两种开关磁阻电机系统的对比研究.pdf

舔2 9 卷第5 精 中雷矿照大学学报v 0 1 ．2 9N o ．5 2 0 0 0 年9 月 J o u m a to fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆。T e c h r t o [ o g y S e p ．2 0 0 0 ￡∞∞ 一∞ 女 ∞ ； ∞ ； ∞； 2 Ⅻ ￡ ； { _ _ ； t ≈∞； ； E ∞∞ ∞％ _ z 2 一 文章编母1 0 0 01 9 6 4 2 0 0 0 0 5 0 4 7 6 0 4 两种开关磁阻电机系统的对比研究 陈吴，谢桂林 中国矿业犬学信息与电气工程学院，强苏徐媸2 2 1 0 0 8 摘要从电机输出容量、功率变换器、基本工作频率及对特矩脉动影响等方面，对常用的三相开 是磁阻电机系娩和四鞠秀美磁瓣电规系统选嚣了砖出分糖。薅暴表嚼，无论是焉锋电番祝系统， 还是用作发电机系统，由三相双开关功率变换嚣和三相6 ／4 结构电机组成的开关磁阻电帆系统 的电机筚位体积输出客鼹和系统效率均比由四相分裂电源式功事变换器和驾掘s ／s 结构电机组 成的舜燕磁阻电机系统离， 荚键词开关磁阻；功率变换器；发电机；可调遣驱动装鬣 枣霾分类号T M3 0 1 ．2变献标谖璃A 开关磁阻电机结构坚固耐用、制造和维护方 使，系统诵投性能好。鹳象融藏翻灵活，近2 0a 来， 在电气传动界倍受圈内外攀术界和工程界的重 褪D “』。秀美磁疆毫撬系统熬凌电漉小，筵曩翻瑟 速力矩大，每小时起动次数不受限制，可做不问断 的连续起动、劁动转换运行，且易实瑷褥生铡魂．它 作为诵速电动机运行，是电动车辆理想的传动系 统，如应用于工矿电机车E s ] 、电动汽车、电动摩托车 及电凌鑫行举等的传动系统．开关磁融电视转子上 无刷、无绕组、无永磁体，转子惯量较小；在较宽的 转速莲塑内，其骞较蒜戆系绞效率．象作为夺麓巯 力发电机系缆亦具有良好的廒用前景． 三相s ／4 结梅开关磁阻呶机的定予毒6 个齿， 转子有4 个齿，定子绕组为三相制，即A ．B ，C 相． 四相8 ／s 结构开关磁阻电机的定子有8 个齿，转子 有6 个齿，定予绕组为露相销，静A ，B ，c ，D 稽．开 关磁阻电机镶向相对的两个怒子齿上的集中线圈 正串构成一攘绕组o ～蟛。壹三翱6 ／4 续梅牙美磁疆 电机与三相双开关式功率变换器组成的三相6 ／4 结构歼关磁臌电机系缝和四棚8 ／6 缨掏开关磁阻 电机萄四相分裂电源武功率变换器组成的四相8 ／ 6 结构开关磁阻电机系统。是目前常用的结构． 1 数学模粼 慰秀关磁疆电规避孬二臻蠹疆元磁场数鏊诗 算时，为了节省计算枧数值计箕豹枧时，考虑刭舞 关磁阻电机的对称性，选取电机艇个剖铷的一半作 为计算区域．对图l 所永计算联域及其点角坐糈 系，有壤磁绣诗箨的数学模壅 f ￡ ，篓J ￡ ，否a A 一t ，， { A h 一0 ， 1 ’ 【A f n 一AJ n ， 式孛；舞为矢蘩擞位} y 为磋寻攀；，为激耱源电流 密度；n 为定予外径边界ab ；r 。为转子内边界cd ； 乃为逸赛∞；瓦为邃雾矗d ． 厂＼ ．0 ≤．封 fL 1 、／ 图1 开关磁隰电机计算区域 F i g ．1 T h ec a l c u l a t e dd o m a i no ft h e S w i t c h e d 羟e l u e t a n c em a c h i n e 将开关磁阻电机的计算区域剖分成有限个三 角形单炎，假设箍源区域孛定予绕组是坞匀分_ 蠢 的，那幺，相绕缎磁链为 蟹一篡∑ 蛐一如岛 ， 2 啦精日期2 0 0 0 0 5 0 7 善袅褒曩；攥疑拜学基囊蝥舞囊舞 9 7 毫1 0 1 0 4 怍者简介；髂昊 1 9 6 9 ． ．男，山柬省烟台市 ，中国矿北大学剐教授．工学博士 博士后 从事电力传动及电力电子研芄 万方数据 第5 期 陈吴等两种开关磁阻电机系统的对比研究 式中 r 为相绕组匝数；5 为定子齿激励源区左侧 或右侧面积；，为铁心有效长度；也为定子齿右侧激 励源区剖分单元的矢量磁位；A ，为定子齿左侧激 励源区剖分单元的矢量磁位；4 为定子齿右侧激励 源区剖分单元的面积；△，为定子齿左侧激励源区 剖分单元的面积． 开关磁阻电机一相通电时，相绕组中有电流i ， 则磁共能为 W ’一l1 蚴J ． 3 由电磁场基本理论可知，若转子有虚位移。则 磁能与机械能之间就发生转换，开关磁阻电机一相 通电时的电磁转矩为 丁e m 一警L 。． ㈤ 。一万l ⋯。。’ ’ 静态平均电磁转矩是开关磁阻电机输出容量 大小的标志．那么，m 相开关磁阻电机的静态平均 电磁转矩为 丁，一。瞄} ，㈣丁，一。生兰b 芝I ， 5 以 L 。 式中只为电机相绕组通电时的转子位置；以为电 机相绕组断电时的转子位置，电机转子齿距角 屏一竽， 6 其中z ，为电机转子齿数． 由于开关磁阻电机装有转子位置检测器实现 位置闭环控制，因此，其电机电磁场变化的基本频 率以及电机功率变换器开关器件的基本开关频率 ，，与电机转速”，保持同步关系，即 f 一筹n ． 7 m 相开关磁阻电机的合成电磁转矩特性为 7 1 曰 一7 乙。E e 3 ⋯ 丁嘶p m 一1 q ] ， 8 式中啡为电机步距角，即 主 i 图2 两种电机的磁化曲线 F i 口．2M a g n e t i T m t i o nf q l i * v eo ft h et w om a c h i n e s 9 2 对比分析 为了便于分析，这两种电机的定子外径、定亍 内径、铁心有效长度、气隙长度分别取相同的值趔 行比较，其主要尺寸如表1 所示． 表1两种开关磁阻电机的主要尺寸 T a b l e1T h em a i ns i z eo ft h et w o S w i t c h e dR e l u c t a r i c em a c h i n e s￡／r a m 电机定子定子铁心有气隙定于转子 结构外径内径效长度长度齿宽齿宽 三相6 ／4 结构1 5 59 5 1 4 0o ．3 2 2 ．2 4 四相8 ／6 结构1 5 59 5 1 4 0o31 7 1 9 2 ．1电机输出容量的比较 开关磁阻电机相电感以转子齿距角只为周垮 随转子位置目而变化，当通电相定子齿轴线与转亍 槽轴线重合时，通电相相电感最小；当通电相定孑 齿轴线与转子齿轴线重合时，通电相相电感最大． 这里，口 o 。为通电相最小相电感位置，口一巩／2 美 通电相最大相电感位置．三相6 ／4 结构开关磁阻电 机的转子齿距角为9 矿，口一4 5 。是其通电相最大耗 电感位置；四相8 ／6 结构开关磁阻电机的转子齿距 角为6 0 。，口一3 0 。是其通电相最大相电感位置． 用式 1 ， 2 对两种开关磁阻电机进行了二纬 有限元磁场数值计算．三相6 ／4 结构开关磁阻电捌 的定子槽面积比同体积的四相8 ／6 结构开关磁阴 电机的定子槽面积大．为较合理地比较这两种结裢 电机的容量，在定子励磁电流密度相同的条件下， 进行了计算．图2 给出了这两种电机在最大相电感 位置和最小相电感位置的磁化曲线． 分别在口一0 ～4 5 。间和目一4 5 ～9 0 。间对三耗 6 ／4 结构开关磁阻电机的相绕组通恒定电流，即，鼠 一0 0 ，岛一4 5 。和巩一4 5 。，口2 9 0 。；分别在目 0 ～ 3 0 。问和口一3 0 ～6 0 。间对四相8 ／6 结构开关磁阳 电机的相绕组通恒定电流，即，吼 0 。，以 3 0 。和 口l 一3 0 。，岛一6 0 。，由式 3 ～式 6 ，计算了这两科 电机的静态平均电磁转矩，如图3 所示．在图3 中， 朋Ar a m 。 图3两种电机的静态平均电磁转矩特性 F i g ．3 C h a r a c t e r i s t i c so ft h es t a t i ca v e r a g e e l e c t r o m a g n e t i ct o r q u eo ft h et w om a c h i n e s 万方数据 4 7 8孛善矿盈天学学报第2 0 卷 T 。 o 表承静态平均电磁转矩的方向与开荧磁阻 电机运转憨努豹方向相同，即7 j ，祷电动转矩性 质；L ， 0 表示静态平均电磁转矩的方向均开关 磁瓣奄撬运转趋势静方淘穗反，簿瓦。藩翮凌转矩 性质，计算结果表明，无论是作电动机运行，避是靠 外力克服刳磅转矩{ 譬发毫撬运雩亏，褒麴羁熬魄滚密 度条件下，三相6 ／4 结构开头磁阻电机的单位体积 输出容量大予四相8 ／6 结构开关磁阻电机的单位 律税输出容鬣． 2 ．2 功率变换器的比较 毫魂运褥捩态节，尾三翱双舞美式功率交换器 对三相6 ／4 结构开麓磁阻电机的相绕组在o ～4 5 。 区阍通恒定电流，臻毂掘分裂电嚣式功率变换器对 四栩8 ／6 结构开关磁阻电机的相绕组在o ～4 5 。区 问通恒定电流．当这两种功率变换器的直流供电电 压为魄，蠢流供电电流大小为厶时，部在保证由 开关磁阻电机和功率变换器组成的电动机系统的 辕入餐量 S 。一U s 氏 据嚣条{ 孛下，镑黠邃强耱磅 率变换器进行了分析．结果见表2 ．发电运行状态 下，互相6 ／4 结构开荧瑾阻呶枧靠夕} 力克服铡动转 矩，其相绕缴在4 5 ～9 0 。区间以恒定电流向三相双 开关式功率变换器馈电；四相8 ／6 结构开关磁阻电 撬拣终蠢克黻裁羲转矩，其襁绕组程3 0 ～6 0 。区t ．- - 1 以懒定电流向四相分裂电源武功率变换器馈电．当 这嚣耪囊率变换器浆壤塞魂瞧压龚弧，辏窭蕊电 流太小为厶时．即在保证由汗关磁阻电机和功率 变换器组成的发电机系统的辕出容繁 s 。一￡，J s 相两条件下．针对这两种功率变换器进行了分析， 结果亦见表2 ， 巍2 蔫鞯臻事变按箍静老较 T 抽l e2 孙m p a r I 舯n0 ft h et w op o w e rt o R v e r t e 料 比较顶 三辐舣开关式嘲棚分裂电辣式 主开关数量 续巍二摄管数量 疆动电路数量 鞴蔫辅蘑电擐数量 电动避行状态下的相电雎 电动蓬行状态下的相电壤 电动落行获卷下翡 主扦关概定工作电压 电动媛行状奄下的 主嚣篾疆定工捧毫瘴 发电燧行状态下的相电压 发电斌行状态下的辊电巍 发彀避行袄态下的续巍 二微臂缸定工作电压 发电遵行状杰型的爨瘴 二教营囊定王捧奄藏 4 4 4 3 U s 心 如 三相双群荧式功纂变换器中的主势关、续漉二 极管、驱动电路及隔离辅助电源数量比四相电容分 压式功率变换器中的多．电动逯行时，“虚系统输入 容量鞠嗣静条件下；发电运行时，在系统输出容量 相同的条件下，三相双于F 关式功率变换器的成本略 褰手巍甥分裂寇滠式功率变换嚣戆；鬣是，三掬粳 开关式功率变换器中的相电流只有四相分裂电源 式功攀变换器巾的三分之二，爨此，与蛸操8 ／6 结 构开美磁阻系统相比，无论是电动运行时在系统输 入容壁相同的条件下，迸是发电运行时在系统输出 容量鞠溺豹条件下．三褶6 ／4 缨构开关磁疆电辘系 统的钢损耗较小、系统效率较高． 2 3 蒸本工传频率熬毙较 由式 7 可知．三糊6 ／4 结构开关磁阻电机电 磁场变化的基本频率及其三棚双开关式功率变换 器开美器件的蒺本开关频率与电机转速的同步关 系为，一n ／1 5 ，四相8 ／6 结构开关磁阻电机电磁 凌交纯缒基本攘率及冀疆福分装电繇鼗凌率交换 器开关器件的熬本开荛频率与电机转遵的同步荚 系为，一n ／l O ．在相嚣的电提转速下，辨翅8 ／6 结 构开美磁阻电机电磁场变化基本频率及其四棚分 裂电源式功率瘦换器开关器件撼本开荚频率是三 穗6 ／4 结褐开荚磁阻电视电磁场变化蒸本频率及 其三相舣开关式功率变换器开荧器件基本开关频 率约l 。5 倍，爨就，三榻6 ／4 续梅开关骥阻电撬系 统的电机铁损耗、功率变换器歼关损耗均比四糊 8 ／6 结构开关磁阻电规系统的低． 2 ．4 对转矩脉油的影响 采用传统的电流斩波角度位置控制方式[ 9 ] ，由 于转子位置、梧电流及捩相重叠角之闯豹菲线性耦 合，开关磁阻电动机在脉冲性电流供电及转子步；拄 运爨孛，其辕爨转瘫会凑较大熬躲动，较蹇静赣感 转矩脉动是开荧磁阻电动机有较大振动和噪声的 根源之一．在静态平均电磁转娥棚同的条搏下，巍 式 8 式和式 9 分别计算了三相6 ／4 络构开关磁 阻电动机和四棚8 ／6 结构开关檄阻电动机的合成 转矩特住，蠲圈4 新示．兰相6 ／4 结梅开关磁函电 动机的步距角％ 3 0 。，四相8 ／6 结构开关磁阻电 凌撬豹疹距是绵一l 舅诗算结暴袭唆，三耀6 ／4 缡 构开关磁阻电动机的转矩脉动幅度较大，四相8 ／e 结构开荧磁阻媳动机的转矩脒动频率较糍．通过桡 仡设计开关磁阻电动机定、转子檄弧和采用优化黼 控制策略，可有效地减小转矩脉动． 魄 豇 姚矗 弧 如 。。。。№蹦如 粼 洮删 № 删 万方数据 第5 期 陈是等两种开关磁阻电机系统的对比研究4 7 9 ～⋯～～“-_mh～ 2 0 一 i Z 若1 0 ＼卜| ～卜 VVV ‘ 八人7 “天／、 ∥WW ∥＼ 。。零篓要三曼墅篓篓鬈黧墨照蚕篓窑矍嘲n 蘸o l o g 癸y , ，1 辩9 9 桂6 捧, 4 ；笃备毫囊氍熬，w Ⅺ靛剿理论 苎8 竺麓翼要差磁黑电受量篓馨翌譬竺析，结雾妻 ⋯写实蘸；五≮蔷；主吴；i ；蠢i ⋯9 9 7 ⋯, 2 6 “ 3 1 i 夏丢j 。 明，无论是用作电动机系统，还是用作发电机系统， [ 6 ] c h 。。} j b 。。g 嘉，x ；。j ，。矗k 。。p u t e 二。t f 0 1o f 获提高电视单饿俸狡容豢及系统效率静角度出发， ⋯i t c h e dr e l u c t 。n c e “。ef o rn 。。g eb t l e r ye l e c t r i c 本义王箨还褥到了孛瓣矿韭大学信电学魏。电力搏鼬 K a l g o o r l i e , A “舭r a l i 8I “8 ‘1 ‘”‘。。fM ㈨n g8 n dM 。恤I p 与控制一般点实验嶷科技基盎的舞助，特此致谢． 1 “f g y5 ～鞋i 矗。。8 ’1 9 。8 1 e 3 1 。6 参考文献明锄嚣ment o fs w i t c h e d 揩h c t a n 艚孟f 心n gF E 五 C o m p a r i s o nS t u d yo fT w oT y p e so fS w i t c h e dR e l u c t a n c eM a c h i n e s C H E NH a o 。X I EG u i l i d C O n e g eo fI n { o r r n a t i o na n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g ．C U M T ，X u z h o u ，J i s n g s u2 2 1 0 0 8 ．C h i n a A b s t r a c t T h ec o m p a r i s o nb e t W e e Dt h ec o m m o nt h r e e p h a s eS w i t c h e dR e l u c t a n c em a c h i n es y s t e ma n dt h e c o m m o nf o u r - p h a s eS w i t c h e dR e l u c t a n c em a c h i n es y s t e mw a am a d e 弦t h er e s p e e t ao ft h eo u t p u tc a p a c i t yo f t h em a c h i n e ，t h ef e a t u r eo fp o w e rc o n v e r t e r ．t h eb a s i co p e r a t i o n a lf r e q u e n c ya n dt h ee f f e c to ft h et o r q u ep u l - s a t i o n ．I ts h o w st h a tt h eo u t p u tc a p a c i t yp e ru n i tv o l u m ea n dt h es y s t e m a t i ce f f i c i e n c yo ft h eS w i t c h e dR e l u c t f l u e em a c h i n es y s t e mw i t ht h et h r e e - p h a s ed o u b l e ～s w i t c hp o w e rc o n v e r t e ra n dt h e 斑r e e p h a s e6 ／4s t r u c t u r e , m a c h i n ea r es u p e r i o rt ot h o s eo ft h eS w i t c h e dR e l u c t a n c em a c h i n es y s t e mw i t ht h ef o u r - p h a a es p h ts u p p l y p o w e rc o n v e r t e ra n dt h ef o u r ，p h a s e8 ／6s t r u c t u r em a c h i n e ，w h e t h e rt h em a c h i n e sa r eo p e r a t e da at h em o t o r s y s t e m so rt h eg e n e r a t o rs y s t e m s ． K e vw o r d s S w i t c h e dR e l u e t a n e e D o w e rP ㈣r t p r to 睁n e r a t e r v r i a b l M T n P dd r i v e 万方数据