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1、 双凸极电机驱动系统双凸极电机驱动系统9.双凸极电机驱动系统双凸极电机驱动系统普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家国家级规划教材划教材一、开关磁阻电机（一、开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor)1.结构特点结构特点a.定子和转子均为凸极结构；b.定子上空间相对的两个极上的线圈串联或并联构成一相绕组;c.转子上无绕组;d.最常见的组合为6/4极，8/6极或12/8极。9.双凸极电机驱动系统双凸极电机驱动系统普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家国家级规划教材划教材定子6极，转子4极 定子8极，转子6极定子12 极，转子8极9.双凸极电机驱动系统双凸极电机
2、驱动系统普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家国家级规划教材划教材开关磁阻电机驱动系统组成框图9.双凸极电机驱动系统双凸极电机驱动系统普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家国家级规划教材划教材2.工作原理工作原理1 当转子齿正对定子槽时，绕组电感有最小值；2 当转子齿与定子齿对齐时，绕组电感有最大值；3 当转子旋转时，绕组电感随之变化。9.双凸极电机驱动系统双凸极电机驱动系统普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家国家级规划教材划教材开关磁阻电机的运行原理是“磁阻最小原则”。在图示位置，当给B相绕组通电，转子将倾向于顺时针方向旋转，使磁路磁阻减小，直至转子齿2与定子齿B完全重合
3、。然后，B相断开，A相通电，转子磁阻转矩将进一步使转子向前转动至转子齿1与A相重合。转矩方向总是朝着最接近的定转子齿重叠的位置。按B-A-D-C顺序通电，转子将按顺时针方向连续旋转9.双凸极电机驱动系统双凸极电机驱动系统普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家国家级规划教材划教材为电磁转矩，Wf为磁场储能wr为转子机械角速度9.双凸极电机驱动系统双凸极电机驱动系统普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家国家级规划教材划教材由转矩公式可知：1.开关磁阻电机的转矩大小与电流平方成正比，因此转矩方向与电流方向无关，故可以采用单极性电流供电；2.转矩与绕组电感对转子位置角的变化率成正比。因此，
4、只有当绕组电感随转子位置角而增大时，给绕组通电才能产生正向电动转矩。当电感随转子位置角而下降时，如绕组中仍有电流，则将产生制动转矩；3.相绕组关断后绕组电流不能突变为零，有一个延续过程。为防止绕组电流延续到负转矩区，必须在绕组电感开始下降之前提前关断绕组。9.双凸极电机驱动系统双凸极电机驱动系统普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家国家级规划教材划教材3 基本控制策略基本控制策略A.低速时的电流斩波控制（Current chopping control-CCC)在电感很小时使绕组开通，电流快速上升。为防止电流过大而损坏电机，当电流达到最大值 Imax 时，使绕组关断；电流开始衰减，当电流
5、衰减咸至Imin 时，绕组重新开通。在最大电感出现之前必须将绕组关断，以免电流延续到负转矩区。9.双凸极电机驱动系统双凸极电机驱动系统普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家国家级规划教材划教材B.高速时的角度位置控制（Angular position control-APC)高速时，由于反电势大，电流受到限制，上升较慢。当到达最大值后，因电感的增加，电流反而下降。同样，为避免电流延续到负转矩区，绕组要在电感到达最大值之前关断。速度越高，要关断的越早。9.双凸极电机驱动系统双凸极电机驱动系统普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家国家级规划教材划教材典型机械特性9.双凸极电机驱动系统双
6、凸极电机驱动系统普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家国家级规划教材划教材4 功率变换电路功率变换电路每相一个开关管四相驱动电路（每相二个开关管）9.双凸极电机驱动系统双凸极电机驱动系统普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家国家级规划教材划教材5 开关磁阻电机的非线性特性开关磁阻电机的非线性特性 以上分析都是在线性条件下进行的。实际电机磁路为非线性。磁场分布9.双凸极电机驱动系统双凸极电机驱动系统普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家国家级规划教材划教材非线性电感非线性转矩9.双凸极电机驱动系统双凸极电机驱动系统普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家国家级规划教材划教材
7、6 开关磁阻电机的优缺点：开关磁阻电机的优缺点：优点：优点：1.结构简单，无刷，转子上无绕组和永磁体，可靠性高；2.采用集中式绕组，绕组端部短，省铜，绕组电阻小，效率高；3.因转矩与电流方向无关，可用单极性电流供电，故功率变换器可简化，每相可用一个功率器件，不仅降低了成本，还避免了上、下桥臂直通问题。缺点：缺点：1.由于只有当电感变化率为正时绕组才能导通，一个周期中只有半个得到利用，因此系统效率和材料利用率相对较低；2.定子绕组既要提供有功电流，又要提供无功电流，增大9.双凸极电机驱动系统双凸极电机驱动系统普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家国家级规划教材划教材 了绕组和功率变换器的V
8、A容量；无功（励磁）电流在绕组和功率器件中产生损耗，降低了系统效率；3.由于开关磁阻电机的绕组电感较大，并且绕组关断时电感处于电感最大值位置，关断后电流衰减慢，很容易延续到负转矩区，因此绕组需要提前关断，速度越高，提前量就要越大，使绕组有效导通区间减速小，削弱了电机的出力；4.因定转子为双凸极结构，转矩脉动分量较大，会引起振动和噪声。9.双凸极电机驱动系统双凸极电机驱动系统普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家国家级规划教材划教材二、双凸极永磁电机（二、双凸极永磁电机（Doubly salient permanent magnet motor-DSPM motor)1 结构特点定转子均为
9、凸极结构；定子齿上装有集中式绕组；转子上既没有绕组，也没有永磁体适合高速运行；定子上装有永磁体结构稳定，易于冷却；由于主磁路中放有两块磁导率与空气相近的永磁体，绕组电感比SR电机要小很多。8/6极DSPM电机截面图9.双凸极电机驱动系统双凸极电机驱动系统普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家国家级规划教材划教材6/4-pole DSPM motor12/8-pole DSPM motor9.双凸极电机驱动系统双凸极电机驱动系统普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家国家级规划教材划教材2 工作原理工作原理当转子齿进入定子齿下时，该定子绕组的磁链和电感均随之增加，当转子齿与定子齿完全重
10、合时，磁链有最大值；当转子齿离开定子齿时，磁链随之减小，当转子齿对着定子槽时，磁链有最小值。9.双凸极电机驱动系统双凸极电机驱动系统普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家国家级规划教材划教材忽略铜耗和铁耗，则电磁功率为：每相电磁转矩为：Tpm为永磁磁链与电枢电流相互作用产生的永磁转矩；Tr为绕组电感变化而产生的磁阻转矩，因电感很小，磁阻转矩分量较小，永磁转矩占主导地位。9.双凸极电机驱动系统双凸极电机驱动系统普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家国家级规划教材划教材当磁通变化率为正时，通入正电流，产生正转矩；当磁通变化率为负时，通入负电流，仍产生正转矩。可见，一个周期内两个区间均得
11、到利用，所以，DSPM电机的功率密度高，材料利率高。DSPM电机需要双极性电流供电。6/4极DSPM电机的转矩（每相值）9.双凸极电机驱动系统双凸极电机驱动系统普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家国家级规划教材划教材3 基本控制策略基本控制策略低速时的电流斩波控制（Current chopping control-CCC)9.双凸极电机驱动系统双凸极电机驱动系统普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家国家级规划教材划教材高速时的角度位置控制（Angular position control-APC)在正半周，因永磁磁链和电感的变化率均为正，电流上升较慢。在负半周，因开始时的反电势较
12、大，电流变化较慢，但到负半周的后部，因反电势变小，电感也较小，电流快速增加到很大的数值，为免电流过大，仍需进行斩波限流。9.双凸极电机驱动系统双凸极电机驱动系统普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家国家级规划教材划教材4 功率变换电路功率变换电路 为获得双极性电流，基本的功率变换电路有两种：一是每相一个全桥电路。每相需要四个功率器件，绕组电压就等 于直流电源电压。全桥功率变换器9.双凸极电机驱动系统双凸极电机驱动系统普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家国家级规划教材划教材二是带分裂电容的半桥功率变换器。v用两个电容将直流电压一分为二；v绕组电压等于直流电压的一半；v每相需要二个功
13、率器件。9.双凸极电机驱动系统双凸极电机驱动系统普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家国家级规划教材划教材5 转子位置传感转子位置传感 器器8/6极DSPM电机位置传感器位置信号与磁链之间的关系位置信号与磁链之间的关系9.双凸极电机驱动系统双凸极电机驱动系统普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家国家级规划教材划教材6 控制系统构成控制系统构成9.双凸极电机驱动系统双凸极电机驱动系统普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家国家级规划教材划教材非线性特性非线性特性PM flux linkageSelf-inductance可见，绕组电感不仅是转子位置角的函数，而且与电枢反应磁场对永磁体是去磁还增磁作用有关。PM-2A表示电枢电流磁场与永磁磁场反向，起去磁作用，磁路饱和程度低，故电感较大。反之，PM+2A时电感较小。9.双凸极电机驱动系统双凸极电机驱动系统普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家国家级规划教材划教材电感随转子位置和电流的变化关系9.双凸极电机驱动系统双凸极电机驱动系统普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家国家级规划教材划教材