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针对开关磁阻电机双凸板结构及开关电源供电导致的其固有转矩脉动问题,运行时期望保持各相电感曲线重叠,研究由磁链交互引起的互感耦合及饱和效应。从电机设计的角度详细分析了单双相励磁时开关磁阻电机的静态性能及其与相电流、转子位置的关系:包括长、短磁路模式下电机单双相励磁的自感和互感曲线,相邻相对导通相磁链的影响,以及互感对输出转矩的影响,并且实测了四相8/6结构开关磁阻电机的自感及互感曲线。理论分析和有限元计算及实验研究均表明,相邻两相为短磁路励磁模式时,可获取较高平均转矩。
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第
16
卷第
11
期
2012
年
11
月
电机与控制学报
ELECTRIC
MACHINES
AND
CONTROL
Vo
l.
16
No.11
Nov.
2012
计及互感的开关磁阻电机单双相励磁静态性能分析
高洁
孙鹤旭
米彦青
2
董砚
何林
3
(1.河北工业大学控制科学与工程学院,天津
300130;
2.
天津清源电动车辆有限责任公司,天津
300450;
3.
天津职业技术师范大学自动化与电气工程学院,天津
300222)
摘
要:针对开关磁阻电机双凸极结构及开关电源供电导致的其固有转矩脉动问题,运行时期望保
持各相电感曲线重叠,研究由磁链交互引起的互感搞合及饱和效应。从电机设计的角度详细分析
了羊双相励磁时开关磁阻电机的静态性能及其与相电流、转子位直的关系:包括长、短磁路模式下
电机羊双相励磁的自感和互感曲线,相邻相对导通相磁链的影响,以及互感对输出特矩的影响,并
且实测了四相
8/6
结构开关磁阻电机的自感及王感曲线。理论分析和有限元计算及实验研究均表
明,相邻两相为短磁路励磁模式时,可获取较高平均转矩。
关键词:开关磁阻电机;单双相励磁;王感搞合;饱和;有限元分析
中图分类号
:TM
352
文献标志码
:A
文章编号:
lOO7-449X(2012)
1l
-0045-07
Static performance analysis of SR motor with single
and
double phase excitation considering mutual inductance
GAO
lie
1
,
SUN
He-xu
1
,
MI
Yan-qing
2
,
DONG
Yan
1
,
HE
Lin
3
(
1.
Control
Science
and
Engineering
College
,
Hebei
University
of
Technology
, Tianjin 300130 , China;
2. Tianjin
Qingyuan
Electric
Vehicle
Co.
,
LTD.
, Tianjin
300450
, China;
3.
Automation
and
Electrical
Engineering
College
, Tianjin
University
of
Technology
and
Education
, Tianjin
300222
, China)
Abstract:
For switched reluctance ( SR) motor doubly salient structure
and
the inherent torque ripple
caused
by switching power supply ,
in
the run-time it is expected to
keep
the
phase
inductance curves
0-
verlap, the mutual inductance coupling
and
saturation effects
caused
by flux interaction was studied.
From the perspective of motor design
, a detailed analysis of the static performance of
the
SR
motor
in
sin-
gle
and
double
phase
excitation was carried
out:
self
and
mutual
inductance
curves of the long , short
magnetic circuit mode
, the flux linkage of adjacent
phase
, and the mutual inductance effect on the output
torque were analyzed.
The
self
and
mutual inductance curve were measured by experiment.
The
theoreti-
cal
analysis , finite element method
and
experiments indicate the adjacent two-phase excitation mode of
short magnetic circuit ohtain higher average torque.
Key
words:
switched reluctance motor; single
and
douhle
phase
excitation; mutual inductance
coupling;
saturation;
自
nite
element analysis
收稿日期:
2012
-07 -09
基金项目:国家"十一五
"863
节能与新能源汽车重大专项
(2011AAll
A2
59)
;国家
863
计划项目
(2008AAIIAI45)
;河北省科技支撑计划项目
(112135661
)
作者简介:高
洁(1
984
一)
,女,博士研究生,研究方向为电机及其控制;
手
l
、鹤旭(1
956
一),男,教授,博士生导师,研究方向为现代传动及网络化控制;
米彦青(
1982
一)
,男,工程师,研究方向为电动汽车电机驱动系统研发;
董
砚(1
973
一)
,女,副教授,研究方向为现代传动理论与应用;
何
林
(1982
一)
,男,讲师,研究方向为电力电子与电气传动
o
通讯作者:孙鹤旭
46
电机与控制学报
第
16
卷
o
sl
开关磁阻
(switched
reluctance ,
SR
)电机的结
构和工作原理比较简单,但其特有的双凸极结构
定转子齿交叠前产生的边缘磁通引起电流非线性
变化;并且开关电源供电使得转矩是由一系列脉
冲转矩叠加而成,合成转矩亦非恒定值。这导致
SR
电机存在固有的转矩脉动,尤其电机低速运行
时转矩脉动较大
[1]
转矩脉动抑制的研究是近年
来
SR
电机研究领域的热点之一,国内外学者从电
机结构、电流优化控制等方面做了大量卓有成效
的工作
[2
-3] 。
为了减小转矩脉动,保持各相导通时电感曲线
相互重叠是研究者所期望的,因而各相间的交互是
不可避免的,一般
SR
电机的各相磁链和转矩分别
计算,且通常忽略互感
[1]
。各相间的交互可归为两
类:互感搞合及饱和效应。其中互感搞合是由于各
相磁链交链引起的,而互感饱和则是下一相励磁时
对前一导通相在其饱和区所产生的影响,饱和进而
影响了磁链和输出转矩。通常情况下,
SR
电机的设
计准则之一就是互感尽可能小,可以使得各相单独
控制。然而大多数
SR
电机即使单相励磁时也工作
在磁饱和区域,此时本身互感效应就已不能忽略,且
下一相励磁过程中与前一相交链的磁路部分也将影
响其饱和程度。
已有的文献
[4
-7]
通常只是考虑了互感娟合效
应,而往往忽略了互感的饱和。本文从电机设计的
角度分析互感饱和的影响,利用有限元法详细分析
相邻相对导通相磁链的影响,以及互感对输出转矩
的影响。随着相数的增加,
SR
电机运行时的重叠区
域也变得更大,由于四相
8/6
结构磁路的非对称性,
本文将对此结构重点分析。
1
SR
电机互感搞合分析
1.1
SR
电机单相励磁模式互感辑合分析
互感的一般定义式为
N
1φ
12
N
2
φ
21ψ12
Iþ
M=M
口
=M21
=
一一一=一一一=一一=一土,
(I)
μμ1
2
1
1
ι
1
1
式中
:N
1
、
N
2
分别是线圈
1
,
2
的臣数
;φ12
和
ψ12
分别
是线圈
2
中的电流
ι
在线圈
1
中产生的每臣磁通
量和磁链,
φ21
和
ψ21
分别是线圈
1
中的电流
1
1
在线
圈
2
中产生的每臣磁通量和磁链。
互感系数的大小取决于两个线圈的几何形
状,大小,相对位置,各自的臣数以及它们周围介
质的磁导率。在
SR
电机中,各相绕组的几何形
状、大小、相对位置及臣数都是固定的。但是线圈
之间是通过转子搞合的,当转子转动时各相线圈
间的磁阻发生着周期性的变化,此周期和转子的
极数相关。
下面对
SR
电机单相励磁情况进行有限元分
析,各相依次通人
7A
的方波电流,每相导通
15
0
,通
电周期为一个转子极距
60
0
,
SR
电机绕组采用
NSNSSNSN
排列方式,其自感和互感曲线如图
1
所
示,
AB
、
BC
、
CD
相邻相均为短磁路连接,极性相反,
导通相磁力线与其相邻相的磁场方向一致,互感磁
链具有加强相邻相磁场的作用,因此其互感均为正
值;而
DA
相为长磁路连接,两相极性相同,导通相
A
的磁力线与相邻相
D
的磁场方向相反,互感磁链
则会减弱
D
相的磁链,因此互感为负。
目
E
筒
阳
一
0.63
才
转子位置
I(
0)
-1.2
5
←一-
一一「一一一→一一「
o
10
20 30 40 50 60
转子位置
I(
0)
图
1
NSNSSNSN
连接方式时单相励磁备相自感和
互感特性曲线
日也.
1 The self and mutual inductance of single phase
excitation with
NSNSSNSN connection
同样地,如图
2
所示,
SR
电机为
NNNNSSSS
时,
AB
、
BC
、
CD
相邻相均为长磁路连接,其互感均为负
值,而
DA
两相为短磁路连接,其互感值则为正。且
对齐位置自感值近似为非对齐位置的
12.5
倍,这就
为控制相电流和磁链带来了难度。相邻相的互感不
超过与之相关自感值的
6.4%
,而非相邻相的互感
则不超过
0.07%
,因此,尽管在文献
[8J
中非相邻相
的互感用于在无位置控制中检测转子位置,但是其
他情况下该互感基本可以忽略。
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