【正文】 本科生畢業(yè)設計（論文）橫向磁通開關磁阻電機的理論研究摘 要低制造成本、高可靠性和高能量轉換效率是機電運動控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。開關磁阻電機結構簡單，適合在惡劣環(huán)境下運行。只在定子上有繞組，沒有轉子銅耗。因此開關磁阻驅動系統(tǒng)迎合了機電運動控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，融合了電力電子技術和現代控制算法發(fā)展成果，成為近年機電運動控制領域的研究熱點。本課題通過控制策略和系統(tǒng)設計兩方面對開關磁阻驅動系統(tǒng)進行研究。開關磁阻驅動系統(tǒng)可控參數多、控制方式靈活，本課題首先闡述開關磁阻電機基本原理和基本結構，以此為基礎對其控制方式進行了分類比較研究。該如何提高開關磁阻電機的轉矩已成為目前研究的熱點，于是在開關磁阻電機理論分析的基礎之上,所以我們提出了用橫向磁通來提高電機的轉矩和轉速，本課題系統(tǒng)的研究了橫向磁通開關磁阻電機的運行原理,結構設計及優(yōu)化方案,以及相關的提高轉矩的方法。關鍵詞：開關磁阻，橫向磁通，驅動系統(tǒng)，結構設計 ABSTRACTLower manufacture cost, higher dependability and efficiency, which are the recent developing trends of motion control system, are features of Switched Reluctance Motor (SRM) over other types of motor. Associating with the development of power electronic technology and modern control theory, the research on Switched Reluctance Driving (SRD) system bees the hotspot among the corresponding fields.This paper conducts the research through the control strategy and the design the switch magnetic resistance actuation system. The switch magnetic resistance actuation system have many parameter, and the control mode is flexible, this paper first introduced the switch magnetic resistance electrical machinery on the basic of principle and the structure, and conducted the classified parison research as the foundation on its control mode.How to improve the torque of the switch magnetic resistance electrical machinery have bee the hot spot at present, there upon in above switch magnetic resistance electrical machinery theoretical analysis foundation, therefore we proposed the crosswise magnetic flux to improve the rotate speed, and the torque as principle of he crosswise magnetic machinery. The paper study the rule of the crosswise magnetic machine, the structural design and the optimized. Put forward the methods to improve the torque .Keywords: switched reluctance, crosswise magnetic flux , actuation system, structural design 目 錄第1章 前言 1 引言 1 開關磁阻電機的發(fā)展概況 1 SRD系統(tǒng)的優(yōu)點 2 SRD研究亟待解決的問題 2第2章 徑向磁通開關磁阻電機的運行原理 4 SRD的基本結構 4 開關磁阻電機傳動系統(tǒng)的基本構成 4 開關磁阻電機傳動系統(tǒng)的基本構成 5 功率變換器 5 控制器 7 SRD的工作原理 9 開關磁阻電機的線性分析 11 繞組電感 11 繞組磁鏈 12 繞組電流 13 電磁轉矩 13第3章 橫向磁通開關磁阻電機 15 橫向磁通電動機的定義和特征 15 橫向磁通開關磁阻電機的優(yōu)缺點 15 橫向磁通開關磁阻電機的結構 15 橫向磁通電動機(TFM)的拓撲類型 16 橫向磁通SR電動機調速原理 18 橫向磁通電機的磁場分析 20 有限元模型與求解 21 磁場分析與計算 21 徑向磁通電動機和橫向磁通電動機拓撲結構的比較 22 橫向磁通開關磁阻電機的應用 23 原動機裝置 23 微特電機 23第4章 橫向磁通開關磁阻電機的結構設計及參數優(yōu)化 25 橫向開關磁阻電機的結構設計 25 橫向磁通開關磁阻電機最優(yōu)化設計的數學模型 26 目標函數 27 約束條件 27 優(yōu)化變量 28 優(yōu)化點的確定 29 控制參數的處理 29 優(yōu)化設計的特點 30 變量的離散特性 30 約束條件多且呈高度非線性 30 目標函數的離散性與跳躍性 30 優(yōu)化工作量龐大 30 優(yōu)化實例 31第5章 橫向磁通開關磁阻電機功率密度研究 33 引言 33 關于尺寸方程式和功率密度的基本理論 33 尺寸關系式在感應電機中的應用 35 尺寸關系式在AFRSM電機中的運用 37 總結 39第6章 橫向磁通開關磁阻電機的輸出轉矩理論研究 40 引言 40 橫向磁通開關磁阻電機轉矩提升原理 40 永磁屏蔽的橫向磁通開關磁阻電機結構特點 42 磁場分析 43 樣機的試驗研究 44 結論 45結論 46參考文獻 47致謝 48附錄1 英文原文 49附錄2 中文翻譯 57第1章 前言 引言開關磁阻電機驅動系統(tǒng)(Switched Reluctance Drive，簡稱SRD)由開關磁阻電機(Switched Reluctance Motor，簡稱SRM)，功率變換器，控制器和檢測四個部分組成，是繼異步電動機變頻調速系統(tǒng)和直流電動機調速系統(tǒng)之后于20世紀80年代迅猛發(fā)展起來的一種極具發(fā)展?jié)摿π滦驼{速電機驅動系統(tǒng)。開關磁阻電機具有可控參數多，損耗小，效率高，起動電流小，起動轉矩大等優(yōu)點；開關磁阻電機的結構簡單堅固，調速范圍寬，調速性能優(yōu)異，可以與直流電動機媲美，而且在整個調速范圍內都具有較高的效率，系統(tǒng)的可靠性高。因此，開關磁阻電機在電氣傳動領域獲得廣泛的應用。 開關磁阻電機的發(fā)展概況開關磁阻電機（Switched Reluctance Motor,SRM）是隨著電力電子、微電腦和控制技術的迅猛發(fā)展而發(fā)展起來的一種新型調速驅動系統(tǒng)，具有結構簡單、運行可靠及效率高等突出特點，成為交流電機調速系統(tǒng)、直流電機調速系統(tǒng)和無刷直流電機調速系統(tǒng)的強有力的競爭者，引起各國學者和企業(yè)界的廣泛關注?？鐕姍C公司Emerson電氣公司還將開關磁阻電機視為其下世紀調速驅動系統(tǒng)的新的技術、經濟增長點。目前開關磁阻電機已廣泛或開始應用于工業(yè)、航空業(yè)和家用電器等各個領域。1970年，英國Leeds大學步進電機研究小組首創(chuàng)一個開關磁阻電機（Switched Reluctance Motor,SRM）雛形，這是關于開關磁阻電機最早的研究。1972年，進一步對帶半導體開關的小功率電動機（10w～1kw）進行了研究。到了1975年有了實質性的進展，并一直發(fā)展到可以為50kw的電瓶汽車提供裝置。1980年在英國成立了開關磁阻電機驅動裝置有限公司（SRD Ltd.），專門進行SRD系統(tǒng)的研究、開發(fā)和設計。1983年英國（SRD Ltd.）首先推出了SRD系列產品，該產品命名為OULTON。1984年TASC驅動系統(tǒng)公司也推出了他們的產品。另外SRD ，到1986年已運行500km。該產品的出現，在電氣傳動界引起不小的反響。在很多性能指標上達到了出人意料的高水平，整個系統(tǒng)的綜合性能價格指標達到或超過了工業(yè)中長期廣泛應用的一些變速傳動系統(tǒng)。從上世紀90年代國際會議的上有關SRD系統(tǒng)的文章來看，對SRD系統(tǒng)的研究工作已經從論證它的優(yōu)點、開發(fā)應用階段進入到設計理論、優(yōu)化設計研究階段。對SR電機、控制器、功率變換器等的運行理論、優(yōu)化設計、結構形式等方面進行了更加深入的研究。 SRD系統(tǒng)的優(yōu)點（1） 電機結構簡單、堅固，制造工藝簡單，成本低，可工作于極高轉速；定子線圈嵌放容易，端部短而牢固，工作可靠，能適用于各種惡劣環(huán)境。（2） 損耗主要產生在定子，電機易于冷卻；轉子無永磁體，可允許有較高的溫升。（3） 轉矩方向與電流方向無關，從而可最大限度簡化功率變換器，降低系統(tǒng)成本。（4） 功率變換器不會出現直通故障，可靠性高。（5） 起動轉矩大，低速性能好，無感應電動機在起動時所出現的沖擊電流現象。（6） 調速范圍寬，控制靈活，易于實現各種特殊要求的轉矩－速度特性。（7） 在寬廣的轉速和功率范圍內都具有高效率 。（8） 能四象限運行，具有較強的再生制動能力。（9） 容錯能力強。開關磁阻電機的容錯體現在電機某一相損壞，電機照樣可以運行。與當前廣泛應用的變頻調速感應電動機相比，開關磁阻電機在成本、效率、調速性能、單位體積功率、可靠性、散熱性等都具有明顯的優(yōu)勢或競爭力。如果說第一代開關磁阻電機（1983年研制）在小功率范圍的效率比高效變頻調速感應電動機低，第二代開關磁阻電機（1988年研制）的效率已全面超過了高效變頻調速感應電動機。 SRD研究亟待解決的問題SRD作為一項方興未艾的新技術涉及到電動機、微電子、電力電子、微機、控制機械及工程應用等眾多學科領域，目前國內外的電工界都致力于SR電機調速系統(tǒng)的研究和開發(fā)應用。因為它具有一系列優(yōu)點，所以在問世后的短短時間內，發(fā)展很迅速，顯示出強大的生命力。但是從目前發(fā)展水平看，和其他調速電機相比，無論是理論上還是應用上，SR電機仍顯得年輕，稚嫩，還存在亟待解決和克服的問題，需要進一步的研究與完善。主要有以下幾點：（1） 進一步完善SR電動機設計理論；（2） 加強對鐵心損耗的理論研究；（3） 加強對轉矩脈動及噪聲的理論研究；（4） 完善SRD中電機、功率變換器及控制器三者之間的協(xié)調設計；（5） 重視位置檢測器的設計。上述缺點通過對電動機進行精心設計，采取適當措施，并從控制角度考慮采用合理策略，可以得到改進。第2章 徑向磁通開關磁阻電機的運行原理 SRD的基本結構開關磁阻電機有很多不同的結構形式,各有其不同的性能特點。該電機的定、轉子鐵心均由硅鋼片疊成。定、轉子沖片上均有齒槽，構成雙凸極結構。依定、轉子片上齒槽的多少，構成不同極數的電機。為避免單邊磁拉力，徑向必須對稱，故定子、轉子極數應為偶數。除單相電機外，應使定子極（齒槽）數Z與轉子極（齒槽）數Z不相等，但為提高電機出力，要盡量接近。對內轉子電機，常用的關系式為： （）對外轉子電機常用的關系式為： （）每個定子極上套一個集中繞組．同樣為避免單邊磁拉力，圓周上相對的兩個極上的線圈應屬于同一繞組．若每相繞組由p個極上的線圈相互串聯（或并聯）構成，則電機的相數為：（內轉子） （）（外轉子） （）通常p取2，即每相繞組由圓周相對兩個極上的線圈構成。P取4的也比較常用。選擇電動機的極數及相數與電機性能和經濟性密切相關，一般地說，極數和相數增多，電動機轉矩脈動減少，運行平穩(wěn)，但是增加了電動機的復雜性，特別是功率電路的成本提高。 開關磁阻電機傳動系統(tǒng)的基本構成開關磁阻電機傳動系統(tǒng)（簡稱SRD系統(tǒng)）主要是由開關磁阻電動機（簡稱SRM）、功率變換器、轉子位置檢測器及控制器組成的電動機調速系統(tǒng)。控制器功率變換器SRM電流檢測位置檢測 SRD系統(tǒng)結構圖 開關磁阻電動機開關磁阻電動機是SRD系統(tǒng)的執(zhí)行元件。它不同于傳統(tǒng)的交直流電動機那樣依靠定、轉子繞組電流所產生磁場間的相互作用形成轉矩和轉速。它與磁阻（反應）式步進電動機一樣，遵循磁通總是要沿著磁導最大的路徑閉合的原理，產生磁拉力形成轉矩磁阻性質的電磁轉矩。因此，它的結構原則是轉子旋轉時磁路的磁導要有盡可能大的變化，一般采用凸極定子和凸極轉子，即雙凸極型結構，并且定、轉子齒極數（簡稱極數）不相等。定子裝有簡單的集中繞組，直徑方向相對的兩個繞組串聯成為“一相”；轉子由疊片構成，沒有任何形式的繞組、換向器、集電環(huán)等。開關磁阻電動機按相數分，有單相、兩相、三相、四相和多相；按氣隙方向分，有橫向式、徑向式結構和徑向橫向混合式結構；按每齒極的小齒數分，有每極單小齒結構和每極多小齒結構。一般來說，小容量家用電器用的開關磁阻電動機，常做成單相或兩相徑向橫向式結構。工業(yè)用電動機多采用三相、四相徑向單