密级：内部
三相6/4极开关磁阻电机转矩特性
分析与优化设计
Analysis and Optimal Design of Torque Characteristics of Three-phase 6/4 Pole Switch
Reluctance Motor
学院：电气工程学院
专业班级：电气工程及其自动化1003班
姓名：陈运楷
指导教师：张殿海（讲师）
2014年6月
摘要
近年来随着电力电子技术和控制技术的发展，诞生了一种新的特种电机—开关磁阻电机。该电机具有结构简单、调速性能优良、成本低廉、可靠性高、起动转矩大、效率高等优点。因此，被广泛应用于牵引传动、通用工业、家用电器等众多领域。
然而，由于开关磁阻电机的双凸极结构所引起的磁路非线性和饱和效应以及特殊的供电方式，与传统的电机相比存在着振动和噪声大的缺点，这就大大限制了开关磁阻电机向更多应用领域的拓展。因此为了得到更好的开关磁阻电机的动静态性能，如何降低转矩脉动和抑制噪声已经成为今后开关磁阻电机控制系统的研究重点。
首先根据开关磁阻电机的运行机理，以三相6/4极开关磁阻电机作为分析模型，利用ANSOFT软件中的Maxwell模块完成电机的建模和分析。
其次通过修改开关磁阻电机转子极弧系数以及在转子表面开口的方法，改善电机的输出转矩特性。结合MATLAB软件分析修改转子对平均转矩和转矩脉动的影响。
最后利用实验室自行开发的多目标优化软件对平均转矩和转矩脉动进行多次优化，经过比较后找到最佳解，得到平均转矩提高、转矩脉动下降的结果，达到优化设计的最终目的。
关键词：开关磁阻电机；转矩脉动；平均转矩；优化设计
Abstract
In recent years, with the development of power electronic technology and control technology, a new motor called switch reluctance motor, which has so many advantages such as simple structure, excellent performance of speed adjustment, low cost, high reliability, and large starting torque, high efficiency was developed. Therefore, it was applied in many fields such as traction drive, general industrial, and household appliances etc.
However, due to the double salient structure of switch reluctance motor which caused nonlinearity of the magnetic circuit and saturation effect as well as the special power supply pattern, compared with the traditional motor the vibration and noise is significant. This feature greatly limited the application of switch reluctance motor to more fields. Therefore, in order to achieve the better dynamic and static performance for the switch reluctance motor, how to reduce the torque ripple and noise has become the hot spot of the future research of switch reluctance motor and its control system.
Firstly, according to the operating mechanism of the switch reluctance motor, a three-phase 6/4 pole switch reluctance motor is taken as the analysis model, the torque characteristics is analyzed by utilizing the ANSOFT Maxwell module.
Secondly, in the optimization model, the rotor pole arc coefficient and sub-slot on the surface of rotor are taken as the design variables, the torque
ripple and average torque are taken as two objective functions. The MATLAB software is applied to calculate the average torque and torque ripple from the Maxwell results.
Finally, a multi-objective optimization algorithm which was developed by the laboratory is applied to find out the optimal solution. In order to determine the global optimal solution, the optimization procedure was carried out twice. From the results, the average torque and torque ripple characteristic were improved.
Keywords：Switch reluctance motor; torque ripple; average torque; optimal design
目录
摘要 ......................................................................................................................... I A bstract........................................................................................................................ I I 第1章绪论 (1)
1.1课题背景及意义 (1)
1.2课题国内外研究现状及趋势 (3)
1.2.1国内发展趋势 (3)
1.2.2国外发展趋势 (4)
1.3课题主要研究内容 (5)
1.4本章小结 (6)
第2章开关磁阻电机特点与设计方法 (7)
2.1三相6/4极开关磁阻电机的结构与原理分析 (8)
2.1.1三相6/4极开关磁阻电机的结构 (8)
2.1.2三相6/4极开关磁阻电机的运行原理 (9)
2.2开关磁阻电机分析与设计方法 (11)
2.2.1 基于Ansoft 的开关磁阻电机有限元分析介绍 (11)
2.2.2 转矩脉动、噪声和振动产生的根源 (13)
2.2.3 采用的设计方法 (13)
2.3本章小结 (14)
第3章开关磁阻电机建模 (15)
3.1创建电机几何模型 (15)
3.1.1创建项目 (15)
3.1.2建模过程 (16)
3.2材料定义及分配 (21)
3.3激励源与边界条件定义及加载 (23)
3.4运动选项设置 (27)
3.5求解选项参数设定 (28)
3.6磁力线与磁密云图 (31)
3.7外电路与有限元连接 (33)
3.8本章小结 (34)
第4章开关磁阻电机优化设计 (35)
4.1优化与设计 (35)
4.1.1多目标优化简介 (35)
4.1.2响应表面的应用 (36)
4.2修改转子极弧系数及结构 (37)
4.3求解转矩 (38)
4.4利用MATLAB求解平均转矩和转矩脉动 (41)
4.5优化过程 (44)
4.5.1一次优化 (45)
4.5.2 二次优化 (46)
4.6本章小结 (50)
第5章结论 (51)
参考文献 (53)
致谢 (56)
第1章绪论
1.1课题背景及意义
开关磁阻电机（Switch Reluctance Motor简称SR电机）具有结构简单、转子无绕组、无永磁体、可靠性高等特点，且有控制方式灵活、调速性能好等许多优点。因此逐渐应用于牵引传动、通用工业、家用电器等各个领域[1]。目前越来越多地研究开关磁阻电机在航空及汽车起动、发电机领域的应用[2]，它们对起动转矩的要求很高，特别是汽车起动和发电机。
十九世纪四十年代,开关磁阻电机的基本结构和原理现世，英国的Aberdeen和Davidson相互合作，经过漫长的研究一起设计出了开关磁阻电机的雏形[3]。在二十世纪六七十年代，英国的Leeds(里兹)大学和Nottingham(诺丁汉)大学相继开始对开关磁阻电机进行深入研究[4]。二十世纪八十年代，随着现代电子技术、计算机辅助设计、现代控制理论以及微机控制技术的不断进步，开关磁阻电机得到了进一步发展。1983年，英国的TASC Drives 有限公司在世界的瞩目下研制出了世界上第一台开关磁阻电机OUITON(7.5kW，1500r/min)，并将其投放市场。1984年，又推出了4～22kW四个规格的系列产品。原联邦德国在1984年至1986年期间也先后完成了lkW、1.2kW、5kW样机的研制[5]。开关磁阻电机以其调速性能好、电机结构简单、效率高、成本低、高容错性能等特点，问世不久便引起了各国电气领域的广泛关注，美国、加拿大、前南斯拉夫、埃及、土耳
其等许多国家也竞相发展。从1984年开始，我国许多著名单位开始SRM的研究、开发工作，如北京纺织机械研究所、原华中理工大学、南京航空航天大学、浙江大学等[6]。2005年山东科汇电气公司率先在全国实现开关磁阻电机的批量化生产，2007年成立了山东省开关磁阻电机调速工程技术研究中心。
正是由于开关磁阻电机在调速范围、效率及成本方面有着比较明显的优势。因此，正逐步应用于纺织、冶金、机械、石油、化工、航空、交通运输等行业，呈现强大的发展潜力，成为今后电机领域的研究重点。
然而，由于SR电机的双凸极结构以及特殊的供电方式，与传统的电机相比却存在着振动和噪声大的缺点，这大大限制了开关磁阻电机向更多应用领域(如家用电器等)的发展。近几年国内外针对减小开关磁阻电机振动和噪声的研究主要集中在最优励磁控制策略、两次换流控制策略、电机噪声源、定子振动模态、定子固有频率计算等方面，并取得了一定的突破。然而由于SRM的双凸极结构引起的磁路非线性和饱和效应，使得其存在噪声及转矩脉动，导致它在如伺服系统和电器等多种领域不能广泛应用[7]。因此为了获取更好的SRM的动静态性能，如何抑制噪声和降低转矩脉动已经成为当今SRM控制系统的研究重点。
但是，目前国内针对开关磁阻电机的振动和噪声问题还缺少系统的研究，SRM主要应用于振动和噪声要求不高的工业领域。由此可见，开关磁阻电机振动和噪声问题的研究具有十分重大的价值和意义。
本文根据开关磁阻电机运行机理，以6/4三相开关磁阻电机作为分析模型，利用ANSOFT软件完成电机的建模，实现电机的磁场、转矩以及不同
转子极结构对转矩影响的分析为开关磁阻电机的减振降噪提供了理论和实践依据。
1.2课题国内外研究现状及趋势
1.2.1国内发展趋势
磁阻电机是结构最简单的电机之一，由于其同步控制困难，在过去一直被限制，很少看到关于它的应用。随着现代电力电子技术、控制技术以及数字计算机技术的迅速发展，形成了磁阻电机应用的新台阶—开关磁阻电机。它既继承了磁阻电机结构简单坚固的优点，又在高度发展的电力电子和微机控制技术的支持下获得了良好的可控性，并逐渐在电动调速领域和可靠发电领域内获得了一席之地。从80年代开始取得了迅猛的发展，展现出非常好的发展形式。我国对开关磁阻电机调速系统的开发研究开始于1984年，1988年在南京召开的第一届开关磁阻电机研讨会，1991年在武汉召开的第一届研讨会。1992年，在中国电工技术学会中小型电机专业委员会领导下成立了开关磁阻电机学组，以更好地推动开关磁阻电机研究工作的进展[8]。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[9]。在借鉴国外经验的基础上，国内对开关磁阻电机调速系统的开发研究虽然起步较晚，但是起点较高，研制目标基本都集中在较为成熟的二相或四相控制方案上，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。北京纺织机械研究所将SRD
应用于印花机、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，国内己有一大批高校、研究所和工厂投入开关磁阻电动机调速系统的研究、开发和制造工作[10]。迄今为止已经有十余家单位推出不同性能、不同用途的几十个系列规格产品，应用于纺织、冶金、机械、运输等行业的数十种生产机械和交通工具中，开关磁阻电动机在一些机械中发挥独有的优势[11]。
1.2.2国外发展趋势
相比于国内，国外对开关磁阻电机的振动和噪声研究较早。20世纪60年代，大功率晶闸管的研制投产为SRM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SRM进行深入研究。到1970年左右，研究结果表明：SRM可在单向电流下四象限运行，功率变换器无论用晶体管还是用普通晶闸管，它们所需的开关数都是最少的；电动机成本也普遍低于同容量的异步电动机。七十年代初，美国福特公司也研制出最旱的开关磁阻电动机调速系统，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传动，轰动一时。1973年英国的Nottingham大学也开始对SRM攻关。1975年，上述两所大学的研究小组联合参加了Chlorida Technical有限公司发起的制造蓄电池车辆驭动装置的研究工作，成功研制了用于电动汽车的50KW的SRM装置，其中一位输出功率和效率都高于同类的异步电动机驱动装置，这充分说明SRM大有前途[12]。
1981年英国TASC公司获准制造SRM系统，之后并于1983年推出了商品名为Oulton的通用调速系列产品，问世不久便引起各国电气传动界的广泛重视，美国、加拿大、南斯拉夫等国竞相发展，并在系统一体化设计、电动机电磁分析、微机应用、功率元件应用、新型结构开发等方而取得进展[13]。原联邦德国在1984年至1986年期间也先后完成了1kW、1.2kW、5kW 样机的试制[14]。
2000年和2003年M．N．Anwar和Iqbal Husajn提出了计算开关磁阻电机径向磁拉力和预测电机噪声的解析方法，并分析了定、转子极对数对电机噪声的影响[15]。Majid Hajatipour和Mohammad Farrokhi 采用自适应智能控制方法来降低转矩脉动，以减小噪声[16]。
1.3课题主要研究内容
本次毕业设计的主要目的就是结合当前开关磁阻电机的发展现状，以6/4三相开关磁阻电机作为分析模型，利用ANSOFT软件中的Maxwell模块完成电机的建模，实现电机的磁场、转矩以及不同转子极结构对转矩影响的分析。并采用实验室自行开发的多目标优化软件，实现对样机平均转矩和转矩脉动两个目标的优化设计。
为了研究开关磁阻电机的性能，主要进行一下工作的研究如下：
（1）查阅国内外相关文献、资料，了解其现状和发展动态，撰写开题报告；
（2）学习开关磁阻电机的结构和工作原理；
（3）有限元法的原理和分析过程的学习；
（4）利用ANSOFT软件中Maxwell模块对开关磁阻电机建模；
（5）修改开关磁阻电机定转子结构，分析对平均转矩和转矩脉动的影响；
（6）利用实验室自行开发的多目标优化软件实现对样机平均转矩和转矩脉动两个目标的优化设计。
1.4本章小结
本章主要叙述了开关磁阻电机的优缺点和发展现状及发展前景，并对本次毕业设计的任务做了简要的概括，为后面的设计明确了目标，做了铺垫工作，以保证后面的工作能顺利进行。
第2章开关磁阻电机特点与设计方法
随着电力电子技术和控制技术的发展、新材料的发明，为设计和应用新型电机提供了契机，而且随着社会生活中出现新的特殊需要，使得设计和应用新型电机也成为必要，开关磁阻电机的出现便是其中一例。开关磁阻电机具有以下优点：
（1）开关磁阻电机有较大的电机利用系数，可以是感应电机利用系数的1.2~1.4倍。
（2）电机的结构简单，转子上没有任何形式的绕组；定子上只有简单的集中绕组。因此，具有制造工序少、成本低、可靠性好、维修量小等特点。
（3）开关磁阻电机的转矩与电流极性无关，只需要单向的电流激励，理想上公率变换电路中每相可以只用一个开关元件，且与电机绕组串联，不会像PWM逆变器电源那样，存在两个开关元件直通的危险。所以，开关磁阻电机驱动系统SED线路简单且可靠性高，成本低于PWM交流调速系统。
（4）开关磁阻电机转子的结构形式对转速限制小，可制成高转速电机，而且转子的转动惯量小，在电流每次换相时又可以随时改变相匝转矩的大小和方向，因而系统有良好的动态响应。
（5）由于开关磁阻电机采用了独特的结构和设计方法以及相应的控制技巧，其单位处理可以与感应电机相媲美，甚至还略占优势。
美中不足的是开关磁阻电机同时也存在着以下缺点：
（1）有转矩脉动。从工作原理可知，开关磁阻电机转子上产生的转矩是由一系列脉冲转矩叠加而成的，由于双凸极结构和磁路饱和非线性的影响，合成转矩不是一个恒定转矩，而有一定的谐波分量，这影响了开关磁阻电机低速运行性能。
（2）开关磁阻电机传动系统的噪声与震动比一般电机大。
（3）开关磁阻电机的出线头较多，如三相开关磁阻电机至少有四根出线头，四相开关磁阻电机至少有五根出线头，而且还有位置检测器出线端。
2.1三相6/4极开关磁阻电机的结构与原理分析
三相6/4极开关磁阻电机结构简单，运行原理是基于磁通总是沿磁阻最小（磁导最大）的路径闭合。
2.1.1三相6/4极开关磁阻电机的结构
开关磁阻电机采用凸极定子和凸极转子的双凸极结构，并且定转子极数不相同，定子有集中绕组,，转子上无绕组，如图2.1所示。三相6 /4 结构开关磁阻电机定子有6个齿极(即N s =6)，沿圆周均匀分布，其中每个齿极上绕有一个线圈，径向相对的两个线圈串联便构成了一相绕组可组成A、B、C 三相绕组。转子有4个沿圆周均匀分布的齿极(即N r = 4)，但齿极上没有绕组。
图2.1三相6/4极开关磁阻电机的结构
2.1.2三相6/4极开关磁阻电机的运行原理
如图2.2给出了三相6 /4结构开关磁阻电机的横切面和一相电路的原理示意图，S1、S2 是电子开关，VD1、VD2是续流二极管，E 是直流电源。定子和转子呈凸极形状，转子由叠片构成，无绕组，定子绕组可根据需要采用串联、并联或串并联结合的形式在相应的极上得到径向磁场，转子带有位置检测器以提供转子位置信号，使定子绕组按一定的顺序通断，保持电机的连续运行。电机磁阻随着转子磁极与定子磁极的中心线对准或错开而变化，因为电感与磁阻成反比。当转子磁极在定子磁极中心线位置时，相绕组电感最大，当转子极间中心线对准定子磁极中心线时，相绕组电感
最小。
图2.2 三相6 /4开关磁阻电机结构和原理示意图当定子A相磁极轴线A1A2与转子磁极轴线a1a2不重合时，开关S1、S2闭合，A相绕组通电，电动机内建立起以A1A2为轴线的径向磁场, 磁通通过定子轭、定子极、气隙、转子极、转子轭等处闭合。通过气隙的磁力线是弯曲的, 此时磁路的磁导小于定、转子磁极轴线重合时的磁导, 因此, 转子将受到气隙中弯曲磁力线的切向磁拉力产生的转矩的作用, 使转子逆时针方向转动, 转子磁极的轴线a1a2向定子A 相磁极轴线A1A2 趋近。当A1A2和a1a2 轴线重合时, 转子已达到平衡位置, 即当A 相定、转子极对极时, 切向磁拉力消失, 转子不再转动。此时打开A 相开关S1、S2, 合上B 相开关, 即在A 相断电的同时B 相通电, 建立以B 相定子磁极为轴线
的磁场。依此类推, 定子绕组A - B - C 三相轮流通电一次, 转子逆时针转动了一个转子极距，对于三相6 /4极开关磁阻电机, 极距等于90度, 定子磁极产生的磁场轴线则顺时针移动了180度空间角。可见, 连续不断地按A - B -C - A 的顺序分别给定子各相绕组通电, 电动机内磁场轴线沿A - B - C - A 的方向不断移动, 转子沿A -C - B - A 的方向逆时针旋转。如果按A - C - B - A的顺序给定子各相绕组轮流通电, 则磁场沿着A - C- B - A 的方向转动, 转子则沿着与之相反的A - B- C - A 方向顺时针旋转。
2.2开关磁阻电机分析与设计方法
一直以来，对开关磁阻电机控制优化研究的比较多，而对本体结构优化设计的研究则比较少。本文研究主要是基于ANSOFT软件中的Maxwell 模块从电机结构优化设计方面阐述抑制转矩脉动和噪声的方法措施。
2.2.1 基于ANSOFT 的开关磁阻电机有限元分析介绍
ANSOFT公司研发的大型电磁场有限元分析软件Maxwell已逐渐成为工程设计人员和研究工作者在电子产品设计流程中不可或缺的重要工具。随着Maxwell版本的不断更新，其应用范围也不断扩大，目前被广泛应用于电机、电子、电力电子、交直流传动、电源、电力系统、汽车、航空航天、生物医学、石油化工、国防军工等领域，已经在通用电气、Rockwell、ABB、西门子、通用汽车、宝马、NASA等世界知名企业与机构得到广泛应用和验证。有限元法（finite element method）是一种高效能与常用的计算方法。基本思想是由解给定的泊松方程化为求解泛函的极值问题。原理
是将连续的求解域离散为一组单元的组合体，用在每个单元内假设的近似函数来分片的表示求解域上待求的未知场函数，近似函数通常由未知场函数及其导数在单元各节点的数值插值函数来表达。从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题，从而使研究问题变得简单。由于电磁场数值分析和计算机仿真模拟可为产品的设计和优化提供最可靠的依据，许多花费巨大的模拟试验可以由数值模拟取而代之。它在国内外企业、研究单位和高校已受到非常普遍的重视并得到广泛的应用，成为提高产品竞争力的主要手段[17]。
Maxwell 2D是ANSOFT系统设计解决方案的重要组成部分。Maxwell 2D 是一个功能强大、结果精确、易于使用的二维电磁场有限元分析软件。它包括电场、静磁场、涡流场、瞬态场和温度场分析模块，可以用来分析电机、传感器、变压器、永磁设备、激励器等电磁装置的静态、稳态、瞬态、正常工况和故障工况的特性。它所包含的自上而下执行的用户界面、领先的自适应网格剖分技术、用户定义材料库等特点，使得Maxwell 2D 在易用性上遥遥领先[18] [19]。Maxwell 2D具有高性能矩阵求解器和多CPU 处理功能，提供了最快的求解速度。ANSOFT的分析步骤一般包括：（1）创建有限元模型；
（2）定义材料属性；
（3）划分网格（节点和单元）；
（4）施加载荷并求解：施加载荷及载荷选项、设定约束条件，然后求解；
（5）后处理：计算或查看结果。
目录 摘要 (1) ABSTRACT (2) 第一章绪论 (3) 1．1课题背景及选题意义 (3) 1．2 国内外电动汽车的研究发展现状 (4) 第二章电动汽车电机控制器硬件系统设计 (5) 2．1硬件系统总体设计思路 (5) 2．2驱动电机的选择 (6) 2. 3功率模块的选择 (7) 第三章电动汽车电机控制器软件系统设计 (8) 3. 1 引言 (8) 3．2 采用插值查表法计算磁通定向角的正弦和余弦值 (8) 3. 3矢量控制算法在DSP上的实现的总体思路 (9) 第四章结论 (11) 参考文献 (12)
基于DSPTMS320LF2407电动汽车驱动电机控制器的优化 设计 摘要 随着能源危机的日益加剧和环境压力的增加，电动汽车代替传统的燃油汽车已经成为一个必然的趋势，特别是我国石油大量靠进口的现状，使得这一趋势尤为突出。目前，国内电动汽车研究开发与国外的差距还不算大，如果我们充分认识到这一问题的严重性和紧迫性，集中有限资源抢占新一代电动汽车研究和开发的制高点，就可以促进我国汽车工业实现跨越式发展。在电动汽车中，电机驱动技术是最关键的技术之一。因此，当前应该注重电动汽车科研队伍的建设，提高自主研发能力，形成具有自主知识产权的产品。 在这个背景之下，本论文对异步电机的矢量控制技术进行了理论分析和研究，采用数字信号处理器TMS320LF2407为核心控制器，IPM为功率模块，设计并在车上运行调试和优化出适合电动汽车运行工况的电动汽车驱动电机控制 算法。 论文给出了转子时间常数辨识、励磁电流测定、矢量控制算法验证等实验的方法和结果，也给出了现场装车实验的一些结果。实验结果表明该控制器硬件、软件及控制算法设计正确、可靠、有效。该系统已经在电动汽车上装车运行，运行结果表明该控制器的各项性能指标满足电动汽车的运行要求，性能与国外同类产品相当，其硬件和控制软件均拥有自主的知识产权。 关键词：电动汽车，矢量控制，能量回馈
基于有取向硅钢的轴向磁通开关磁阻电机准三维解析分析与设 计 马霁旻;王杜;曲荣海;李健;李新华 【摘要】轴向磁通开关磁阻电机定、转子齿形在不同圆周半径上极弧角度变化不一致,利用二维解析法分析该类电机会带来较大误差.该文利用准三维解析法对轴向磁通电机展开径向分层计算,确定电机转子关键位置处的磁链特性.在准三维解析法分析的基础上,利用准三维有限元方法对基于不同铁磁材料的模型进行了比较分析.研究结果和样机测试数据表明:基于有取向硅钢材料的轴向磁通开关磁阻电机定、转子磁极轴线对齐位置处的磁链值可以提高15％,准三维解析法的分层计算精度较高,对于电机初期设计而言,该方法的磁链分析误差从工程上认为是可以接受的. 【期刊名称】《电工技术学报》 【年(卷),期】2018(033)017 【总页数】9页(P4069-4077) 【关键词】轴向磁通开关磁阻电机;极弧角度;准三维解析法;有取向硅钢材料;电磁性能 【作者】马霁旻;王杜;曲荣海;李健;李新华 【作者单位】湖北工业大学电气与电子工程学院武汉 430068;湖北工业大学电气与电子工程学院武汉430068;强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学) 武汉 430074;强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学) 武汉 430074; 湖北工业大学电气与电子工程学院武汉 430068
【正文语种】中文 【中图分类】TM352 开关磁阻电机因具有成本低、易维护、可控性高以及容错性好等优点而得到了人们的广泛关注和迅猛发展[1-8]。开关磁阻电机与传统异步电机、直流电机相比具有 结构简单、运行可靠性高、起动转矩大、绕组端部短等优点。然而，其磁阻性质的电磁转矩决定了该类电机的转矩密度相对较低，这也是开关磁阻电机进入高性能驱动领域需要面对和解决的问题。所以，本文根据开关磁阻电机的结构特点，通过电机铁磁材料优化选择以及相应的电机拓扑结构优化设计，以期提高电机性能，进一步扩展该类电机的应用场合。 一般来说，无取向硅钢片主要应用于各类旋转电机、电子变压器铁心的生产制造中，而有取向硅钢片主要用于变压器、互感器、电抗器、大型发电机等设备的铁心制造。在旋转电机运行过程中，磁通方向会随着转子运动不断变化，如果简单地将有取向硅钢片替代无取向硅钢片运用于旋转电机中，定、转子齿轭结合部磁通方向的剧烈变化将导致电机性能的恶化。目前，国内外许多学者针对有取向硅钢片应用在旋转电机中的问题开展了研究。日本学者T. Tomida等[9]对内嵌式永磁同步电机定子 结构进行修改，利用高磁感双取向硅钢片取代传统无取向硅钢片，定子齿模块中的主磁路方向与双取向硅钢片横纹方向基本一致，定子轭部与双取向硅钢片轧制方向一致。得益于高磁感双取向硅钢片在两个垂直方向上的高磁导率和低铁耗，电机效率可提高2%[9]。法国学者S. Lopez等[10]提出一种硅钢片叠压方式，使晶粒取 向硅钢片的轧制方向尽量与定子磁路方向保持一致，从而获得最优的励磁电流和铁心损耗。日本学者K. Fujisaki等[11]将晶粒取向硅钢片切割成独立的定子齿和轭部，提出了一种新型电机并将其命名为“磁各向异性电机”，通过对电机参数进行优化，使该电机比同等条件下传统无取向硅钢材料电机的铁心损耗降低了43%，
开关磁阻电机组成-概述说明以及解释 1.引言 1.1 概述 开关磁阻电机是一种新型的电机，它利用磁阻效应来实现能量转换。相比传统电机，它具有结构简单、体积小、效率高的优点，因此在各种领域都有着广泛的应用前景。本文将对开关磁阻电机的原理、组成部分、工作特点以及未来发展前景进行深入探讨，旨在帮助读者全面了解这一新型电机的优势和应用领域，以及对未来的展望。1.1 概述部分的内容 1.2 文章结构 文章结构部分介绍了整篇文章的框架和组织方式。首先，我们会简要介绍每个章节的内容，包括引言、正文和结论部分。然后，我们会详细说明每个章节的具体内容和重点，以便读者了解文章的整体结构和主要讨论内容。最后，我们会强调本文的目的和意义，引导读者对整篇文章有一个清晰的认识。通过文章结构部分的介绍，读者可以更好地把握整篇文章的主旨和重点内容，有助于他们更好地理解和消化文章所述的知识。 1.3 目的 本文旨在深入探讨开关磁阻电机的组成和工作原理，以便读者对其有更全面的了解。通过对开关磁阻电机的结构和工作特点进行介绍，读者可以更好地理解其在工程和科技领域的应用。同时，本文也旨在总结开关磁
阻电机的优势，并展望其在未来的发展前景，为读者提供关于这一领域的前沿信息和未来发展趋势。希望本文能够为读者提供有益的知识，让他们对开关磁阻电机有更深入的了解和认识。 2.正文 2.1 开关磁阻电机的原理 开关磁阻电机的原理是基于磁通分配原理。当电机的定子和转子上的绕组通电时，产生的磁场会使铁心中的磁通分布发生变化。在转子位置发生变化时，会引起定子和转子之间的相对运动，从而产生电动势和电流，从而驱动转子转动。 开关磁阻电机利用磁阻效应来调节电机转子位置，从而实现电机的正反转和调速。它通过在绕组中引入开关电源，改变磁通的路径，使得磁阻产生变化，从而控制转子的位置和速度。 在开关磁阻电机中，通过精确控制磁阻，可以实现高效率、快速响应的电机运行。这种原理使得开关磁阻电机具有良好的动态性能和节能特点，适用于需要快速响应和高效率的应用场景。 2.2 开关磁阻电机的组成部分 开关磁阻电机的组成部分包括以下几个主要部件： 1. 转子：开关磁阻电机的转子通常由多极磁性材料制成，其特殊的磁
15 开关磁阻电机 本章我们将简化RMxprt 一些基本操作的介绍，以便介绍一些更高级的使用。有关RMxprt 基本操作的详细介绍请参考第一部分的章节。 15.1基本理论 开关磁阻电机的定子和转子均为凸极结构，通常定子的极对数大于转子的极对数。定子磁极上有多相集中绕组，转子上无绕组。当定子上某（些）绕组通电时，由于磁阻的差异，转子将受到力矩的作用，转子磁极向与定子磁极对齐（磁阻最小）的位置转动，以使定子绕组获得最大的磁链。 绕组的相数是定子极数与定、转子极数的最小公约数之比。 在开关磁阻电动机(SRM)中，定子和转子的极数不同，转子上设有位置传感器，定子电流严格地根据转子的位置换向。转子的位置信号通过位置传感器获得。定子绕组按顺序触发，一般情况下当一相绕组电流关断或快要关断时，下一相绕组被触发。因此可以忽略两相绕组间的相互影响。 一相的电压方程为： t i i R u u S T d ),(d θψ+ += (15.1) 式中u T 表示晶体管或二极管的压降，R S 表示定子绕组电阻。Ψ (θ, i )表示转子在θ位置，绕组电流为i 时绕组的磁链，如图15.1所示，当转子槽的中心与绕组轴线对齐时转子的位置为0。 图 15.1 Ψ (θ， i) 令 )(),(),(θθθθL i i i i L =ψ≈?ψ?= (15.2)
) (),(θθθθθ G L i i 1G =??≈?ψ?= (15.3) 得出 i G i L i R u u e S T ωθ+++=p (15.4) 式中ωe 表示转速，用电角度表示，微分算子为： t d d p = (15.5) 瞬时电磁转矩t 2为： 22Gi 21t = (15.6) 输入电功率可由电压和电流获得： ?=T 1t ui T 1 P 0 d (15.7) 输出的机械功率为： ) (Fe t Cua fw 12P P P P P P +++-= (15.8) 式中P fw ，P Cua ，P t 和P Fe 分别表示摩擦和风损耗、电枢铜损耗、晶体管/二极管压降损耗和铁心损耗。 平均输出的机械转矩为 m 2 2P T ω= (15.9) 式中ωm 表示转速，用电角度表示电机的效率由下式计算： %100P P 1 2 ?= η (15.10) 15.2主要特点 15.2.1 支持三种基本的电路形式 支持三种基本的电路：全压型、半压型和线圈耦合型。 15.2.2 支持电流斩波控制 对于采用电流斩波控制的开关磁阻电动机，可以通过RMxprt 设置斩波电流的上下限。
密级：内部 三相6/4极开关磁阻电机转矩特性 分析与优化设计 Analysis and Optimal Design of Torque Characteristics of Three-phase 6/4 Pole Switch Reluctance Motor 学院：电气工程学院 专业班级：电气工程及其自动化1003班
姓名：陈运楷 指导教师：张殿海（讲师） 2014年6月
摘要 近年来随着电力电子技术和控制技术的发展，诞生了一种新的特种电机—开关磁阻电机。该电机具有结构简单、调速性能优良、成本低廉、可靠性高、起动转矩大、效率高等优点。因此，被广泛应用于牵引传动、通用工业、家用电器等众多领域。 然而，由于开关磁阻电机的双凸极结构所引起的磁路非线性和饱和效应以及特殊的供电方式，与传统的电机相比存在着振动和噪声大的缺点，这就大大限制了开关磁阻电机向更多应用领域的拓展。因此为了得到更好的开关磁阻电机的动静态性能，如何降低转矩脉动和抑制噪声已经成为今后开关磁阻电机控制系统的研究重点。 首先根据开关磁阻电机的运行机理，以三相6/4极开关磁阻电机作为分析模型，利用ANSOFT软件中的Maxwell模块完成电机的建模和分析。 其次通过修改开关磁阻电机转子极弧系数以及在转子表面开口的方法，改善电机的输出转矩特性。结合MATLAB软件分析修改转子对平均转矩和转矩脉动的影响。 最后利用实验室自行开发的多目标优化软件对平均转矩和转矩脉动进行多次优化，经过比较后找到最佳解，得到平均转矩提高、转矩脉动下降的结果，达到优化设计的最终目的。 关键词：开关磁阻电机；转矩脉动；平均转矩；优化设计
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。
开关磁阻电机的优化控制研究毕业论文目录 摘要........................................................................................................................错误!未定义书签。Abstract.................................................................................................................错误!未定义书签。 第1章绪论 (1) 1.1引言 (1) 1.2课题背景 (2) 1.2.1SR电机的发展概况 (2) 1.2.2课题研究的目的和意义 (3) 1.3论文的主要内容 (4) 1.4小结 (4) 第2章开关磁阻电机控制系统概述 (5) 2.1开关磁阻电机及其调速系统 (5) 2.1.1开关磁阻电机工作原理 (5) 2.1.2SRD系统组成及原理 (6) 2.2SR电机模型 (6) 2.2.1SR电机的简化线性模型 (6) 2.2.2SR电机的准线性模型 (7) 2.3本章小结 (8) 第3章PID控制及模糊控制的基本原理 (9) 3.1 模拟PID控制的原理 (9) 3.1.1比例控制 (10) 3.1.2积分调节 (10) 3.1.3微分调节 (11)
3.2模糊控制原理 (12) 3.2.1模糊控制系统的组成 (12) 3.2.2模糊控制的特点和理论研究问题 (15) 3.2.3模糊控制在SRD中的应用背景 (15) 3.3模糊控制器的设计 (16) 3.4本章小结 (19) 第4章基于MATLAB/simulink环境的SR电机调速系统的仿真 (21) 4．1仿真软件MATLAB／Simulink简介 (21) 4.2系统仿真研究 (22) 4.2.1被控对象 (22) 4.2.2PI仿真模型及结果 (22) 4.2.3常规模糊控制器仿真模型及结果 (22) 4.2.4常规模糊控制的改进策略 (28) 4.2.5大惯性性环节同比例因子的关系 (31) 4.3本章小结 (35) 第5章开关磁阻电机控制系统设计 (37) 5.1引言 (37) 5.2硬件设计部分 (37) 5.2.1系统硬件结构 (37) 5.2.2功率变换器设计 (38) 5.2.3控制电路设计 (39) 5.3软件部分设计 (45) 5.3.1软件部分概述 (45) 5.3.2主程序流程 (46) 5.3.3初始化模块 (47) 5.3.4起动模块 (47) 5.3.5运行模块 (49) 5.3.6中断模块 (49) 5.4本章小结 (51)
基于有取向硅钢的轴向磁通开关磁阻电机分析和设计 开关磁阻电机作为电力驱动系统中实现能量转换的一种部件,具有结构坚固、成本低廉、容错性能强、启动转矩高等优点。但与永磁同步电机相比,较低的转矩密度制约了开关磁阻电机的更广泛应用。本文以提高轴向磁通开关磁阻电机转矩密度、降低铁耗为主要目标展开了理论分析和优化设计,并通过样机实验对电机分析、设计结果进行了验证,主要研究工作及成果可以归纳为以下几方面:1.根据对电机用铁磁材料特性及其适用范围的详细比较,以及对轴向磁通开关磁阻电机结构特点的分析,提出了齿轭分离的模块化电机拓扑结构,在定、转子齿部选择晶粒有取向硅钢材料,利用其轧制方向上的高磁导率特点,使提出的模块化电机拓扑结构具有更高的功率密度。2.提出不同电机定子结构以提高晶粒有取向硅钢材料轧制方向上的利用率,减小磁通在该材料非轧制方向上的运行路径,改善电机定子齿、轭连接部的磁路分布,从而进一步提高晶粒有取向硅钢材料在轴向磁通开关磁阻电机应用的有效性。3.针对轴向磁通开关磁阻电机定、转子齿形在不同圆周半径上极弧角度变化不一致的特点,利用准三维磁路法对轴向磁通电机展开径向分层研究,提高分析精度,确定初步电磁设计方案。在准三维磁路法分析的基础上,利用准三维有限元方法对基于不同铁磁材料模型的转子直径比、定子齿极弧、定子轭部轴向长度以及转子齿极弧等主要设计参数进行了优化分析和设计,研究结果表明:基于有取向硅钢材料的轴向磁通开关磁阻电机电磁性能明显优于传统无取向材料电机。4.根据电磁仿真得到的电机损耗分布结果,进
行温度场有限元分析,确定电机在不同工作负荷下的运行温度点,进而设置环氧树脂玻璃布层压板转子护套在特定温度下的机械特性参数。利用简化Taguchi优化设计与有限元分析相结合的方法,对电机在不同故障条件下,轴向不平衡磁拉力造成的转子护套结构应力、变形问题进行分析;在满足电磁性能指标的前提下,得到电机结构优化参数。5.根据晶粒有取向硅钢材料特性,结合开关磁阻电机不同运行状态下的控制策略和各相绕组导通角的取值范围,提出了定、转子齿中有取向硅钢材料的轧制方向优化选择策略,以提高电机性能。研究表明,在特定优化角度条件下的电机平均转矩和铁耗均优于轧制方向垂直于电机轴向方向时的初始数值。6.搭建了轴向磁通开关磁阻电机的静、稳态参数一体化测试平台。在此基础上,测量了样机不同转子位置处的静态磁链,并与电磁场有限元仿真结果进行比较,分析误差产生的原因,验证了有限元模型分析设计的可靠性。在样机稳态参数测试实验中,对不同导通角和负载条件下的电机转矩、效率等电磁性能进行了对比分析,并利用红外热成像相机实际测量了样机在不同负载条件下的温升分布状况,在证明本文所提模块化轴向磁通开关磁阻电机优异电磁性能的同时,也证明了环氧树脂玻璃布层压板作为转子护套在轴向磁通开关磁阻电机中应用的可靠性。
开关磁阻电机发展概况 1 发展简介 开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor, SRM)最早可以追溯到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雏形。到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。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。下表是当时对几种常用变速传动系统各项主要经济指标所作的比较。成本 1.0 1.5 1.0 美国、加拿大、南斯拉夫、埃及等国家也都开展了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。我国大约在1985年才开始对SRD系统进行研究。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。 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。 2 SRD系统的特点 SR电机系统具有一些很有特色的优点: (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，端部尺寸短而牢固。工作可靠，能适用于各种恶劣、高温甚至强振动环境;
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
开关磁阻电机的三维有限元分析 熊春宇;王艳芹;吴春梅;李欣欣 【摘要】为了解决二维有限元分析开关磁阻电机磁场不准确的问题,采用了三维建模方法,对开关磁阻电机的整个场域进行三维有限元分析.基于整体建模的方法,利用三维有限元数值进行分析计算,准确描述开关磁阻电机的端部磁场效应.在三维有限元分析加载电流时,提出了“跑道线圈”这一概念.该概念在考虑了端部效应的同时,也解决了立体模型施加载荷时出现的方向选择困难的问题.采用通用磁标势法对非线性方程组进行求解,得出了最大电感和最小电感位置处的磁感应强度和磁场强度分布.%To solve the problem that two-dimensional finite element analysis of magnetic field of switched reluctance motor is not accurate enough, by using the method of three-dimensional modeling, three-dimensional finite element analysis of entire field of switched reluctance motor is accomplished. Based on the overall modeling method, and by adopting three-dimensional finite element analysis values, the end portion magnetic effect of the switched reluctance motor is described precisely. The concept of racetrack coil is put forward during three-dimensional finite element analyzing of loading current. In addition, the problem of difficulty of selecting direction of applying load for three-dimensional model is also resolved. The nonlinear equations are solved with universal magnetic scalar potential method, and the distribution of magnetic induction and magnetic field intensity at the positions of maximum and minimum induction are found.
基于有限元的开关磁阻电机电磁场优化分析 刘潇;罗丹 【摘要】基于有限元分析软件,对三相(12/8)开关磁阻电动机的二维电磁场进行了 系统的分析,计算出电机在不同转子位置角和电流下的磁场分布、磁能和静态特性, 通过为电机加载控制电路,得到电机动态运行时的电流特性及转矩特性,并通过计算 不同关断角下的转矩脉动趋势,找到最优的关断角,为开关磁阻电动机的设计与优化 提供了可靠依据. 【期刊名称】《河南科技》 【年(卷),期】2016(000)002 【总页数】5页(P83-87) 【关键词】开关磁阻电机;电磁场;有限元 【作者】刘潇;罗丹 【作者单位】国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心,河南郑州450002;国 家知识产权局专利局专利审查协作河南中心,河南郑州450002 【正文语种】中文 开关磁阻电动机（SRM）是近年来随着电机学、微电子学、电力电子和控制理论 的发展而迅速发展起来的一种新型电机。SRM具有双凸极结构，转子上没有绕组，也没有永磁体，仅由硅钢片叠加而成，定子上仅有简单的集中绕组［1］。SRM 的结构简单坚固，调速范围宽，调速性能优异，且在整个调速范围内都具有较高效率，系统可靠性高。目前已广泛应用于电动车驱动系统、家用电器、通用工业（风
机、水泵等）、伺服与调速系统、牵引电机及高速电机等领域。 要对SRM系统建立一个方便而又准确的仿真分析模型，需要对SRM的电感及静态特性参数进行准确计算。而当前，对SRM的研究主要集中在参数和静态特性的计算、稳态性能分析、电机设计、功率变换电路设计以及系统控制策略几个方面。在对SRM的研究中，电机电磁场计算占据重要的地位，它是电机设计和性能分析的基础。目前的电机电磁场数值计算方法中，应用最广泛、最有效的方法就是有限元法（FEM）［2］。 本文利用有限元分析软件，建立了三相12/8开关磁阻电机模型，并对其静态特性和动态特性进行有限元仿真，计算电机的磁场分布、磁能、电感和静特性等，为SRM的设计、非线性仿真和控制提供了理论基础和可靠依据。 有限元法是目前工程技术领域中实用性最强，应用最为广泛的数值模拟方法，有限元方法的基本思想是离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来代替对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决但理论分析又无法实现的复杂问题［3，4］。有限元数值计算技术发展 有限元软件基于有限元法，主要用于电磁设备、热设备、热处理的分析与设计。基本模块包括前处理（建模、物理属性设置、网格剖分）、求解以及后处理（结果显示、数据输出）。 有限元仿真一般包括以下步骤：创建或读入电机的几何模型，划分网格（节点和单元），定义材料属性，对面域加载机械属性.设定约束条件，后处理、计算并查看结果。 1）本文分析的样机为三相12/8极开关磁阻电机，电机结构数据见表1。 2）对电机模型进行有限元剖分： 本次计算电机模型的离散化，也就是网格剖分，采取预先设定不同面域的剖分疏密
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。三相绕组轮流通电一次，转子逆时针转动π/4（即一个极距角），定子磁场顺时针转动π/2。只要 各相按照一定的顺序导通，电机就能正常工作，与磁力线方向无关，即与电流方 向无关，通电顺序与旋转方向相反。 二、SRM的定转子齿极结构优化 1、定子结构优化设计。利用上节优化电机尺寸参数后的 SRM 进行定转子 结构优化设计。在 SRM 线性模型中，电机转矩的表达式为： 由式SRM 的转矩是电机转子旋转过程中气隙磁导发生变化而产生的。转矩的 大小主要取决于相电感相对于转子位置角的变化率，相电感相对转子位置角的变 化率越大则电机转矩值将越大。此变化率可通过改变定子磁极和转子磁极之间的 气隙形状来控制。本设计提出了一种具有非圆形的定子磁极极面，这种定子磁极 表面将会使电机转子在转动过程与定子磁极之间产生非均匀的气隙，以此来改变 相电感对转子位置角的变化率。
目录 1 绪论 (1) 1.1 课题的选题意义 (1) 1.2 国内外发展状况及其前景 (1) 1.3 SR驱动控制系统的特点和优点 (2) 1.4 SR电机驱动控制系统的研究和发展方向 (4) 1.5 本设计所进行的工作 (5) 2 SR电机控制系统的原理及控制策略 (6) 2.1 SR电机控制系统的结构和原理 (6) 2.1.1 SR电机驱动控制系统结构 (6) 2.1.2 SR电机的工作原理 (7) 2.2 SR电机的基本方程及控制方式 (9) 2.2.1 SR电机的基本方程 (9) 2.2.2 SR电机的控制方式 (11) 2.2.3 系统控制策略的确定 (17) 3 SRD数学模型与SIMULINK仿真模型的建立 (19) 3.1 SR电机的线性模型分析 (20) 3.1.1 SR电机的绕组电感分析 (20) 3.1.2 SR电机的绕组磁链分析 (22) 3.1.3 SR电机的绕组电流分析 (23)
3.1.4 SR电机的电磁转矩分析 (28) 3.1.5 SR电机的准线性分析 (29) 3.2 SR电机控制系统SIMULINK仿真模型 (32) 3.2.1 SR电机本体模型 (33) 3.2.2 速度控制模型 (34) 3.2.3 电流控制模型 (35) 3.2.4 电压逆变模型 (37) 3.2.5 转角选择模型 (37) 3.2.6 参数计算模型 (38) 3.2.7 转矩计算模型 (41) 4 SR电机控制系统MATLAB/SIMULINK仿真分析 (42) 4.1 CCC方案下SRD系统的仿真分析 (42) 4.1.1 转速300r/min、负载15N.m的系统启动仿真 (42) 4.1.1 转速500r/min、负载10N.m的系统启动仿真 (44) 5 总结 (47) 致谢 (48) 参考文献 (49) 附录A 译文 (50) 附录B 原文 (58)
电动汽车的热门主驱——开关磁阻电机 张虎;陈天殷 【摘要】介绍开关磁阻电机及其驱动系统的原理结构和特点、特性,以及应用前景.【期刊名称】《汽车电器》 【年(卷),期】2017(000)005 【总页数】6页(P14-19) 【关键词】开关磁阻电机;工作电压;使用温度范围;工作寿命;可靠性 【作者】张虎;陈天殷 【作者单位】北汽福田欧辉环境装备事业部技术中心液压电控部电控科,湖南长沙410100;美国亚派克机电(杭州)有限公司,浙江杭州 310013 【正文语种】中文 【中图分类】U463.23 为应对人们对矿物燃料储量的忧虑，环境保护标准、汽车能效和环保法规日益严格，消费者对绿色节能、安全、便捷和舒适度提出了更高的要求，推动了电动汽车的发展。计算机技术和电力电子技术（或称为大功率、高速率的开关电子器件）为大功率汽车主驱电机的有效控制提供了保障。作为电动汽车热门的主驱电机——开关 磁阻电机（Switched Reluctance Motor，简称SRM）及其控制调速系统有着免维护、控制简捷便利、启/制动性能好、较佳的动态运行性能和稳态精度、运行效 率高、可靠性优异、环境适应性强、成本低等特点。正快速普及至家用电器、工矿机械、自动化设备、电子工程、航空、航天及电动车辆等国民经济各领域。
2.1 结构 开关磁阻电机硅钢片叠压带绕组的定子磁极和“齿槽”形的转子磁极有不同的极对数。定子极数与转子齿槽数不能相等，又必须相近。只有两者相近，才能加大定子相绕组电感随转角变化的平均变化率，这是提高电机出力的重要条件。定子绕组可配置为三相、四相、五相等多种类型，定子绕组的组数与其类型相对应。相数较大，其转矩脉动会较小。图1为拆解的开关磁阻电机的定转子。 图2为8/6极SRM的定转子透视图，用4种色彩表示绕组，绕组连接成四相。 当前，开关磁阻电机其定子磁极数和转子齿极数必须有规律的相差。以四相（8/6）结构和三相（12/8）结构应用较多。 2.2 原理 开关磁阻电机不同于由电磁感应作用产生转矩的传统交直流电机，它是由磁路中定转子间气隙磁阻变化的原理产生转矩——磁阻转矩。开关磁阻电动机是因励磁绕 组通断状态的变换皆受开关控制而获名。 图3为定转子8/6极的开关磁阻电机，其横截面中定子直径方向上一对磁极绕组 形成一相电路。 开关磁阻电机运行原理为：磁通总是要沿着磁阻最小的路径闭合，转子磁极与定子磁极主轴线相重合时，即是磁阻最小位置，于是就促使转子向最小磁阻的位置转移，励磁绕组依次通电，即作用产生旋转转矩，从而形成旋转的磁场。图4所示的转 矩作用，类同于励磁的电磁铁吸引铁磁物质而产生拉动转子转动的现象。 图5展示了四相（8/6极）结构的开关磁阻电机的运行原理。图5中S1、S2是电子开关，D1、D2为二极管，U是直流电源。定转子磁极对数的差异，使电动机磁路的磁阻随着定转子磁极中心线的重合或错位的不同角度而变化。磁阻反比于电感量，当定转子磁极的中心线相重叠时，相绕组电感量最大，这段磁路有最小的磁阻；而当定子磁极的中心线与转子两极间（相当于“槽”）的中心线对准时，该段磁路
基于Rmxprt与Maxwell2D的开关磁阻电机特性仿真江华 【摘要】在Ansoft机电系统Rmxprt模块中建立了SRM的二维模型,且在Rmxprt中仿真,得到了开关磁阻电机的相电流、转矩、功率、效率等特性曲线,得出了电机在额定转速下效率最高输出功率却不是最大的结论;并将其导入Maxwell2D中,在XY平面中,对模型分组、材料设置、边界及激励源设置等相关设置后,做了进一步的基于瞬态场的有限元分析,得到了电机在不同时刻的磁力线、磁通密度、磁密矢量等信息;最后通过对比两个仿真结果,再次验证了此建模仿真方法的正确,这为SRM的分析与控制提供了有效的理论依据. 【期刊名称】《防爆电机》 【年(卷),期】2014(049)006 【总页数】5页(P24-28) 【关键词】开关磁阻电机;Maxwell2D;有限元分析;非线性 【作者】江华 【作者单位】西安科技大学电气与控制工程学院,陕西西安710054 【正文语种】中文 【中图分类】TM301.2;TM352 0 引言 开关磁阻电机驱动系统(Switched Reluctance Motor Driver，SRD)是一种新型的
调速驱动装置，通常由功率变换器、开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor，SRM)、位置检测装置、电流检测装置及控制器五个部分组成。SRM 凭着结构简单、运行稳定、调速范围宽等优点使其迅速成为调速系统中的一员，并且在煤炭工业、油田、机床设备、家用电器等领域都得到了很好的应用［1］。 然而SRM 是一个多变量、强耦合、非线性的复杂系统，绕组电流的非线性与铁心磁通的高饱和是其两大特征，这给SRM 数学模型的建立带来了很大的困难。而有限元法为当今各类电磁场、电磁波工程问题定量分析与优化设计的主导数值计算方法，本文利用Ansoft 机电系统(包含Rmxprt、Maxwell2D、Maxwell3D)的Rmxprt 模块对SRM本身性能进行研究，在有限元方法的基础上在Maxwell2D 中对SRM 的瞬态性能进行了进一步的分析，两大模块中的仿真结果一致，与理论规律和经验数据相符合。 1 基于Ansoft/Rmxprt 的仿真 1.1 Rmxprt 中模型的建立 Rmxprt 为旋转电机设计软件，而Maxwell2D是一种功能强大、结果准确的二维电磁场有限元分析软件，其中有高性能的矩阵求解器和多CPU处理能力。Maxwell2D 的瞬态求解器能同时求解磁场、电路及运动等强耦合的方程，可以轻而易举的解决SRM 性能分析问题。本文就是在Rmxprt中建立SRM 的几何模型 然后导Maxwell2D 中，继而生成SRM 的2D 模型［2］。本文中选用了四 相8/6的SRM，主要参数如表1。 表1 SRM 基本参数数据 驱动电路选用三相不对称桥式驱动电路，该电路中每相有两个功率开关器件(晶体管)及两个续流二极管，单个晶体管与二极管的压降都为0.7V，具体建模的步骤如下: (1)电机基本参数设置;
开关磁阻电机双闭环控制系统设计与调速性能优化 王紫旖;李春艳 【摘要】开关磁阻电机调速系统(SRD)凭借其造价便宜、运行可靠、操作灵活等诸多优点,逐渐在精准调速及环境恶劣的调速场合崭露头角.在分析单环SRD的基础上,完成一种新型转速外环、电流内环所构成的双闭环的SRD设计并进行调速性能优化.通过理论分析和仿真验证了优化后的SRD在宽调速范围、大负载变动的情况下仍能迅速且稳定地运行,并且稳态波动小且全程无静差,因此该双闭环控制系统有较 高的理论研究意义和实际应用价值. 【期刊名称】《黑龙江大学工程学报》 【年(卷),期】2018(009)003 【总页数】11页(P56-66) 【关键词】开关磁阻电机调速系统;双闭环控制;Simulink仿真;性能优化 【作者】王紫旖;李春艳 【作者单位】黑龙江大学机电工程学院,哈尔滨150080;黑龙江大学机电工程学院, 哈尔滨150080 【正文语种】中文 【中图分类】TM352 开关磁阻电机调速系统(SRD)是一种涉及微电脑、自动控制理论和电力电子应用等多个领域的电机驱动系统，它在20世纪80年代逐渐发展并走向市场。SRD集交、
直流调速系统的优点于一身，并且由于其结构简单、电路可靠、转矩高、电流低等特点，故可频繁起制动、灵活正反转，因此在高速与恶劣环境下的调速极其适用，目前也成为电机调速领域的热门研究课题之一，并广泛应用在家用电器、纺织设备、电动车驱动等多个领域[1-2]。 由于开关磁阻电机(SRM)本身是一个具有多个可控量、强耦合的非线性系统，为了得到较好的调速性能，必须使用先进的控制方法[3]。由于常规的线性控制器的参 数固定，很难在整个调速范围内满足其动、静态性能要求[4]，要想提高调速性能，通常采用变化参数的控制器。文献[5]提出了一种在MATLAB/Simulink环境下建 立开关磁阻电机模型的方法，与样机对比具有较好的模拟精度，为SRD的研究提 出了一种有效的辅助手段；文献[6]通过与电流单环控制的对比，提出并设计了电流、转速双闭环调速控制系统，该系统可加快电机响应，但未考虑电机稳速性能且无法消除静差；文献[7]对速度环采用传统的PI控制，使电机在空载时有较好的静、动态特性；文献[8]利用模糊的PI控制技术改善速度外环控制，与传统PI控制相比，这种控制方法提高了40%的速度响应，降低了1.2%的超调量，调节精度大幅提高，系统震荡明显减小；文献[9]以模糊控制为主要控制算法，并在此基础上引 入了变论域方法，克服了普通模糊控制下电机动态性能好而稳态性能较差的缺点，使电机稳态性能得到进一步优化，但在一定程度上也削弱了系统的动态性能；文献[10]在模糊PID调速控制器[11]的基础上提出了融合遗传算法的改进萤火虫算法，并把改进萤火虫算法应用到模糊调速控制器中对最优的量化因子和比例因子进行选取，并通过仿真验证此优化调速控制器在起动过程、负载干扰和转速跟踪性能上均表现出较好的鲁棒性、抗扰性和跟随性，能够节省大量人力并降低工作者的经验要求。但上述研究均是在假定电机运行环境理想且无扰动，或仅有小的扰动下进行的，而没有考虑电机在宽负载范围及大负载变动下的响应特点及稳速性能。在实际应用中，电机须能对轻、重负载均实现迅速响应，且力求在性能允许的范围内做到全程