题目:开关磁阻电机

开关磁阻电机 学习《特种电机及其控制》这门课程,这要介绍了无刷直流电机及其控制、开关磁阻电机及其控制系统、步进电机及其控制,其中我最感兴趣的开关磁阻电机。下面我将对我所了解的开关磁阻电机做一总结。 一、发展背景 开关磁阻电机是80年代初随着电力电子、微电脑和控制技术的猛烈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优点,成为直流电机调速系统、交流电机调速系统和无刷直流电机调速系统强有力的竞争者,引起各国学者和企业界的广泛关注,目前开关磁阻电机已开始应用于工业、航空业和家用电器等各个领域。 开关磁阻电机的基本概念可追溯到19世纪40年代,1842年,英国的Aberdeen和Dafidson用两个U型电磁铁制造了由蓄电池供电的机车电动机。20世纪60年代,大功率晶闸管的出现为SR电机的研究发展提供了重要的物质条件。1967年,英国的Leeds大学开始对SR电机进行深入研究;直到1970年左右,研究结果表明:SR电机可以在单相电流下四象限运行,功率变换器无论是用晶体管还是用普通晶闸管,所需开关数都是最少的;电动机成本也明显低于同容量的感应电动机。20年代70年代初,美国福特公司研制出最早开关磁阻电机的调速系统,其结构为轴向气隙电动机,具有电动机和发电机运行状态和较宽范围调速的能力,适合于蓄电池供电的电动车辆的转动。1980年Leeds大学的Lawrenson教授及其同事总结出了自己的研究成果,发表了题为“Variable--Speed Switched Reluctance Motors”的论文,系统阐述了开关磁阻电机的基本原理与设计特点,并得出了新型磁阻电机的单位出力可以与交流感应电机相媲美甚至还略占优势的结论。1983年英国TASC公司推出了Oulton系列通用SRD调速产品,问世不久便受到了各国电气传动界的广泛重视。从1984年开始,我国许多单位先后开展了SRD研究,在借鉴国外经验的基础上,我国SR电机的研究发展很快。2000年,国内100KW以上的SR电机已应用于煤矿的采煤机,目前已将180KW的SR电机应用于地铁机车的牵引,应形成一些SRD系列商品,最

车用电机的发展现状

电动车用电机及其控制技术的现状及趋势 电动汽车是以车载电源为动力,并采用电动机驱动的一种交通工具。电机及其驱动系统是电动汽车的核心部件之一,由于电动汽车在运行过程中频繁起动和加减速操作,对驱动系统的有着很高的要求。生产制造方面要求电机的可靠性好、结构简单、维修方便、成本低、体积小、重量轻;性能方面要求车用电机具有瞬时功率大、过载能力强、范围宽、续驶里程长等优点。 电动汽车的驱动电机按其类型来划分,可分为直流电机和交流电机两大类。直流电机的驱动特性是在基本转速以下运行于恒转矩区,基本转速以上运行于恒功率区。它的这种特性很适合汽车对动力源低速高转矩、高速低转矩的要求,而且直流电机结构简单,易于平滑调速,所以直到20世纪80年代中期,它仍是国内外的主要研发对象。几乎所有早期的电动车都采用直流电机驱动系统。如日本东京大学的UOT电动汽车采用直流串励电动机,意大利菲亚特公司的900E/E2电动汽车用直流他励电动机驱动,日本马自达汽车公司的BANGO 电动汽车则采用直流并励电动机。但是直流电机的效率和转速相对较低,其换向器维护困难,直流电机价格高、体积和重量大。随着控制理论和电力电了技术的发展,直流驱动系统与其它驱动系统相比,己大大处于劣势。因此,目前国外各大公司研制的电动车电气驱动系统己逐渐淘汰了直流驱动系统。 20世纪90年代后,交流电机驱动系统的研制和开发有了新的突破。相比直流电机,交流电机体积小、质量轻、效率高、调速范围宽、可靠性高、价格便宜、维修简单方便,在电动汽车上得到了广泛应用。交流电机包括异步电机、永磁电机以及开关磁阻电机。 美国以及欧洲研制的电动汽车多采用这种电动机,如Chrysler公司生产的Epic Van; Ford 公司生产的Ranger EV,通用汽车公司生产的IMPACT和EH电动汽车。国内也采用感应电动机作为电动汽车的驱动电机也比较多,如胜利SL6700DD电动客车,郑州华联ZK6820HG-1电动轻型客车。但其最大缺点是驱动电路复杂,相对永磁电机而言,其效率和功率密度偏低,因此有被其它新型永磁电机逐步取代的趋势。 永磁电机包括永磁无刷直流电机和永磁无刷同步电机两种。永磁无刷直流电机是在直流电机的基础上不再用电刷和换向器,起动转矩大、过载能力强,非常适合电动车的运行特性。香港大学研制的U 2001电动车采用的永磁无刷直流电机,最高车速为110krn/h,本田研制EV PLU S电动车采用的永磁无刷直流电机,最高车速为128krn/h。永磁无刷同步电机的恒转矩区比较长,这对提高汽车的低速动力性能有很大帮助,电机最高转速较高,能达到10 000 r/min。永磁无刷同步电机功率密度高调速性能好、在宽转速范围内运行效率高.它的主要缺点是电机造价较高,永磁材料会有退磁效应,要想增大电机的功率其体积会很大。随着稀土永磁材料的开发和应用,永磁无刷电机的性能有了很大的提高,是未来最有发展前景的驱动电机之一。 开关磁阻电机(SRM )是英国于1983年首次正式推出的,经过多年的研制开发,现己成为现代电动汽车交流驱动的又一个新支,它具有可控相数多、实现四象限控制方便、成本低。开关磁阻电机结构和控制简单、出力大,可靠性高,起动制动性能好,运行效率高,但电机噪声高,转矩脉动严重,非线性严重,在电动汽车驱动中有利有弊,目前在电动汽车应用较少。 上述几种电动机各有自己的优势和不足,并各有侧重,'已们在现有的电动汽车中均有应用,其中,交流异步电机主要应用在纯电动汽车(包括轿车及客车),永磁同步电机主要应用在混合动力汽车(包括轿车及客车)中,开关磁阻电机目前主要应用在客车中,而以交流异步电动机和永磁直流电动机的应用稍微居多一些。 要想使电机驱动并发挥出其优良的性能必须与合理的控制策略相配合。目前电机的控制

开关磁阻电动机驱动系统简介

开关磁阻电动机驱动系统(SRD)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确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:(1)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。(2)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。(3)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。(4)功率变换器不会出现直通故障,可靠性高。(5)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。(6)调速范围宽,控制灵活,易于实现各种特殊要求的转矩-速度特性。(7)在宽广的转速和功率范围内都具有高效率(8)能四象限运行,具有较强的再生制动能力。(9)容错能力强。开关磁阻电机的容错体现在电机某一相损坏,电机照样可以运行。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(1983年研制)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(1988年研制)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。三、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。3.1 电动车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

开关磁阻电机驱动系统的运行原理及应用

开关磁阻电机驱动系统的运行原理及应用(二) (低轴阻发电机参考资料) 1 引言 开关磁阻电机驱动系统(SDR)具有一些很有特色的优点:电机结构简单、坚固、维护方便甚至免维护,启动及低速时转矩大、电流小;高速恒功率区范围宽、性能好,在宽广转速和功率访问内都具有高输出和高效率而且有很好的容错能力。这使得SR电机系统在家用电器、通用工业、伺服与调速系统、牵引电机、高转速电机、航空航天等领域得到广泛应用。 SR电机是一种机电能量转换装置。根据可逆原理,SR电机和传统电机一样,它既可将电能转换为机械能—电动运行,在这方面的理论趋于成熟;也可将机械能转换为电能—发电运行,其内部的能量转换关系不能简单看成是SR电动机的逆过程。本文将从SR电机电动和发电运行这两个角度阐述SR电机的运行原理。 2 电动运行原理 2.1 转矩产生原理 控制器根据位置检测器检测到的定转子间相对位置信息,结合给定的运行命令(正转或反转),导通相应的定子相绕组的主开关元件。对应相绕组中有电流流过,产生磁场;磁场总是趋于“磁阻最小”而产生的磁阻性电磁转矩使转子转向“极对极”位置。当转子转到被吸引的转子磁极与定子激磁相相重合(平衡位置)时,电磁转矩消失。此时控制器根据新的位置信息,在定转子即将达到平衡位置时,向功率变换器发出命令,关断当

前相的主开关元件,而导通下一相,则转子又会向下一个平衡位置转动;这样,控制器根据相应的位置信息按一定的控制逻辑连续地导通和关断相应的相绕组的主开关,就可产生连续的同转向的电磁转矩,使转子在一定的转速下连续运行;再根据一定的控制策略控制各相绕组的通、断时刻以及绕组电流的大小,就可使系统在最隹状态下运行。 图1 三相sr电动机剖面图 从上面的分析可见,电流的方向对转矩没有任何影响,电动机的转向与电流方向无关,而仅取决于相绕组的通电顺序。若通电顺序改变,则电机的转向也发生改变。为保证电机能连续地旋转,位置检测器要能及时给出定转子极间相对位置,使控制器能及时和准确地控制定子各相绕组的通断,使srm能产生所要求的转矩和转速,达到预计的性能要求。 2.2 电路分析

径向磁通开关磁阻电机的发展历史及趋势

文献检索 径向磁通开关磁阻电机的发展历史及趋势 姓名 学号825 所在学院电气与电子工程学院 专业班级12电气7班 日期2014年12月26日

一、开关磁阻电机发展简介 开关磁阻电机是80年代初随着电力电子、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。 二、开关磁阻电机的分类 按气隙磁通方向分类方法将开关磁阻电机分为两类:径向磁通开关磁阻电机和横向磁通开关磁阻电机。这里,着重分析径向磁通开关磁阻电机。 1、径向气隙磁通 发电机依靠转子对定子的相对运动来发电,在定子与转子之间的间隙称为气隙。在传统电机结构中,定子在外围,转子在中间旋转,见图1右图,定子与转

开关磁阻电机及其调速系统

第二章开关磁阻电机及其调速系统 2.1 开关磁阻电机的发展概况 磁阻式电机诞生于160年前,一直被认为是一种性能不高的电机。然而通过近20年的研究与改进,使磁阻式电机的性能不断提高,目前已能在较大功率范围内不低于其它型式的电机[9]。 70年代初,美国福特电动机(Ford Motor)公司研制出最早的开关磁阻电机调速系统。其结构为轴向气隙电动机、晶闸管功率电路,具有电动机和发电机运行状态和较宽范围调速的能力,特别适用于蓄电池供电的电动车辆的传动。 70年代中期,英国里兹(Leeds)大学和诺丁汉(Nottingham)大学,共同研制以电动车辆为目标的开关磁阻电机调速系统。样机容量从10W至50KW,转速从750 r/min至10000 r/min,其系统效率和电机利用系数等主要指标达到或超过了传统传动系统。该产品的出现,在电气传动界引起了不小的反响。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使用的一些变速传动系统。 近年来,国内外已有众多高校、研究所和企业投入了开关磁阻电机调速系统的研究、开发和制造工作。至今已推出了不同性能、不同用途的几十个系列的产品,应用于纺织、冶金、机械、汽车等行业中。 目前,在汽车行业意大利FIAT公司研制的电动车和中国第二汽车制造厂研制的电动客车都采用了开关磁阻电机。SRM是没有任何形式的转子线圈和永久磁铁的无刷电动机,它的定子磁极和转子磁极都是凸的。由于SRM具有集中的定子绕组和脉冲电流,其功率变换器可以采用更可靠的电路拓扑形式。SRM具有简单可靠、在较宽转速和转矩范围内高效运行、控制灵活、可四象限运行、响应速度快、成本较低等优点,这是其它调速系统难以比拟的,作为具有潜力的电动车电气驱动系统日益受到重视。然而目前SRM还存在转矩波动大、噪声大、需要位置检测器、系统非线性等缺点,所以,它的广泛应用还受到限制。 2.2 开关磁阻电机的基本结构与特点 开关磁阻电机为定、转子双凸极可变磁阻电机。其定、转子铁心均由硅钢片

开关磁阻电机工作原理及其驱动系统

开关磁阻电机工作原理及其驱动系统 开关磁阻电机 Switched Reluctance Drivesystem, SRD 开关磁阻电机驱动系统(Switched Reluctance Drive system, SRD)具有一些很有特色的优点:电机结构简单、坚固、维护方便甚至免维护,起动及低速时转矩大、电流小;高速恒功率区范围宽、性能好,在宽广转速和功率范围内都具有高输出和高效率而且有很好的容错能力。这使得SR电机驱动系统在家用电器、通用工业、伺服与调速系统、牵引电机、高转速电机、航空航天等领域得到广泛应用。 SR电机是一种机电能量转换装置。根据可逆原理,SR电机和传统电机一样,它既可将电能转换为机械能——电动运行,在这方面的理论趋于成熟;也可将机械能转换为电能——发电运行,其内部的能量转换关系不能简单看成是SR电动机的逆过程。 开关磁阻电机的发展概况和发展趋势 “开关磁阻电机(Switched reluctance motor)”一词源见于美国学者 S.A.Nasarl969年所撰论文,它描述了这种电机的两个基本特征:①开关性——电机必须工作在一种连续的开关模式,这是为什么在各种新型功率半导体器件可以获得后这种电机才得以发展的主要原因;②磁阻性——它是真正的磁阻电机,定、转子具有可变磁阻磁路,更确切地说,是一种双凸极电机。开关磁阻电机的概念实际非常久远,可以追溯到19世纪称为“电磁发动机”的发明,这也是现代步进电机的先驱。在美国,这种电机常常被称为“可变磁阻电机(variable reluctance motor, VR电机)”一词, 但是VR电机也是步进电机的一种形式,容易引起混淆。有时人们也用“无刷磁阻电机(Brushless reluctance motor)”一词,以强调这种电机的无刷性。“电子换向磁阻电机(Electronically commutated reluctance motor)”一词也曾采用,从工作原理来看,甚至比“开关磁阻”的说法更准确—些,但也容易与电子换向的水磁直流电机相混淆。毫无疑问,正是由于英国 P.J.Lawrenson教授及其同事们的杰出贡献,赋予了现代SR电机新的意义,开关磁阻电机一词也因此逐渐为人们所接受和采用。 从电机结构和运行原理上看,SR电机与大步距角的反应式步进电机十分相似,因此有人将SR电机看成是一种高速大步距角的步进电机。但事实上,两者是有本质差别的,这种差别体现在电机设计、控制方法、性能特性和应用场合等方面,见表11-1。

开关磁阻电机调速系统

开关磁阻电机调速系统 开关磁阻电机调速系统(Switched Reluctance Driver,简称SRD)是以现代电力电子与微机控制技术为基础的机电—体化产品。除了具有显著的节能效果外,开关磁阻电机的理论研究和实践证明,它与常用的三相异步电动机相比还有以下优点: 1.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; 2.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; 3.调速范围宽,控制灵活,易于实现各种特殊要求的转矩;λ λ 4.在宽广的转速和功率范围内都具有高效率; 5.损耗主要产生在定子,电机易于冷却,转子无永磁体,无高温退磁现象;λλ 6.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; 7.功率变换器不会出现直通故障,可靠性高;λ λ 8.能四象限运作,具有较强的再生制动能力; 开关磁阻电机调速系统(SRD) 开关磁阻电机调速系统(SRD)是当今世界最新、性能价格比最高的调速系统。它是一种基于改变供电电源频率的调速方式——交流变频调速系统应运而生。而开关磁阻电机调速系统(又称开关磁阻电机驱动系统)简称SRD系统,是它们中崭新的一种系统,并且已经是智能化和模块化,不仅调速性优越,而且各种保护功能也很完善,已在很多方面大量使用。这项技术一经问世,便以其宽广的调速范围,良好的机械特性,卓越的启动制动性能,节能,易维护等一系列突出优点而引起电气及其他行业的关注。SRD系统是磁阻电动机和电力电子技术相结合而产生的一种机电一体化装置,主要由SRM开关磁阻电动机、功率变换器、单片机(或DSP 芯片)、电流及位置检测器等五大部分组成。其组成与特点: 1.1开关磁阻电动机(Switched Reluctance Motor,简称SRM) 是系统中实现能量转换的部件, 它与传统的磁阻电动机相比,具有本质的区别。在结构上,SRM采用双凸极形式,即定子、转子均为凸极式构造;定子线圈采用集中式而不是分布式绕组;加在定子绕组上的电压为不连续的矩形波而非连续的正弦波。转子仅由硅钢片叠压而成,既无绕组也无永磁体,定子各极上绕有集中绕组。图2所示为8/6极(定子八极、转子六极)四相SRM剖面图. SRM有两种独特的运行方式:低速时采用电流斩波方式;高速时采用单脉冲角度控制方式。在电流斩波方式中,系统是通过调节相绕组电流的大小来控制转矩,因此能准确知道绕组中实际电流的大小,对电流进行反馈是很必要的;在角度位置控制方式中,系统通过调节触发角和关断角来实现对转矩的控制,此时电流己不再作为控制量,但为了防止系统过载或故障则要进行过流保护,所以系统中需要进行电流检测。 1.11开关磁阻电动机(SRM)工作原理遵循“磁阻最小原理”,通电后,磁路有向磁阻最小路径变或化的趋势。当转子凸极与电子凸极错位时,气隙大、磁阻大:一旦定子磁极绕组通

我国驱动电机类型及其发展现状

我国驱动电机类型及其发展现状 1.驱动电机类型及其发展 驱动电机是电动汽车的关键部件,直接影响整车的动力性及经济性。驱动电机主要包括直流电机和交流电机。目前电动汽车广泛使用交流电机,主要包括:异步电机、开关磁阻电机和永磁电机(包括无刷直流电机和永磁同步电机)。各类型电机主要特点见表1. 车用电机的发展趋势如下:(1)电机本体永磁化:永磁电机具有高转矩密度、高功率密度、高效率、高可靠性等优点。我国具有世界最为丰富的稀土资源,因此高性能永磁电机是我国车用驱动电机的重要发展方向。 (2)电机控制数字化:专用芯片及数字信号处理器的出现,促进了电机控制器的数字化,提高了电机系统的控制精度,有效减小了系统体积。 (3)电机系统集成化:通过机电集成(电机与发动机集成或电机与变速箱集成)和控制器集成,有利于减小驱动系统的重量和体积,可有效降低系统制造成本。 2.国外发展情况根据国外资料介绍 近年来美、欧开发的电动客车多采用交流异步电机,国外典型产品技术参数请见表 2.为了降低车重,电机壳体大多采用铸铝材料,电机恒功率范围较宽,最高转速可达基速的2~2.5倍。 日本近年来问世的电动汽车大多采用永磁同步电机。产品功率等级覆盖3~123kW,电机恒功率范围很宽,最高转速可达基速的5倍。日本近几年开发的电动汽车驱动电机概况见表3. 3.我国发展现状 (1)交流异步电机驱动系统我国已建立了具有自主知识产权异步电机驱动系统的开发平台,形成了小批量生产的开发、制造、试验及服务体系;产品性能基本满足整车需求,大功率异步电机系统已广泛应用于各类电动客车;通过示范运行和小规模市场化应用,产品可靠性得到了初步验证。 (2)开关磁阻电机驱动系统已形成优化设计和自主研发能力,通过合理设计电机结构、改进控制技术,产品性能基本满足整车需求;部分公司已具备年产2000套的生产能力,能满足小批量配套需求,目前部分产品已配套整车示范运行,效果良好。 (3)无刷直流电机驱动系统国内企业通过合理设计及改进控制技术,有效提高了无刷直流电机产品性能,基本满足电动汽车需求;已初步具有机电一体化设计能力。 (4)永磁同步电机驱动系统已形成了一定的研发和生产能力,开发了不同系列产品,可应用于各类电动汽车;产品部分技术指标接近国际先进水平,但总体水平与国外仍有一定差距;基本具备永磁同步电机集成化设计能力;多数公司仍处于小规模试制生产,少数公司已投资建立车用驱动电机系统专用生产线。 (5)永磁电机材料永磁电机的主要材料有钕铁硼磁钢、硅钢等。部分公司掌握了电机转子磁体先装配后充磁的整体充磁技术。国内研制的钕铁硼永磁体最高工作温度可达280℃,但技术水平仍与德国和日本有较大差距。 硅钢是制造电机铁芯的重要磁性材料,其成本占电机本体的20%左右,其厚度对铁耗有较大影响,日本已生产出0.27mm硅钢片用于车用电机,我国仅开发出0.35mm硅钢片。 (6)电机控制器关键部件电机控制器用位置/转速传感器多为旋转变压器,目前基本采用进口产品,我国部分公司已具备旋转变压器的研发生产能力,但产品精度、可靠性与国外仍有差距。IGBT基本依赖进口,价格昂贵,国产车用IGBT尚处于研究阶段。 4.我国驱动电机及其控制器存在的主要问题 (1)电机原材料、控制器核心部件研发能力较弱,依赖进口,如硅钢片、电机高速轴承、位置/转速传感器、IGBT模块等。进口产品成本高,影响电机系统产业化。 (2)我国车用电机的机电集成水平与国外差距较大。控制器集成度较低,体积、重量相对偏大。 (3)我国车用电机系统尚处于起步阶段,制造工艺水平落后,缺乏自动化生产线,造成产品可靠性、

开关磁阻电机控制系统软件设计

开关磁阻电机控制系统软件设计 开关磁阻电机SRM(Switched Reluctance Motor)是随着电力电子、微电脑和控制技术的迅猛发展而出现的一种新型调速系统,具有结构简单、运行可靠及效率高等突出优点,成为交流、直流和无刷直流电动机调速系统强有力的竞争者,引起各国学者和企业的广泛关注。 1 基本控制策略 开关磁阻电机基本控制策略主要包括电流斩波控制(CCC)、电压PWM 控制、角度位置控制(APC)三种控制策略。 电流斩波控制的优点是可限制电流峰值的增长,保护开关器件的安全,并起到良好有效的调节效果,因此适用于低速调速系统。当相电流超过约定的上限电流值时,则主开关关断,当相电流低于约定的下限电流值时,则组合开关开通,从而实现电流斩波控制效果。 电压PWM控制是通过调整占空比,来调节相绕组的平均电压,以改变相绕组电流的大小,从而实现转速和转矩的调节,电压PWM控制的特点是通过调节相绕组电压的平均值,进而能间接地限制和调节相电流,因此既能用于高速调速系统,又能用于低速调速系统,而且控制也较简单。 角度位置控制是指对开通角和关断角的控制。它的实质就在于输入电压保持不变而通过改变主开关的开通角和关断角来调节电流,以达到调节电机转矩的目的。角度控制的优点是转矩调节范围较大,可允许多相同时通电,以增加电机输出转矩,可实现效率最有控制和转矩

最优控制。 为了实现开关磁阻电机良好的调速性能,该软件设计采用以下组合控制策略,即电机基速以下运行时,采用电流斩波控制方式;在中低速下,采用电压PWM控制方式;而在高速运行时,采用角度位置控制方式。 2 软件设计 软件采用前后台系统作为软件框架,分为主程序和中断程序两部分,相较于现有控制系统软件设计中的多中断程序,该软件设计仅采用了一个定时中断,是程序更简洁,增加了程序的可读性及可移植性,同时也有利于程序的进一步扩充与完善。现有控制系统软件中多数使用多中断设计,其中包括计算电机转速使用的捕获中断,获取电机位置使用一路或两路外部中断,电流采样时使用的DMA中断,以及一至两个定时中断,这些中断不仅增加了程序的复杂性,同时也降低了软件的可靠性。 在软件设计中,重点和难点就是如何获得较好的斩波效果,而软件设计的好坏直接影响了斩波效果的好坏。在现有的软件设计中,一般是将各相电流通过ADC采样,再经DMA通道传输,同时产生一个DMA 中断,然后在一个定时中断(定时中断时间一般为50us至100us)中实现电流斩波。而这种设计会产生两个问题。其一,因为要实现其他功能,定时中断时间不能进一步缩短,而这对电流斩波而言,时间间隔又太长,以50us为例,电流可能会在50us的时间中上升40A。其二,DMA中断优先级要高于定时中断,这可能会导致定时中断的执

开关磁阻电机的基本了解

开关磁阻电机的基本学习内容 1 开关磁阻电机的基本原理以及结构 开关磁阻电动机(Switched Reluctance Motor ,简称SRM) 定转子为双凸极结构,铁心均由普通硅钢片叠压而成,其定子极上有集中绕组,径向相对的两个绕组串联构成一相,转子非永磁体,其上也无绕组[1,3]。SRM 的定转子极数必须满足如下约束关系: s r s N =2km N = N + 2k (1-1) 其中,Ns ,Nr 分别为电机定、转子数;m 为电机相数值减1;k 为一常数。以下图1-1所示一个典型四相8/6极SRM 为例,相数为4,因而m=3,取k=1,则Ns=6,Nr=8。m 及k 值越高,越利于高控制性能控制,但相应成本越高,结构越复杂。目前技术较为成熟,发展较为迅速的产品多为三、四相SRM [2]。

图1-1即为一典型四相8/6结构的SRM电机本体及其不对称功率变换器主电路的示意图(图1-1在末尾手画)。为表述清晰,图中仅画出不对称半桥电路的一相,其他各相均与该相相同,并省略了相应的驱动及检测电路。完整的开关磁阻电机调速系统(Switched Reluctance Motor Drive,简称SRD)则由SRM、功率变换器、控制器、位置检测器等四大部分组成,如下图1-2示。 SRM可以认为是同步电机的一个分支,它运行时遵循磁阻最小原理,同步进电机较为类似[2,30]。其具体运行原理如下:首先要保证励磁相的定子凸极和最近的转子凹极中心线不重合,也即初始位移不能位于磁阻最小位置。通以交流电后,经过一个整流桥变为直流电源,当开关S1和S2开通时,AA’相通电励磁,产生一个磁拉力。在该电磁力的轴向分量作用下,产生电磁转矩,凸极转子铁心趋向于旋转到定转子极轴线B-B’与A-A’重合的位置;而电磁力的径向力分量则造成定子的“变形”,这也是产生转矩脉动和电机噪声的根本原因之一。在该过程中电机吸收电能。关断S1和S2,开通BB’相,此时AA’相经续流二极管VD1、VD2将电能回馈给电源,同时BB’相趋向运行到定转子极轴线C-C’与B-B’重合的位置。以此类推,顺次给A→B→C→D相循环励磁,在惯性和轴向力的作用下,转子将一直逆着励磁顺序旋转,从而完成自同步运行。同理若改变励磁顺序为C→B→A→D,则转子沿顺时针方向转动。由此可以看出, SRM与直流电机不同,其运行方向与相电流方向无关,而仅与相绕组通电顺序有关。 图1-2开关磁阻电机调速系统构成

家电电机的应用现状及发展趋势

电机是家电产品中的重要零部件,电机及其控制技术的发展对家电产品的升级换代起至关重要的作用。本文中,我们将具体探讨家电电机的应用现状和发展趋势。 家电电机一般采用B级或F级绝缘,应用场合十分广泛。B级绝缘电机的最高温度为130℃。F级绝缘的最高温度为155℃。对电机的性能要求往往包括在相应的家电电器中,例如,洗衣机的能耗标准就包括了对电机的效率要求。 用于各种家用电器的电机,一般均为单相电机,属分马力电机的范畴。如按电源分类,可以分为数种,具体见图1。 现有各种家电电机及其特点 (1)单相感应电机 尽管各种新型电机层出不穷,目前家电产品中使用最多的仍是单相感应电机,约占市场容量的80%以上。单相感应电机的结构简单、节能、容易生产成本低、技术成熟、没有电刷、运转噪音不大、寿命长。单相感应电机有自启动能力,但启动时冲击电流,速度与负载大小有关,效率一般,通常在50%~60%。罩极电机效率一般低于30%。 (2)单相变极感应电机 在家电电机中, 变极电机有一定应用,例如,在北美市场上的搅拌式洗衣机就采用了4/6极双速或4/6/8极三速电容起动电机。在中国国内的波轮式洗衣机则大部分采用4极单速电容运转电机。近年来,才开始出现由艾默生公司提供的4/6极共享绕组双速电容运转电机。长期以来,滚筒洗衣机大都采用2/16极或2/12极独立绕组电容运转电机。目前,单相变极感应电机正在逐渐被串激电机或三相变频感应电机所替代。 (3)无刷直流永磁电机(BLDC) 无刷直流永磁电机(BLDC)近年来在家电电机中得到越来越多的应用,如洗衣机、空调、洗碗机等。其优点是高效率与低噪声。与电子控制器相配合可以进行无级调速。日本在采用无刷直流电机上处于领先地位,其空调及洗衣机广泛地使用BLDC。但由于其没有自启动能力,通常不能脱离电子控制器而单独运行。与同样必须带电子控制的开关磁阻电机、三相感应调频电机相比,控制器的价格相差不大。由于这种电机在高速运转时需要进行弱磁控制,因而其应用受到限制。 (4)三相感应调频电机 由于三相感应调频电机的生产工艺比较成熟,其运行可靠性高。但是在需要兼顾较大范围速度调节时,其高速时的力矩及低速时的效率会受到限制。 (5)开头磁阻电机 开头磁阻电机的特点是转子结构简单,既没有绕组、磁钢,也没有电刷,因此特别适宜于高速及超高速运行,其效率及力矩在大范围调速中可保持较小的变化。缺点是较难控制其噪音,其电子控制器需要特殊的设计。 (6)永磁同步水泵电机 永磁同步水泵电机的特点是泵与电机结合成一体, 电机转子为 两极环形永磁体,没有电子控制器,靠振动启动,旋转方向不定,效率达60%~70%。比传统罩极电机效率提高一倍多,代表了无电子控制器的永磁电机的发展方向。 电机的发展趋势及研究方向 家电电机产品正在向高性能、轻薄短小化、永磁化、无刷化、机电一体化、智能化和组合化发展。 家电电机的应用现状及发展趋势 艾默生(中国)电机有限公司艾默生电机技术中心 费仁言 腾飞 家电电机分类 1 8

机电控制作业开关磁阻电机及matlab仿真

开关磁阻电机 一、概述 开关磁阻电动机结构简单、可靠性高、恒转矩、恒功率而且调速性能好(覆盖功率范围10W~5MW的各种高、低速驱动调速系统)、价格便宜、鲁棒性好等优点引起了各国电气传动界的广泛重视,由其构成的调速系统兼有直流传动和普通交流传动的优点,是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统的最新一代无级调速系统。这种新型调速系统使开关磁阻电机存在许多潜在的领域,在各种需要调速和高效率的场合均能得到广泛使用。 开关磁组电机调速系统之所以能在现代调速系统中异军突起,主要是因为它卓越的系统性能,主要表现在: (1) 电动机结构简单、成本低、可用于高速运转。 (2)功率电路简单可靠。 (3)系统可靠性高。 (4)起动转矩大,起动电流低。典型产品的数据是:起动电流为额定电流的15%时, 获得起动转矩为100%的额定转矩;起动电流为额定电流的30%时,起动转矩叮 达其额定转矩的250%。 (5)适用于频繁起停及正反向转换运行。 (6)可控参数多,调速性能好。控制开关磁阻电动机的主要运行参数和常用方法至少 有四种:相导通角、相关断角、相电流幅值、相绕组电压。 (7)效率高,损耗小。以3kw SRD为例,其系统效率在很宽范围内都是在87% 以上,这是其它一些调速系统不容易达到的。 (8)可通过机和电的统一协调设计满足各种特殊使用要求。 二、开关磁阻电动机的结构 图1-1开关磁阻电机结构图

典型的三相开关磁阻电动机的结构如图1-1所示。其定子和转子均为凸极结构,图示电机的定子有8个极,转子有6个极。定子极上套有集中线圈,两个空间位置相对的极 上的线圈顺向串联构成一相绕组,图2-1中只画出了A相绕组;转子由硅钢片叠压而成,转子上无绕组。该电机则称三相8/6极开关磁阻电动机。在结构形式及工作原理上,开关磁阻电动机与大步距反应式步进电机并无差别;但在控制方式上步进电机应归属于他控式变频,而开关磁阻电动机则归属于自控式变频;在应用上步进电机都用作“控制电机”而开关磁阻电机则是拖动用电机,因此电机设计时所追求的目标不同而使电机的设计参数不同。 与反应式步进电动机相似,开关磁阻电动机是双凸极可变磁阻电动机。图1-1给出了以8/6极开关磁阻电机为例的结构原理图,图中仅给出了一相的绕组及外围功率开关电路,从这个结构原理图中可以清晰的看到,开关磁阻电动机是双凸极结构,其转子上没有任何形式的绕组,也无永磁体,而定子上只有简单的集中绕组,其中径向相对的两个绕组构成一相。电动机每一相中流过的电流是由外围功率开关电路中的开关根据转子位置的变化,进行相应的通断而获得的。 图1-1中给出的开关磁阻电动机是四相的,通常情况下开关磁阻电动机可以设计成多种不同相数的结构,如两相、三相、四相或更多相,当相数增加时其结构将变得更复杂,相应的外围电路所使用的器件也相应增加。开关磁阻电动机极数的设计也有多种形式,但是定、转子极数和相数要遵循一定的关系。即定子极数应为相数的2倍或2的整数倍; 而转子极数应不等于定子极数且一般转子极数少于定子极数但都是偶数极[2]。由于开关磁阻电动机相数与极数的设计,低于三相的电动机没有自起动能力,对于有自启动、四象限运行要求的驱动场合,应选用表1-1所对应的定、转子极数组合方案。 表2-1 开关磁阻电动机各种方案

开关磁阻电机原理动画演示_说明

开关磁阻电动机原理 资料来源:https://www.360docs.net/doc/ef8187699.html,/zindex01.html 开关磁阻电动机(SR)是近些年发展的新型调速电机,结构简单结实、调速范围宽且性能好,现已广泛用在仪器仪表、家电、电动汽车等领域。 下面通过一个开关磁阻电动机原理模型来介绍工作原理。 双凸极结构 磁阻电机的定子铁芯有六个齿极,由导磁良好的硅钢片冲制后叠成,见下图。 磁阻电机定子铁芯 磁阻电机的转子铁芯有四个齿极,由导磁良好的硅钢片冲制后叠成,见下图。 磁阻电机转子铁芯

与普通电机一样,转子与定子直接有很小缝隙,转子可在定子内自由转动,见下图。 双凸极结构的定子铁芯与转子铁芯 由于定子与转子都有凸起的齿极,这种形式也称为双凸极结构。在定子齿极上绕有线圈(定子绕组),是向电机提供工作磁场的励磁绕组。 定子铁芯上有励磁绕组 在转子上没有线圈,这是磁阻电机的主要特点。在讲电动机工作原理时常用通电导线在磁场中受力来解释电动机旋转的道理,但磁阻电机转子上没有线圈,也无“鼠笼”,那是靠什么力推动转子转动呢?磁阻电动机则是利用磁阻最小原理,也就是磁通总是沿磁阻最小的路径闭合,利用齿极间的吸引力拉动转子旋转。

三相6/4结构工作原理 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连接在一起(标有紫色圆点的线端连接在一起),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相、B相、C相线圈仅为后面分析磁路带来方便,并不是连接普通的三相交流电。 磁阻电机励磁绕组分布图 在下面有一组磁阻电动机运转原理动画的截图,从中我们将看到磁阻电动机是如何转动起来的。A相、B相、C相线圈由开关控制电流通断,图中红色的线圈是通电线圈,黄色的线圈没有电流通过;通过定子与转子的深蓝色线是磁力线;约定转子启动前的转角为0度。 从左面图起,A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;中间图是转子转了10度的图,右面图是转到20度的图,磁力一直牵引转子转到30度为止,到了30度转子不再转动,此时磁路最短。 磁阻电机工作原理示意图-1 为了使转子继续转动,在转子转到30度前已切断A相电源在30度时接通B相电源,磁通从最近的转子齿极通过转子铁芯,见下左图,于是转子继续转动。中间图是转子转到40度的图,右面图是转到50度的图,磁力一直牵引转子转到60度为止。 磁阻电机工作原理示意图-2

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