开关磁阻电动机的径向力计算_孙剑波

开关磁阻电机降噪的新结构探索
孙剑波;詹琼华
【期刊名称】《微电机》
【年(卷),期】2005(38)3
【摘要】噪声是开关磁阻电机的主要缺点,而径向力突变引起的定子振动是噪声的主要来源.本文利用二维有限元方法计算出开关磁阻电机定子所受的径向力,对于在设计阶段探索电机新结构以降低噪声有很好的指导意义.
【总页数】4页(P7-9,12)
【作者】孙剑波;詹琼华
【作者单位】华中科技大学电气与电子工程学院,武汉,430074;华中科技大学电气与电子工程学院,武汉,430074
【正文语种】中文
【中图分类】TM352
【相关文献】
1.开关磁阻电机减振降噪技术研究 [J], 谭平;瞿遂春;马世伟
2.分块开关磁阻电机的研究现状及其新结构构想 [J], 陈小元;邓智泉;王晓琳;范娜;连广坤
3.开关磁阻电机降噪方案研究 [J], 李駪;邱影杰;李红升;孙宁;宋云博;孙文钊;代良华
4.一种减小开关磁阻电机振动的定子新结构 [J], 黄朝志;陈海东;刘细平;杨国斌
5.滚筒洗衣机用开关磁阻电机减振降噪方法的研究 [J], 孙荣美;牛家涛;姜红霞
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一种新型的磁悬浮开关磁阻电机径向力数学模型随着科技的不断进步，磁阻电机在工业生产中得到了广泛的应用。

在磁阻电机的设计和应用中，径向力是一个重要的参数。

为了更好地控制和优化磁阻电机的性能，需要建立一个准确的径向力数学模型。

本文提出了一种新型的磁悬浮开关磁阻电机径向力数学模型，通过实验验证，模型具有较高的准确性和实用性。

一、磁阻电机的基本原理磁阻电机是一种以磁阻力为驱动力的电机，其结构简单，可靠性高，效率较高。

磁阻电机的基本原理是利用磁阻力的作用，使转子和定子之间产生相对运动。

磁阻电机的转子和定子之间有一定的间隙，间隙内充满了磁阻材料，当定子上的磁场和转子上的磁场不一致时，磁阻材料产生磁阻力，从而推动转子运动。

二、磁悬浮开关磁阻电机的结构和工作原理磁悬浮开关磁阻电机是一种新型的磁阻电机，其结构如图1所示。

磁悬浮开关磁阻电机由定子、转子、磁悬浮系统和开关系统组成。

转子采用磁阻材料，定子上有多个线圈，通过控制线圈的电流变化，可以实现转子的转动。

磁悬浮系统采用永磁体和电磁体相结合的方式，通过控制电磁体的电流，可以实现转子的悬浮和控制。

开关系统采用电子开关，通过控制开关的状态，可以实现电流的开关和控制。

磁悬浮开关磁阻电机的工作原理如下：当电流通过定子线圈时，产生磁场，磁场作用在转子上，产生磁阻力，推动转子转动。

同时，磁悬浮系统产生的磁场可以使转子悬浮在定子上，从而减小了机械磨损和噪音。

通过控制电流的大小和方向，可以实现磁阻电机的转速和转矩的控制。

三、磁悬浮开关磁阻电机径向力的数学模型在磁阻电机的设计和应用中，径向力是一个重要的参数。

径向力的大小和方向决定了磁阻电机的稳定性和工作效率。

为了更好地控制和优化磁阻电机的性能，需要建立一个准确的径向力数学模型。

本文提出了一种新型的磁悬浮开关磁阻电机径向力数学模型。

模型基于磁场分析和电磁力计算，考虑了磁阻材料的特性和转子的结构，可以准确地预测磁阻电机的径向力。

模型的基本假设如下：（1）磁阻材料具有线性磁阻特性，且磁阻材料的磁导率和磁阻力与磁场的大小和方向有关。

第25卷第1期湖　北　工　业　大　学　学　报2010年2月Vol .25No .1　Journal of Hubei University of Technology Feb .2010[收稿日期]2009-12-15[基金项目]国家自然科学基金(50807019).[作者简介]孙剑波(1976-),男,湖北孝感人,华中科技大学讲师,研究方向:新型电机及控制.[文章编号]1003-4684(2010)01-0059-04开关磁阻起动/发电机系统的建模与仿真孙剑波,韦忠朝,王双红,詹琼华,匡　哲(华中科技大学电气与电子工程学院,湖北武汉430074)[摘　要]开关磁阻电机因具有结构简单、高可靠性等优点,因而适合应用在航空起动/发电机领域。

开关磁阻起动/发电机系统的数学模型包括开关磁阻电机、功率主电路以及滤波电路。

在建模过程中,结合了磁场有限元和机电耦合方程组,因此考虑了磁场饱和和机电耦合问题。

通过仿真,可以预估系统的性能和设计系统的参数,使得系统输出电压达到目标要求。

仿真结果验证了系统设计的正确性。

[关键词]开关磁阻电机;发电机系统建模;滤波电路[中图分类号]T M 352[文献标识码]:A 开关磁阻电机(Sw itched Reluctance M o to rs ,S RM )的转子上既无绕组,又无永磁体,定子各相独立运行,因而具有高可靠性、非常宽的调速范围、高效率、可缺相运行等优点,其应用领域不断拓展。

目前,S RMs 已经被成功应用于飞机电源系统[1-3]、混合动力汽车的起动/发电机[4-8],以及风力发电系统[9-10].与其他电机相比,SRM 兼顾了可靠性、功率密度以及高速运行能力,因此特别适合应用在航空起动/发电机领域.在飞机发动机点火之前,SRM 作为电动机来起动发动机;在点火之后,飞机发动机又反过来带动SRM 发电.于是一台S RM 既具有起动功能,又具有发电功能.本文针对一台应用在航空领域的开关磁阻起动/发电机系统进行数学建模和仿真,实现整个系统的性能预估和参数设计,以验证系统设计的正确性.1　数学模型开关磁阻起动/发电系统包含3个主要部分:一台三相12/8极开关磁阻电机、功率主电路和滤波电路.功率主电路如图1所示.图1　功率主电路 电机的三相绕组与不对称半桥主电路相连.在起动阶段,由电池给系统供电,电机作为电动机带动发动机起动.为了避免电池直接给负载电阻(R L )供电,直流母线分成2条母线:励磁母线和发电母线.2条母线由1个二极管(RD 2)相连.同时,在发电阶段电池不允许充电,所以电池与励磁母线之间也接有1个二极管(RD 1).由于电机发出的电能具有脉动性,为了使输出电压达到航空电源的技术要求,发电母线电压需经过一个滤波电路后输出.滤波电路由2个电容(C 2,C 3)和一个电感(L )构成.SRM 的数学模型可表示为:d ψk d t =U p k -i k R p d ωdt=(T e -T L )/J d θdt=ω.(1)式中:i k ,R p ,ψk 分别是电机相电流、相电阻和相磁链;ω是转子角速度;T e ,T L 分别是电磁转矩和负载转矩;J 是转动惯量;θ是转子位置角;U pk 是电机绕组的相电压.而U p k =U exc(S k =1),0(S k =0),-U gen(S k =-1).其中:k =1,2,3;S k 代表开关函数;U exc 是励磁母线电压;U g en 是发电母线电压.由功率主电路和滤波电路的电路方程式得:dU exc d t =U e -U exc C 1·R D 1+I ba ck -I exc C 1,dU g en dt =I g en -i LC 2,dU out dt =(i L -U o utR L )/C 3,di L d t =U gen -U o ut L;(2)i exc =i exca +i excb +i excc .(3)其中:　i exck =i k(S k =1),0(S k =0),0(S k =-1);i g en =i gena +i g en b +i genc -i b ack .(4)而i genk =0(S k =1),(S k =0),i k(S k =-1);i b ack=U gen -U excR D 2.(5)又R D 1=0.01(U exc U e ),inf(U exc >U e );R D 2=0.01(U g en ≥U exc ),inf(U g en <U exc ).U e是电池电压.I exc、I gen、I b ack分别是励磁母线电流、发电母线电流、发电母线回馈到励磁母线的电流.U o ut 是系统输出电压.C 1是励磁母线的滤波电容.C 2和C 3是滤波电路的电容.R D 是二极管的等效导通电阻.i L 是滤波电路的电感电流.2　仿真结果本系统中的SRM 主要结构参数如:定子外径0.14m ;定子内径0.09m ;轴径0.04m ;定子极数12;转子极数8;铁心轴向长度0.3m .每相绕组的磁链是该相电流和转子位置角的非线性函数(图2).磁链数据以表格形式存储起来,在仿真的每一步计算中,利用二维表格插值,实现磁链到电流的变换.图2　SRM 的磁链特性系统的控制框图如图3所示.系统为双闭环控制结构,外环为电压环,内环为功率环.电压环的误差信号经调节后作为功率环的给定信号.功率环的误差由开关角度的调整来减小.在起动阶段,外环开环,内环用来控制相电流.为了加快起动过程,电流给定为电机允许的最大电流值.在发电阶段,外环调节使得输出电压恒定.内环功率调节加快了输出电压的动态响应.图3　开关磁阻起动/发电机系统的控制框图在起动阶段,电机作为电动机运行,带动发动机从静止状态加速.当速度达到12000r /min 时,发动机点火,之后电机和发动机一起加速转子系统,当速度达到25000r /min 时,起动过程结束,电机转为发电机运行,由发动机带动发电.系统的速度响应如图4所示.整个起动过程经历了大约15s .图4　系统在起动阶段的速度响应当SRM 稳定运行在25000r /min 速度下发电60湖　北　工　业　大　学　学　报2010年第1期　时,电机相电流波形如图5所示.相电流最大值为60A ,发生在相绕组关断时刻.励磁母线电压、发电母线电压、输出母线电压、滤波电感电流波形如图6所示.由于滤波器的作用,输出母线电压的脉动比发电母线电压的脉动要小得多.输出电压在稳态情况下保持在(270±0.2)V 范围内.因此,系统的稳态性能达到了目标要求(270±4)V.励磁母线电流、发电母线电流、从发电母线回馈到励磁母线的电流波形如图7所示.一旦有电流从发电母线回馈到励磁母线时,励磁母线的电压就被钳制在270V ,该电压比电池电压(200V )高,所以二极管截止,电池脱离了励磁母线,防止了发电时给电池的充电.图7　各母线电流仿真过程中,还可对电机的转矩脉动进行分析,如图8所示.转矩脉动过大将会给机械系统带来不利的影响,因此必须加以分析.系统的转矩脉动因数为(T max -T min )/Tav =2.3017.航空电源对输出电压的动态响应也有较高的要求.在仿真中对负载突变情况下的输出电压动态响应进行了分析,如图9所示.当速度稳定在25000r /min 时,时间为0～0.04s ,发电机经历了一个起励过程,电气负载为8kW (额定负载);在0.04s 时刻,各母线电压均已达到稳定时,在这一时刻电气负载突变到9.2kW (115%额定负载);在0.08s 时刻,电气负载突变为4kW (50%额定负载).从图9可以看出,尽管负载出现了突变,输出电压始终都被控制在(270±1)V ,系统的动态响应非常好.滤波电路参数设计系统输出电压中的谐波必须得到有效抑制,该功能由滤波电路来完成.输出电压的频谱要求如图10所示.电容C 1、C 2、C 3的作用是平滑相应母线的电压,电感L 用来调整输出电压中的谐波频率.当C 1、C 2、C 3和L 分别取2200uF 、1000uF 、4000uF 和0.003mH 时,输出电压的频谱满足了目标要求(图11).61　第25卷第1期 孙剑波等　开关磁阻起动/发电机系统的建模与仿真3　结论仿真结果表明开关磁阻起动/发电机系统的各项稳态和动态性能均达到目标要求,验证了系统设计的正确性.[　参　考　文　献　][1]　M acM inn S R ,Sember J W .Contr ol of a sw itched -r e -luctance aircraf t sta rter -g ener ator ove r a very 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machine ,po wer circuit and filter circuit .The simula -tion m odel is constructed based on magnetic finite element analysis and electrom echanical dynamic equa -tions ,w hich considers m ag netic saturatio n and electro mechanical coupling .Throug h simulatio ns ,the per -fo rm ance of the system is evaluated .The control parame ters o f the contro ller and component parameters of filter circuit are de signed to satisfy the specificatio n perfo rmance o f the system .The simulatio n results val -idate the desig n of the sy stem .Keywords :switched reluctance starte r ;generato r ;engin System mo deling ;tilter circuit62湖　北　工　业　大　学　学　报2010年第1期　。

一种新型的磁悬浮开关磁阻电机径向力数学模型姜永将;孙玉坤;朱志莹;周应旺【期刊名称】《微电机》【年(卷),期】2013(046)009【摘要】现有的磁悬浮开关磁阻电机数学模型推导思路为:先用等效磁路法得到以磁导表示的电感矩阵;再通过有限元辅助分割磁场法得到磁导的解析式,将其代入电感矩阵;最后通过虚位移法得到径向力表达式.该方法计算比较繁琐,并且忽略了正交方向两个径向力的耦合而使计算结果不够精确.本文提出了一种新的气隙磁导计算方法,通过气隙磁场储能推导出了磁悬浮开关磁阻电机的径向力数学模型.该数学模型考虑了相互垂直方向偏移量对径向力的影响,并将每个定子极通过的磁通均考虑在内,准确的描述了电机的径向力特性,为电机的悬浮控制系统设计提供了可靠的理论基础.以一台样机为例,建立有限元仿真模型,仿真结果证明了该数学模型的正确性和有效性.【总页数】5页(P17-21)【作者】姜永将;孙玉坤;朱志莹;周应旺【作者单位】江苏大学电气信息工程学院,江苏镇江212013;江苏大学电气信息工程学院,江苏镇江212013;南京工程学院电力工程学院,南京211167;江苏大学电气信息工程学院,江苏镇江212013;江苏大学电气信息工程学院,江苏镇江212013【正文语种】中文【中图分类】TM352【相关文献】1.单绕组磁悬浮开关磁阻电机径向力数学模型 [J], 孙玉坤;陈凯峰;朱志莹2.一种磁悬浮开关磁阻电机径向力数学模型 [J], 项倩雯;周应旺;孙玉坤;嵇小辅3.新型16相磁悬浮开关磁阻电机解耦特性及数学模型 [J], 孙传余; 李井凯; 庄鹏; 曹茂永4.基于微分几何的磁悬浮开关磁阻电机径向力的变结构控制 [J], 张亮;孙玉坤5.一种新型的无轴承开关磁阻电机数学模型 [J], 邓智泉;杨钢;张媛;曹鑫;王晓琳因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

D设计分析esign and analy sis 微特电机 2005年第1期 开关磁阻电动机的径向力计算16　收稿日期:2004-03-18开关磁阻电动机的径向力计算孙剑波,詹琼华(华中科技大学,湖北武汉430074)The Calculation of t he Radial Force of S w itched R eluct ance M ot orSUN J ian -bo ,ZHA N Q iong -hua(Huazhong University o f Science ＆Tec hno l o gy ,W uhan 430074,C hina ) 摘　要:噪声是开关磁阻电动机的主要缺点,而径向力是噪声的主要根源。

利用二维有限元方法计算出开关磁阻电机的径向力,对于优化设计电动机结构以减小径向力的幅值,和优化换相时刻以减小径向力的变化,从而达到降低振动和噪声目的有很好的指导意义。

关键词:开关磁阻电动机;径向力;AN S Y S 中图分类号:T M 352 文献标识码:A 文章编号:1004-7018(2005)01-0016-03Abstract :N o ise is t he pri ma ry de f ec t o f s w itched re l uctance m o t o r (SRM ),which is caused by t he rad i a l force .Two -di m en -si on fi n ite e l ement m ethod co m putes the radial f o rce i n SR M.It 's instruc tive t o opti m ize t he de sign o fm o t o r t o reduce the amp li -tude of radia l force and opti m ize the commu tati ve ti me to m i nis h the change of rad i a l force and consequen tl y achieve t he reduc tion of v i brati on and no ise .K eyword s :s w itched re l uc tance m o t o r ;rad i a l fo rce ;AN SYS1引　言开关磁阻电动机(简称SRM )具有一系列优点:结构简单坚固、维护量小,系统的容错能力强,在缺相情况下仍能可靠运行;起动及低速时转矩大、电流小,高速恒功率区范围宽、性能好,调速范围宽,在宽广的转速及功率范围内均有高效率而且有很好的鲁棒性。