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开关磁阻电机设计计算
开关磁阻电机设计
(说明：红色部分是计算结果，兰色部分是输入的参数,橙色部分暂不可修改）1设计要求选定
功率（W）转速相数极对数电流线负荷603004112000最小齿宽系数长径比磁饱和度初值分齿数电压（V）
0.68750.80.91124 2能量转换系数
0.3505
3计算定子内径和铁心有效长度
气隙磁密动态转矩系数电机常数定子内径铁心有效长度
1.670.250.0118 5.43 4.3468
4励磁绕组电流计算
峰值电流（A）额定有效电流
5.2500 3.0781
5计算每相绕组匝数
等效气隙倍数定转子气隙（mm)最小/大磁比实际磁饱值每相匝数
1.250.380.2416
2.24
6定、转子齿宽计算
定子齿系数转子齿系数转子外径定子齿宽转子齿宽
0.750.6875 4.670.970.91
7绕组导线截面积计算
电流密度导线面积直径(mm)
60.51300.40
8定、转子齿高及轭高的计算
定子齿高转子齿高定、转子轭高定子槽面积槽满率
0.580.510.490.7 9转矩计算
转矩。
高速开关磁阻电机电磁解析分析方法裴丽娜;葛宝明;毕大强;孙东森【摘要】磁化曲线计算是SRM解析计算的关键,现有的磁化曲线计算公式大多针对多极数低速SRM,不适用于高速运行的低极数SRM.本文在传统8/6极低速SRM 磁化曲线的基础上,推导了4/2极高速SRM三个重要位置的磁化曲线计算公式,并与有限元结果做了对比.对额定工况下的4/2极SRM样机进行了转矩校验,指出了传统校验法的不足,提出了新的校验方法.最后,考虑电机自起动能力,优化了电机转子结构.【期刊名称】《电机与控制学报》【年(卷),期】2010(014)009【总页数】7页(P48-54)【关键词】高速电机;开关磁阻电机;磁化曲线;转矩校验;自起动【作者】裴丽娜;葛宝明;毕大强;孙东森【作者单位】北京交通大学,电气工程学院,北京,100044;北京交通大学,电气工程学院,北京,100044;清华大学,电力系统国家重点实验室,北京,100084;北京交通大学,电气工程学院,北京,100044【正文语种】中文【中图分类】TM301.30 引言开关磁阻电机（Switched reluctance motor，SRM）结构简单坚固、可靠性高、容错能力强、调速性能优异，非常适合应用于高速领域［1］。
SRM为双凸极结构，在实际运行过程中定、转子极身存在显著的边缘效应和高度的局部饱和现象，其磁场分析复杂，非线性及其严重，使得高速SRM在电机本体和驱动电路系统设计与实现等方面存在许多技术难题［2］，其中磁化曲线的计算最为关键。
SRM的磁化曲线是一组不同转子位置下的非线性磁化曲线族，最重要的3条分别为定子极中心轴线与转子槽中心线重合位置（不对齐位置）、定转子极中心轴线重合位置（对齐位置）及临界对齐位置的磁化曲线［3］。
现有的磁化曲线计算公式大多针对多极数低速SRM，不适合高速运行的低极数SRM。
本文在传统8/6极低速SRM磁化曲线的基础上，推导了4/2极高速SRM磁化曲线计算公式，通过实例计算、分析，与有限元计算结果比较，证明了解析计算的准确性。
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;电路分析图2中电源vcc是一直流电源,3个电感分别表示srm的三相绕组,igbt1～igbt6为与绕组相连的可控开关元件,6个二极管为对应相的续流二极管;当第一相绕组的开关管导通时,电源给第一相励磁,电流的回路即励磁阶段是由电源正极→上开关管→绕组→下开关管→电源负极,如图2a所示;开关管关断时,由于绕组是一个电感,根据电工理论,电感的电流不允许突变,此时电流的续流回路即去磁阶段是绕组→上续流二极管→电源→下续流二极管→绕组,如图2b所示;图2 srm电路工作示意图能量转换关系当忽略铁耗和各种附加损耗时,srm工作时的能量转换过程为:通电相绕组的电感处在电感上升区域内转子转向“极对极”位置,当开关管导通时,输入的净电能一部分转化为磁场储能,一部分转化为机械能输出;当开关管关断时,绕组电流通过二极管和电源续流,存储的磁场储能一部分转化为电能回馈电源,另一部分则转化为机械能输出;sr电动机的运行特性12 sr电动机运行速度低于ωfc第一临界速度的范围内,为了保证ψmax和i不超过允许值,采用改变电压、导通角和触发角三者中任一个或任两个,或三者同时配合控制;当sr电动机在高于ωfc范围运行时,在外加电压、导通角和触发角都一定的条件下,随着转速的增加,磁链和电流将下降,转矩则随着转速的平方下降如图3中细实线;为了得到恒功率特性,必须采用可控条件;但是外施电压最大值是由电源功率变换器决定的,而导通角又不能无限增加一般不能超过半个转子极距;因此,在电压和导通角都达最大时,能得到的最大功率的最高转速ωsc被称之为“第二临界转速”;当转速再增加时,由于可控条件都已经达到极限,转矩将随转速的二次方下降,如图3所示;图3 sr电动机的运行特性开关磁阻电机一般运行在恒转矩区和恒功率区;在这两个区域中,电机的实际运行特性可控;通过控制条件,可以实现在粗实线以下的任意实际运行特性;而在串励特性区,电机的可控条件都已达极限,电机的运行特性不再可控,电机呈现自然串励运行特性,故电机一般不会运行在此区域; 运行时存在着第一、第二两个临界运行点是开关磁阻电机的一个重要特点;采用不同的可控条件匹配可以得到两个临界点的不同配置,从而得到各种各样所需的机械特性,这就是开关磁阻电动机具有优良调速性能的原因之一;从设计的观点看,两个临界点的合理配置是保证sr电动机设计合理,满足给定技术指标要求的关键; 从控制角度看,在上述两个区域采用不同的控制方法,在第一临界转速以下一般采用电流斩波控制方式ccc方式,在第一、第二临界转速之间采用角度位置控制方式apc方式;3 发电运行原理开关磁阻发电机switched reluctance generator简介开关磁阻发电机srg的研究始于20世纪80年代末;初期它是被用作飞机上的起动/发电机的,所以,又称为sr起动/发电机456;由于开关磁阻电机在航天飞机中的广阔应用前景,引起了一些国家政府部门和航天企业的高度重视;1990年美国空军usaf、wright实验室、wpafb联合与通用电气飞机发动机公司general electric aircraft engine签约,共同资助ge公司开展开关磁阻组合起动/发电机的研究;lucas航空公司lucas aerospace也开展了sr起动/发电机的研究,认为sr起动/发电机可以在飞机发动机熄火的紧急情况下,由风力发动机windmilling engine驱动为众多的机载设备提供更加可靠的应急电源; 我国在sr发电机的领域也开展了相关的研究活动;其中西北工业大学、西安交通大学在国家“九五”预研基金和国家教委博士点基金的资助下进行sr起动/发电机的相关研究,研制了4kw的sr 起动/发电机3;南京航天航空大学也开展了sr发电机的研究工作;与其它发电机相比,开关磁阻发电机具有独特的结构特点: 1 结构简单其定、转子均为简单的叠片式双凸极结构,定子上绕有集中绕组,转子上无绕组及永磁体; 2 容错能力强,无论从物理方面还是从电磁方面来讲,电机定子各相绕组间都是相互独立的,因而在一相甚至两相故障的情况下,仍然能有一定功率的电能输出; 3 可以作成很高转速的发电装置,从而达到很高的能流密度;转矩产生原理如图4所示,与电动运行时不同,绕组在转子转离“极对极”位置即电感下降区时通电,产生的磁阻性电磁转矩趋使电机回到“极对极”位置,但原动机驱动转子克服电磁转矩继续逆时针旋转;此时电磁转矩与转子运动方向相反,阻碍转子运动,是阻转转矩性质;图4 三相sr发电机剖面图当转子转到下一相的“极对极”位置时,控制器根据新的位置信息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,则下一相绕组会在转子转离“极对极”位置通电;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,就可产生连续的阻转转矩,在原动机的拖动下发电;电路分析根据法拉第电磁感应定律“运动导体在磁场中会产生电势”,而srg转子仅由叠片构成,没有任何带磁性的磁体;这就需要在srg发电前有电源提供给srg励磁,使其内部产生磁场;所以,srg的特点是首先要通过定子绕组对电机励磁;这一点和其它发电机有着很明显的区别;srg的工作原理如下:图5中电源vcc是一直流电源,既可以是电池,也可以是直流电机;三个电感分别表示srg 的三相绕组,igbt1～igbt6为与绕组相连的可控开关元件,6个二极管为对应相的续流二极管;当第一相绕组的开关管导通时即励磁阶段,电源给第一相励磁,电流的回路是由电源正极→上开关管→绕组→下开关管→电源负极,如图5a所示;开关管关断时,由于绕组是一个电感,根据电工理论,电感的电流不允许突变,电流的续流回路即发电阶段是绕组→上续流二极管→电源→下续流二极管→绕组,如图5b所示;能量转换关系当忽略铁耗和各种附加损耗时,srg工作时的能量转换过程为:通电相绕组的电感处在电感下降区域内转子转离“极对极”位置,当开关管导通时,输入的净电能转化为磁场储能,同时原动机拖动转子克服srg产生的与旋转方向相反的转矩对srg做功使机械能也转化为磁场储能;当开关管关断时,srg绕组电流续流,磁场储能转化为电能回馈电源,并且机械能也转化为电能给电源充电;图5 srg电路工作示意图sr发电机的运行特性 sr发电机的运行特性与sr电动机的运行特性类似,只不过将曲线沿速度轴翻转到转矩为负的第四象限,在此不再赘述;4 结束语虽然srd系统的发展历程仅仅二十余年,但它取得了令人瞩目的成绩;其产品已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得到成功应用,其功率范围也覆盖了从10w到5mw的宽广范围;它已成为现代调速系统中一支不可忽视的竞争力量;作为一种结构简单、鲁棒性能好、价格便宜的新型调速系统,开关磁阻电机及其调速系统引起各国电气传动界的广泛关注和浓厚兴趣,在世界范围内,正在形成理论研究和实际应用齐头并进的发展趋势;。
电机电感计算公式电机的电感是指电机在电流变化时所产生的自感应电动势与电流变化率的比值。
电感是电机的重要参数之一，它决定了电机的电流响应速度和电流稳定性。
电机的电感计算公式主要有两种：螺线管电感计算公式和磁路电感计算公式。
下面将分别对这两种公式进行详细介绍。
螺线管是由导线绕成的线圈，其电感主要由线圈的几何尺寸和导线的材料决定。
根据安培环路定理和毕奥-萨伐尔定律，螺线管的电感计算公式可以表示为：L=(μ₀*μr*N²*A)/l其中L为螺线管的电感，单位为亨μ₀为真空中的磁导率，约为4π×10^(-7)H/mμr为螺线管的相对磁导率N为线圈的匝数A为线圈的横截面积，单位为平方米l为线圈的长度，单位为米根据这个公式，我们可以得知螺线管的电感与线圈的匝数N呈平方关系，与线圈的横截面积A呈正比，与线圈的长度l呈反比。
因此，在设计电机时，可以通过调整这些参数来控制电感的大小，以实现所需的性能。
电机的磁路电感是指电机在磁路中产生的磁通量与磁场变化率的比值。
根据法拉第电磁感应定律，电机的磁路电感计算公式可以表示为：L=(N*Φ)/I其中L为磁路电感，单位为亨N为磁路中的匝数Φ为磁路中的磁通量I为电流，单位为安培根据这个公式，我们可以得知磁路电感与磁路中的匝数N呈正比，与磁通量Φ呈正比，与电流I呈正比。
因此，在设计电机时，可以通过调整这些参数来控制电感的大小。
根据以上两种电感计算公式，我们可以看出，电感的大小与线圈的几何尺寸、导线材料、匝数、磁通量以及电流等因素有关。
要准确计算电机的电感，需要充分考虑这些参数，并结合实际情况进行设计。
总之，电机的电感是电机设计中的重要参数，它与电流响应速度和电流稳定性密切相关。
通过螺线管电感计算公式和磁路电感计算公式，我们可以准确计算电机的电感，并根据实际需求进行设计。
