开关磁阻电机相绕组匝数对性能影响的分析与设计

开关磁阻电机相绕组匝数对性能影响的与 开关磁阻电机相绕组匝数对性能影响的分 析与设计 开关磁阻电机相绕组匝数对 性能影响的分析与设计 ,rI1sz?Df(1.南京航空航天大学一南京210016}2.西安医科大学,西安710000) AnalysisandDesignoftheWindingTurnsHavingEffecton SwitchedReluctanceMotorPerforlnance DongfFFChengbo (1.NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016 2.Xi'anMedica1Univerwity,Xi'an710000) 【摘要】分析了开关磁阻电机相绕组匝数对电机性 能的影响,井对开关磁阻电机进行了仿真计算.在理论分 析与仿真的基础上提出了新的开关磁阻电机相绕组匝数的 设计方{去.以此方法设计了一台8/6结构Ikw开关磁阻电 机.经试验达;了较好的性能. 应的定子齿极轴线)与转子槽轴线重合时,定义为 =0..该位置相电感为最小值厶.再定义相绕组 轴线与转子齿轴线重合时的位置为,其相电感 具有最大值L…如图2所示. 【关键调】乏茎竺坚皇垫望l坚?}拍垤中囝分类号:TM3S文献标识码:A1 文章犏号:1004--7018(2000)06--0010--o2l [Abstract]ThepaperanalyzestheeflectofturnsI perphaseinswitchedrc]uctancemotor(SRM).andsimu- lationsoftheSRMareachiered.Inthispaper.anewap. proachofdesign0fturnsperphaseinSRMispresented.A . 开关磁阻电机(简称SRM)是2O世纪7O年代 开始迅猛发展的一种较为新型的电机.目前,开关 磁阻电机以其调速性能好,结构简单,效率高,成本 低等特点,已在许多场合下得到了广泛的应用[1】. 开关磁阻电机是一种双凸极结构电机,如图1 所示.定子中相对两齿极上的绕组串接成为一相, 共分为4相每相的通断根据转子的不同位置由功 率变换器中的主开关管控制当相绕组轴线(即对 收靖日期;1999—06—21 10 开关磁阻电机系统是一个典型的非线性系统, 设计参数较多,控制灵活.因此,开关磁阻电机设计 无法借鉴其它电机的设计方法,必须结台控制器, 控制规律,功率变换器,电动和再生制动状态,以及 稳态和动态性能进行综合设计相绕组匝数是开关 磁阻电机设计中较为重要的参数之一,它的选取对 电机性能有着重要的影响.本文将对此进行理论和 仿真分析,并提出一种新的绕组设计方法. 2相绕组对电机性能的影响 为了便于分析,通过对开关磁阻电机模型进行 荫特电机20'00年第2期 线性化得到一个线性模型.相电感的线性化曲线见 图2当开关磁阻电机由恒定直流电源u.供电时, 可写出一相电路方程为: 土Uo=+iR(1) 绕组电阻压降氓与d/相比很小,故可以忽略 电阻压降.所以式(1)可以简化为: 土U一一?dfl 一 (2) 将()一L()()代人式(2)整理得: 一 Ldi+嚣(3).aFaF 在相电流上升区间,即0至0.区间,相电感为最小 值.由于L=L不变,则有: dU一 dO一 所以~di与成反比,当电机转速较低时,相电 流的上升率较大.相绕组导通后电流迅速上升,由 于开关磁阻电机在低速时需要进行斩渡控制相电 流幅度,所以导通时相电流迅速达到斩波限,见图 2中j(8).在此期间将L=j代人式(3),且f(岛) =0,解得; ():.(4) ^1 当电机低速运行时,由于斩波控制相电流近似 为方波,假设电流幅值为J,且每相导通宽度为 ,则: = 专一吉茜? 设zkL=L一厶=厶(1一K),?一则有 :. J.(6) 因为径向相对的两个绕组串联为一相,每个绕 组匝数为?,所以相绕组最大电感为: L,=2N.k(7) 其中;^…为最大磁导,当电机结构确定时,最大磁 导为一固定值伽,由式(6),(7)可以得出,当开关磁 阻电机在低转速下运行时不考虑其它因素影响,相 电流近似为一方波,其幅值与斩波限相同,电机输 出转矩近似与相绕组匝数的平方成正比. 当开关磁阻电机工作在较高转速时,相电流为 单脉冲形式,见图2中:().当电机转速增高,即 oh增大时,减小.因此,一旦oh增大到一定程度, 相电流的最大值小于斩波限J,电机的相电流就 开*磁阻电机相绕组匝数对性能影响的分析-9设计 ————————一 工作于单脉冲模式. 在单脉冲模式下,假设屿一定,则相电流的上 升时间为定值.则相电流的最大值为: rr叮1 J一=芋(8)J,1mII 由式(8)可以得到,相电流的最大值与相电感的最 大值成反比,即与相绕组匝数的平方成反比.因此 如果增加绕组匝数就会显着地降低相电流的最大 值,这样电机转换的电磁功率就会降低,最终降低 电机的输出功率. 通过以上分析,开关磁阻电机相绕组匝数的设 计必须兼顾电机高速和低速性能两个方面.当确定 了相电流斩波限和电机输出功率时,就可以进行匝 数计算.首先确定最高转速时需要的最小电感. 一 I二(9)fn?l』哟t 其中:<一)为相电流上升区间转子转过的角度, 它与电机结构和主开关的开通角有关;‰.为电机 最高转速,J可由电机输出功率估算得出. 然后确定电机在斩波模式的最高转速下需要 的最小电感. :!【二(1o) m』, 其中:如为斩渡模式下的最高转速,J为电流斩 波限. 10 9 8 6 5 121416I820222426 每相匝数 圉3转速为1000r/min时转矩与匝数关系 8 E6 主 4 2 02001340013600080013 /f.rain.' 圉4相绕组匝数为13,l4,15,l6,l7时的电机特性 令L=miu(L~1,一2).将,一mj/代 人式(7)则可得到相绕组匝数的初步设计值.与 电机极弧系数有关,根据经验和仿真结果一船取 K=l/6.(下转第l4页) CAD来求取.计算得到各层导条的磁极有效面积 后,取平均值即得到电机的磁极有效面积. 2.5.3计算电机的反电势系数 式(4)为电机绕组一根导条的平均感应电势, 电机的反电势系数是指电机转速为1000r/rain时 电机绕组的感应电势,因此令一1000?2~/60 (rad/s),B单位为1×10,T,面积的单位为mm, 角度为: 一. F.:(9) P 则式(4)变为: P:(10) 电机的串联导条数为: N一—ZLF.(ii) 式中:n为绕组的并联支路对数.因此电机的反电 势系数为: 一 ??一等(12) 当电刷与磁极在罚一侧时,电刷旁边的磁极往 往不是一整块,而是只有半块或半块略多一点,这 时可以先按面积计算磁极的等效个数,再除于电机 的极数,最后再乘以由式(12)得出的值,就可以得 到实际的反电势系数. 3计算实例及结论 z一149,P一4,工=4,d一1的印制绕组电机, 采用圆形磁极,2个电刷旁边的磁极用半圆,等效 磁极个数为7.下是计算结果及实际数值 磁概半径B丘 (T)(mm0)V/kr?mln' 754 109.Gg0314.4 7.5' 10.07 120.697415.32 9.9' 1093 13O.698450.31 表中带的值为多台电机实铡值的平均值,气 隙磁通密度为理论计算值.同时对其它规格电机进 行计算和实际铡试,其结果均十分相近.这说明本 文所提出的方法是可行的,当然,需要准确计算气 隙磁密 参考文献 1冯慈璋电磁场[M].北京,高等教育出版社.1993 2黄植功葬.印制绕组电机的设计要点[刀徽特电机,1999.(61 Z9 第一作者i荀升?董檀功,男,1970年生.硕士研究生,电机电器 工程师. (上接第11页) 3系统仿真研究 相绕组匝数的初步设计结果还需进一步进行 检验和调整.我们设计了一台8/6结构lkW的开 关磁阻电机并对其进行了仿真研究.此电机供电电 压为24V,最高转速为7000r/min.图3为电机转 速在1000r/min时不洞匝数对电机输出转矩的影 响.可以看到,当绕组匝数增加到一定值时,电机输 出转矩并没有增加反而减小.这主要是因为电感的 增加使相电流减小进人了单脉冲工作模式. 从囤4中可以更清楚地看到绕组匝数对电机 性能的影响.即在低速区,电机的输出转矩随匝数 的增加而增加,而在高速区,电机的输出功率随匝 数的增加而减小. 4结论 开关磁阻电机系统是一个复杂的非线性系统. 影响电机性能的因素非常多.其电机的设计必须结 合控制磊及控制策略的设计来完成.因此相绕组匝 数的确定也必须考虑其它参数的影响.只有通过全 面的研究和优化才能设计出性能忧良的开关磁阻 电机.本方法在8/6结构lkW的开关磁阻电机的 设计中取得了良好的效果,其样机已经成功地应用 于电动摩托车的驱动系统中. 参考文献 1刘迪吉.开关磁阻调遮电动机[M].北京,机械工业出版牡. 1994 2V.Radun.DesignCon*iderationsf0rtheSwitvhedRe1ucl'an~ Morter口].IEEETratm.onIod.App.199.5.31(5)SEP./OCT. 3LongyaXu,EricRuekstad|r-DirectModeling口SwitchedRe [u~l'~mceMaehlnebyCoupledFie]d-CircuitMethod[J].1EEE Trans.oilE~rw/Con.1995+10(3),SEP 4CaloA.Ferrelra,StephenR.JoWi]llaraS.?undWilI D.1T0n髑lDetailedDcslgnofa39一kWSwithedReluctance Starter/GeneratorSystemforaGasTurbineEngineApplica— Uon[J].1EEETransmInd.Appi995,3l(3)MAYUNE 5陈昊.开关磁阻调速电动机系统理论研究与实践[D].博士论 文,1996 荫特电机2O帖年第2搁