开关磁阻发电机优化设计探讨

开关磁阻发电机优化设计探讨邓秋玲，等

中图分类号：ＴＭ３５２文献标志码：Ａ文章编号：１００ｌ一６８４８（２００８）０７ＪＤ０８５ＪＤ４

开关磁阻发电机优化设计探讨

邓秋玲１，肖锋１，黄守道２

（１．湖南工程学院，电气与信息工程系，湘潭４１１ｌＯｌ；２．湖南大学电气与信息工程学院，长沙４１００８２）

摘要：影响开关磁阻发电机（ｓＲＧ）输出功率的参数和控制变量有相自感、相电压、开关角、

直流侧电压和转速阐述了设计参数和控制变量对输出功率的影响。对ｓＲＧ模型进行了仿真。仿真结果表明，可通过优化设计参数和开关角来提高ｓＲＧ的输出功率，从而优化ＳＲＧ的性能。关键词：开关磁阻发电机；效率；优化设计

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引言

以及计算电流有效值相对较简单，可用来计算最大效率。然而效率优化更好的方法是选择最

由于开关磁阻发电机采用了新颖的发电原佳励磁角使损耗为最小阻４１。ｓＲ发电机控制策

理和灵活的控制方式，具有常规发电机所不具略的主要目标之一是提高发电机组的功率密度有的独特优势，如发电品质好、系统坚固、功或输出功率，使发出的电功率与励磁功率的比率密度高、制造成本低等优点，同时由于它没值增加。它除了能降低直流侧电容器的体积外，有采用永磁材料，结构上没有绕组，其热损耗重要的是它能缓和直流侧的电流脉动，这也可大部分集中在定子上，易于冷却，很适合在恶以提高发电机组中ＳＲＧ驱动的功率密度和劣的环境下工作，因此无论在民用还是航空领

效率＂Ｊ。

域，这种电机都具有很高的实用价值和广阔的

应用前景。然而，ＳＲＧ是一种新兴的电机，尽１输出功率

管电磁原理和结构都相当简单，但磁路周期性开关磁阻电机一相电压方程为：

变化并存在严重的局部饱和，其设计和性能分

析与传统电机差异很大，性能特点的计算难以

％咄‘＋警

（１）

做到精确，很多理论和实践也不太成熟，不象将感应电压展开，忽略饱和的影响，可写成：

ＳＲＤ那样，已经有很多的科研经验，要想满足（２）

ｓＲＧ电机所需性能的控制理论还有待完善。ＳＲＧ％＝％州口）誓ｑ争

性能优化的主要指标之一是效率。一般来说，式中，％、‘、厶、口、∞、弓分别为相电压、相电

由于ｓＲＧ中损耗和相电流有效值的直接关系，

流、相电感、转子位置、转子速度和定子绕组相电阻。

收稿日期：２００８旬ｌ－３１

当转子旋转一周，ＳＲＧ输出的平均电功率为每相输基金项目：湖南省教育厅科研资助项目（０４ｃ１８９）

出功率之和，即：

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结构特点，散热性比较好，因此电流密度较传统电机可取得高一些，可取：

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这里，Ⅳ、ｒ分别为电动机相数和一相的导通周期。忽略相绕组上的欧姆压降，假定转速足够高，磁通末达到饱和状态，相电感只是位置的函数

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（２）定子极最大平均磁通密度Ｂ芦。曰，。愈大，

电机铁耗愈大，但重量却因截面积的减小而降低。从ｓＲ电机损耗分布来看，铁耗并不占主导地位，电机稳定运行时磁通密度也不是常数，因此曰。。可取得大一些。在取值时还应考虑叠片磁特性的影铲丽２．

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其中，ｐ。为开关断开后，相电流下降到０时的转子位置。

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平均输出功率：

．倍额定转速范围内变化。它由原动机和发电机的

为了更好理解设计参数和控制变量对输出功

率的影响，可对不同的情况分别进行研究；每一

种情况代表ｓＲＧ的一种应用实例。

（１）尸。＿．厂（如，％，∞），玑＝ｃ∞ｓｔ．，￡＝￡（毛，Ｂ）

相电感是电流和位置的固定函数，直流母线电压和转速是固定不变的，因此，输出功率只是与开关角有关。这种情况通常发生在ＳＲＧ连接到一个在常速下运行的汽轮机上或连接到电力网上。研究表明为了获得最大输出功率，存在最佳开通角和最佳关断角。

（２）Ｐ。＿．厂（∞，以。，％），玑＝ｃｏｎｓＬ，Ｌ＝三（ｉｉ，Ｂ）

在这种情况下，假定相电感是电流和位置的固定函数，直流母线电压是固定不变的，因此输出功率是开关角和转速的函数。这个情况的应用实例是连接到常电压电力网上的风力发电机。

（３）Ｐ。＝厂（∞，以，口…％），Ｌ＝￡（ｉｉ，Ｂ）

在这种情况下，母线电压也是变化的，唯一不变的参数是相电感。输出功率是开关角、直流母线电压和转速的函数。这个情况的应用实例是汽车中的起动机／交流发电机。发电机的端电压连接到电池上，它的电压随着充电和放电而发生变化。

２主要设计参数和控制变量

ｓＲＧ性能指标，如效率、电压脉动、转矩脉动或最大输出功率的优化取决于下面的设计参数和控制变量：

（１）绕组电流密度凡。。凡。主要用以约束电机的温升和铜耗。考虑到绕组集中在定子和双凸极

．矗６・

万　

方数据响，因铁心磁路的饱和会引起输出功率的下降，取：

曰即≤１．８Ｔ

（３）定子轭最大平均磁通密度Ｂ“考虑到铁心轭部的结构强度，取：

Ｂ。。≤１．５Ｔ

（４）转速（∞）。它能从０到高于发电机５—６

力学特性决定。它们的时间常数通常比发电机相绕组导通周期大得多，所以在相电流的一个周期内，可认为转速是不变的。

（５）相电压阢。它和直流母线电压玑一致。以在一个相电流的周期内几乎不变。ｓＲＧ相电压波形如图ｌ所示。相电压的值可以为ｏ，或者直流母线电压为负，其值随开关角的变化而变化。

（６）相电感厶（ｉ；，ｐ）。因为电机产生的能量是基于电感的变化，其值对电机性能影响很大。它由设计过程来决定，但由于制造工艺或材料老化或转子偏心，它可能偏离设计值。

（７）相电阻Ｒｉ。对相电阻进行设计以减小铜耗。相电阻变化很小，其欧姆压降通常可以忽略，所以在分析中可以不考虑相电阻的变化。

３控制方式及仿真研究

ｓＲＧ控制参数是指开通角ｐ小关断角口小

相电压和参考相电流。其控制模式可分为：角度位置控制、脉宽调制控制、电流斩波控制。为了更好地理解设计参数和控制变量对输出功率的影响，在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ／Ｍａｔｌａｂ环境下对ＳＲＧ模型进行仿真。

３．１角度位置控制方式

角度位置控制方式是通过调节口。。和口。。两个控制参数来调节励磁电流Ｌ。由于ｓＲＧ的磁路饱和

及功率变换器导致非线性，使得控制参数与控制

目标函数存在很复杂关系，很难同时调节两个参数。实际使用是把一个角度作为主控参数，另一

开关磁阻发电机优化设计探讨邓秋玲，等

角度作为辅控参数。下面结合仿真具体分析氏和

ｐ砸对相电流及输出功率的不同影响。

图ｌ开通角对相电流的影响

１７０１６０１４０１２０ｌＯＯ８０６０４０２０

图２关断角对相电流的影响

由图ｌ和图２可知，在关断角固定的情况下，

一定范围内提前开通角氏，将使励磁区长度和励

磁强度增加，进而有助于增加相电流的有效值；相反，当开通角大于４５０时，电流变得很小；其次，三个电流波形的形状略有差异，口。＝２５。和３５０的波形在功率管关断后，电流有明显上升，而

钆＝４５０的波形却没有上升，而是在关断功率管后

直接下降了。这是因为关断角位置处的电流大小直接影响了这一点的运动电动势，前两个波形在这一点的运动电动势显然要高于母线反压，这样电流的变化率应该为正，导致电流上升，电流上升又使运动电动势增强，形成正反馈，所以，我们看到电流上升率越来越大，一直到电感曲线的低位平坦阶段，运动电动势为零，电流变化率一下子变为负，电流呈直线下降。如果过分后推，将使电流续流至下一周期电感上升段（图中９５。往后区域），产生电动转矩，使发电效率降低。比较两图可知，调整开通角的情况下，相电流波形变化比较均匀，相反，调整关断角时，相电流峰值变化相当明显。当关断角小于５５。时，发电机几乎发不出电来。同时可以发现，不管是开通角太滞后（大于４５０）还是关断角太提前（小于５５。），相电流在关断后都不会出现上翘。因为在一定转速下，励磁电流峰值不足于使运动电动势在关断开关管

万　

方数据瞬间大于加在绕组上的反压。３．２电流斩波控制

电流斩波控制方案控制性能较好，并且实现比较简单。图３为定回差斩单管相电流波形。可以看出斩波上限越高，相电流越大；其次，在基速以下低速运行时，由于相电流铜耗受到限制，输

出功率随转速增加而增大，当转速大大高于基速

时，输出功率与转速成反比下降，因此，存在一个使输出功率最大的速度，如图４示。

萋嚣｝三三兰翘蓁；雾卜三雾

２０３０４０５０６０７０８０９０ｌｏｏ

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ｌＯ

２０

３０

４０

５０

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斩波上限￡ｍａｘ

（ａ）定回差斩单管相电波流波形（ｂ）定目差斩单管输出功率和斩渡上限关系

图３定回差斩单管电流、输出功率波形

１４００

１２００

喜－ｏｏｏ

罨８００＝

雍６００

４００２００

图４

电压为１２０Ｖ及最佳开通角和关断角下最大输出功率与转速之间的关系

３．３脉宽调制控制ＰＷＭ

脉宽调制控制ＰｗＭ有斩单管和斩双管两种方式，设计时，一般选取斩单管方式。一方面，斩双管的相电流明显大于斩单管方式，甚至有时会

出现断流情况，脉动相对严重，因此，其振动、

噪音以及由此产生的损耗较大，其转子铁耗相对斩单管方式也要大一些；另一方面，在斩双管方式中，由于主电路上下功率管均处于高频开关状态，其开关损耗也大于斩单管方式；再之对于ＰｗＭ调压控制，无论是斩双管还是斩单管，控制区的选取一般都在线性工作区，这样，控制器的设计相对简单，而斩单管的线性工作区要明显大于斩双管方式。

由图５可以看出，占空比越大，输出功率越高；其次，在占空比较小区域，输出功率与之呈一种平方关系，占空比较大区域则是线性关系。

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微电机

［２］蒋冬青，朱学忠．单相开关磁阻发电机仿真研究［Ｊ］．中小

型电机，２００２，２９（２）：ｌ一３．ｒ，ｍｉｎ

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堰［３］

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Ｐｍｃ．ＡＰＥＣ，２００３：７５—８２．

—孝少．

［４］

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（ａ）ＰｗＭ斩单管相电流波形

（ｂ）ＰｗＭ斩单管输出功率与占空比关系

ＩＥＥＥ

Ｐｒｏｃ．

ＡＰＥＣ，２００６：２８７—２９１．

［５］ＤａｖｉｄＡ．Ｔｏｒｒｅｙ．ｓｗｉｔｃｈｅｄｒｅｌｕｃｔａｍｃｅ

ｇｅｎｅｎｎｏｒ卸ｄｔｈｅｉｒｃｏｎｔｒｎｌ

图５斩单管相电流和输出功率波形

［Ｊ］．ＩＥＥＥＰｍｃ．ＡＰＥＣ。２００２：３一１４．

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参考文献

［１］ＴＭ３０１．２任贵勇，王常虹，马广程．开关磁阻电机的发电

作者简介：邓秋玲（１９６６一），女，副教授，在读博士研究生，运行及其数字仿真研究［Ｊ］．中国电机工程学报，２００ｌ，２１研究方向为特种电机及其控制。

（２）：２９—３２

黄守道（１９６２一），男，教授，博士研究生导师。

（上接第８３页）

５

结论

输入初始值：转轴的分段数ｎ．材料的弹性模Ｉ量，材料的密度，轴的直径．支撑刚度．指ｌ

定ｌ临界转速初始值．求解临界转速的阶数ｍ

由以上实例的计算结果比较可知，传递矩阵法可以较准确地计算出阶梯轴类的临界转速。本Ｉ求解各轴段的传递矩阵，并求解Ｇ

文求解方法是正确有效的。本文推导方法计算量

Ｉ

！／嗡念、

判断Ｐ的值

ｌ

小对电机类阶梯轴具有较强的通用性和实用性。

参考文献

［１］李忠杰，王树宗．某活塞发动机临界转速的计算［Ｊ］．噪声与

振动控制，２００６（５），１０１．１０３．

匝图２主轴临界转速流程图

卫

［２］杨明亚，杨涛，汤本金，等．应用有限元分析系统计算车床

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［４］丁长安，常琚，黎桂华，等．机床主轴系统临界转速计算

［Ｊ］．韶关学院学报，２００５，（１２）：３８４１．

图３阶梯转轴

［５］张小龙，何洪庆．涡轮泵转子的临界转速研究（Ⅳ）分布质量

表ｌ

阶梯转轴临界转速（转／分）

轴的传递矩阵法［Ｊ］．推进技术，２０∞，（２），５２－５５．

［６］李垂彰．汽轮机组轴系临界转速计算程序的编制［Ｊ］．水利电

力机械，２００６，（２）：７．８．

作者简介：付增（１９８ｌ一），男，山东聊城人，硕士研究生，从事振动与噪声控制研究。

・嬲・

万　

方数据

开关磁阻发电机优化设计探讨

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

邓秋玲， 肖锋， 黄守道

邓秋玲,肖锋(湖南工程学院,电气与信息工程系,湘潭,411101)， 黄守道(湖南大学,电气与信息工程学院,长沙,410082)微电机

MICROMOTORS 2008,41(7)

参考文献(5条)

1. 任贵勇;王常虹;马广程 开关磁阻电机的发电运行及其数字仿真研究[期刊论文]-中国电机工程学报 2001(02)2. 蒋冬青;朱学忠 单相开关磁阻发电机仿真研究[期刊论文]-中小型电机 2002(02)

3. Y.Spzer;D.A.Torrey Closed-loop control of excitation parameters for high speed switched reluctancegenerators 2003

4. Jawad Faiz;Reza Fazai Optimal excitation angle of a high speed switched reluctance generator byefficiency maximization 2006

5. David A.Torrey Switched reluctance generator and their control 2002

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1. 赵德安. 宗巍. ZHAO De-an. ZONG Wei 开关磁阻发电机效率最优的激励参数控制策略[期刊论文]-微特电机2007,35(7)

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4. 熊立新. 高厚磊. 徐丙垠. XU Lie. XIONG Li-xin. GAO Hou-lei. XU Bing-yin. XU Lie 开关磁阻发电机最大输出功率的控制原则[期刊论文]-电机与控制学报2009,13(2)

5. 陈昊. 谢桂林 开关磁阻发电机系统研究[期刊论文]-电工技术学报2001,16(6)

6. 杨金明. 赵世伟. 钟庆. N.C.Cheung . YANG Jin-ming. ZHAO Shi-wei. ZHONG Qing. N.C.Cheung 基于自校正技术的开关磁阻直线电动机的位置控制[期刊论文]-中国电机工程学报2008,28(6)

7. 高奇. 杨玉岗. GAO Qi. YANG Yu-gang 开关磁阻发电系统的非线性仿真[期刊论文]-微特电机2009,37(6)8. 马春燕. 王振民. 李更新. 陈燕 开关磁阻平面电动机设计与仿真[期刊论文]-微特电机2008,36(7)9. 汪玉明. 张庆凤. Wang Yuming. Zhang Qingfeng 双余度电动机构可靠性分析[期刊论文]-电工技术2007(7)10. 马瑞卿. 吉攀攀. 王翔. 李程. MA Rui-qing. JI Pan-pan. WANG Xiang. LI Cheng 开关磁阻发电机系统的故障仿真研究[期刊论文]-计算机仿真2010,27(4)

本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_wdj200807026.aspx

开关磁阻发电机优化设计探讨邓秋玲，等

中图分类号：ＴＭ３５２文献标志码：Ａ文章编号：１００ｌ一６８４８（２００８）０７ＪＤ０８５ＪＤ４

开关磁阻发电机优化设计探讨

邓秋玲１，肖锋１，黄守道２

（１．湖南工程学院，电气与信息工程系，湘潭４１１ｌＯｌ；２．湖南大学电气与信息工程学院，长沙４１００８２）

摘要：影响开关磁阻发电机（ｓＲＧ）输出功率的参数和控制变量有相自感、相电压、开关角、

直流侧电压和转速阐述了设计参数和控制变量对输出功率的影响。对ｓＲＧ模型进行了仿真。仿真结果表明，可通过优化设计参数和开关角来提高ｓＲＧ的输出功率，从而优化ＳＲＧ的性能。关键词：开关磁阻发电机；效率；优化设计

Ｄｉ湖鲻ｏｆｏｐｔｉｍｉｚａ伽ｎＤｅｓｉ驴ｏｆ

Ｓ嘶ｔｃｈｅｄＲｅｌｕｃｔａ眦ｅＧ蛐ｅｍｔｏｒ

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ＩｎｆｏｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕｎ锄ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｎ舀ｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉａｎｇｔ明４ｌ１１０１；２．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃ

ａＩｌｄＩｎｆｏ咖ａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕｎ觚ＵｎｉＶｅ硌ｉｔｙＣｈａｎｇｓｈａ４１００００，ＣｈｉＩｌａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＰｈａｓｅｓｅｎｉｎｄｕｃｔａＩｌｃｅ，ｐｈ鹊ｅｖｏｌｔａｇｅ，ｓｗｉｔｃｈｉｎｇａｎ甜ｅｓ，ＤＣ

ｂｕｓｖｏｌｔａｇｅ锄ｄ

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ｏｆｔｈｅｇｅｎｅｒａｔｏｒｈａｙｅｂｅｅｎｉｄｅｎ曲ｅｄ鹪ｄｅｓｉｇＩＩ

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ｃｏｎｔｍｌ谢ａｂｌｅｓ趟．ｅｃ￡ｉｎｇｏｕｔｐｕｔ

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ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ

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ｔｌｌｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｌｌａｔｏｕｔｐｕｔｐｏ’忙ｒｃ粕ｂｅｅｎｈａｎｃｅｄｂｙｓｅｌｅｃｔｉｎｇｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎ

ｐ引ａｍｅｔｅ璐粕ｄｓｗｉｔｃｈｉｎｇ肌ｇｌｅｓ，ｔｌｌｅｒｅｂｙｐｅｄ＇０彻ｉｎｇ

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Ｗｏｒｄｓ：Ｓ诮ｔｃｈｅｄｒｅｌｕｃｔ肌ｃｅ

ｇｅｎｅｒａｔｏｒ；Ｅｍｃｉｅｎｃｙ；Ｍａｘｉｍｉｚａｔｉｏｎ

ｄｅｓｉ伊

引言

以及计算电流有效值相对较简单，可用来计算最大效率。然而效率优化更好的方法是选择最

由于开关磁阻发电机采用了新颖的发电原佳励磁角使损耗为最小阻４１。ｓＲ发电机控制策

理和灵活的控制方式，具有常规发电机所不具略的主要目标之一是提高发电机组的功率密度有的独特优势，如发电品质好、系统坚固、功或输出功率，使发出的电功率与励磁功率的比率密度高、制造成本低等优点，同时由于它没值增加。它除了能降低直流侧电容器的体积外，有采用永磁材料，结构上没有绕组，其热损耗重要的是它能缓和直流侧的电流脉动，这也可大部分集中在定子上，易于冷却，很适合在恶以提高发电机组中ＳＲＧ驱动的功率密度和劣的环境下工作，因此无论在民用还是航空领

效率＂Ｊ。

域，这种电机都具有很高的实用价值和广阔的

应用前景。然而，ＳＲＧ是一种新兴的电机，尽１输出功率

管电磁原理和结构都相当简单，但磁路周期性开关磁阻电机一相电压方程为：

变化并存在严重的局部饱和，其设计和性能分

析与传统电机差异很大，性能特点的计算难以

％咄‘＋警

（１）

做到精确，很多理论和实践也不太成熟，不象将感应电压展开，忽略饱和的影响，可写成：

ＳＲＤ那样，已经有很多的科研经验，要想满足（２）

ｓＲＧ电机所需性能的控制理论还有待完善。ＳＲＧ％＝％州口）誓ｑ争

性能优化的主要指标之一是效率。一般来说，式中，％、‘、厶、口、∞、弓分别为相电压、相电

由于ｓＲＧ中损耗和相电流有效值的直接关系，

流、相电感、转子位置、转子速度和定子绕组相电阻。

收稿日期：２００８旬ｌ－３１

当转子旋转一周，ＳＲＧ输出的平均电功率为每相输基金项目：湖南省教育厅科研资助项目（０４ｃ１８９）

出功率之和，即：

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Ｐ。＝专砉善７ｑ。出＝譬善７

［如厶（日）］，电流应等于：

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结构特点，散热性比较好，因此电流密度较传统电机可取得高一些，可取：

．，ｃ。≤６．０Ａ／ｍｍ２

这里，Ⅳ、ｒ分别为电动机相数和一相的导通周期。忽略相绕组上的欧姆压降，假定转速足够高，磁通末达到饱和状态，相电感只是位置的函数

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（２）定子极最大平均磁通密度Ｂ芦。曰，。愈大，

电机铁耗愈大，但重量却因截面积的减小而降低。从ｓＲ电机损耗分布来看，铁耗并不占主导地位，电机稳定运行时磁通密度也不是常数，因此曰。。可取得大一些。在取值时还应考虑叠片磁特性的影铲丽２．

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其中，ｐ。为开关断开后，相电流下降到０时的转子位置。

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平均输出功率：

．倍额定转速范围内变化。它由原动机和发电机的

为了更好理解设计参数和控制变量对输出功

率的影响，可对不同的情况分别进行研究；每一

种情况代表ｓＲＧ的一种应用实例。

（１）尸。＿．厂（如，％，∞），玑＝ｃ∞ｓｔ．，￡＝￡（毛，Ｂ）

相电感是电流和位置的固定函数，直流母线电压和转速是固定不变的，因此，输出功率只是与开关角有关。这种情况通常发生在ＳＲＧ连接到一个在常速下运行的汽轮机上或连接到电力网上。研究表明为了获得最大输出功率，存在最佳开通角和最佳关断角。

（２）Ｐ。＿．厂（∞，以。，％），玑＝ｃｏｎｓＬ，Ｌ＝三（ｉｉ，Ｂ）

在这种情况下，假定相电感是电流和位置的固定函数，直流母线电压是固定不变的，因此输出功率是开关角和转速的函数。这个情况的应用实例是连接到常电压电力网上的风力发电机。

（３）Ｐ。＝厂（∞，以，口…％），Ｌ＝￡（ｉｉ，Ｂ）

在这种情况下，母线电压也是变化的，唯一不变的参数是相电感。输出功率是开关角、直流母线电压和转速的函数。这个情况的应用实例是汽车中的起动机／交流发电机。发电机的端电压连接到电池上，它的电压随着充电和放电而发生变化。

２主要设计参数和控制变量

ｓＲＧ性能指标，如效率、电压脉动、转矩脉动或最大输出功率的优化取决于下面的设计参数和控制变量：

（１）绕组电流密度凡。。凡。主要用以约束电机的温升和铜耗。考虑到绕组集中在定子和双凸极

．矗６・

万　

方数据响，因铁心磁路的饱和会引起输出功率的下降，取：

曰即≤１．８Ｔ

（３）定子轭最大平均磁通密度Ｂ“考虑到铁心轭部的结构强度，取：

Ｂ。。≤１．５Ｔ

（４）转速（∞）。它能从０到高于发电机５—６

力学特性决定。它们的时间常数通常比发电机相绕组导通周期大得多，所以在相电流的一个周期内，可认为转速是不变的。

（５）相电压阢。它和直流母线电压玑一致。以在一个相电流的周期内几乎不变。ｓＲＧ相电压波形如图ｌ所示。相电压的值可以为ｏ，或者直流母线电压为负，其值随开关角的变化而变化。

（６）相电感厶（ｉ；，ｐ）。因为电机产生的能量是基于电感的变化，其值对电机性能影响很大。它由设计过程来决定，但由于制造工艺或材料老化或转子偏心，它可能偏离设计值。

（７）相电阻Ｒｉ。对相电阻进行设计以减小铜耗。相电阻变化很小，其欧姆压降通常可以忽略，所以在分析中可以不考虑相电阻的变化。

３控制方式及仿真研究

ｓＲＧ控制参数是指开通角ｐ小关断角口小

相电压和参考相电流。其控制模式可分为：角度位置控制、脉宽调制控制、电流斩波控制。为了更好地理解设计参数和控制变量对输出功率的影响，在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ／Ｍａｔｌａｂ环境下对ＳＲＧ模型进行仿真。

３．１角度位置控制方式

角度位置控制方式是通过调节口。。和口。。两个控制参数来调节励磁电流Ｌ。由于ｓＲＧ的磁路饱和

及功率变换器导致非线性，使得控制参数与控制

目标函数存在很复杂关系，很难同时调节两个参数。实际使用是把一个角度作为主控参数，另一

开关磁阻发电机优化设计探讨邓秋玲，等

角度作为辅控参数。下面结合仿真具体分析氏和

ｐ砸对相电流及输出功率的不同影响。

图ｌ开通角对相电流的影响

１７０１６０１４０１２０ｌＯＯ８０６０４０２０

图２关断角对相电流的影响

由图ｌ和图２可知，在关断角固定的情况下，

一定范围内提前开通角氏，将使励磁区长度和励

磁强度增加，进而有助于增加相电流的有效值；相反，当开通角大于４５０时，电流变得很小；其次，三个电流波形的形状略有差异，口。＝２５。和３５０的波形在功率管关断后，电流有明显上升，而

钆＝４５０的波形却没有上升，而是在关断功率管后

直接下降了。这是因为关断角位置处的电流大小直接影响了这一点的运动电动势，前两个波形在这一点的运动电动势显然要高于母线反压，这样电流的变化率应该为正，导致电流上升，电流上升又使运动电动势增强，形成正反馈，所以，我们看到电流上升率越来越大，一直到电感曲线的低位平坦阶段，运动电动势为零，电流变化率一下子变为负，电流呈直线下降。如果过分后推，将使电流续流至下一周期电感上升段（图中９５。往后区域），产生电动转矩，使发电效率降低。比较两图可知，调整开通角的情况下，相电流波形变化比较均匀，相反，调整关断角时，相电流峰值变化相当明显。当关断角小于５５。时，发电机几乎发不出电来。同时可以发现，不管是开通角太滞后（大于４５０）还是关断角太提前（小于５５。），相电流在关断后都不会出现上翘。因为在一定转速下，励磁电流峰值不足于使运动电动势在关断开关管

万　

方数据瞬间大于加在绕组上的反压。３．２电流斩波控制

电流斩波控制方案控制性能较好，并且实现比较简单。图３为定回差斩单管相电流波形。可以看出斩波上限越高，相电流越大；其次，在基速以下低速运行时，由于相电流铜耗受到限制，输

出功率随转速增加而增大，当转速大大高于基速

时，输出功率与转速成反比下降，因此，存在一个使输出功率最大的速度，如图４示。

萋嚣｝三三兰翘蓁；雾卜三雾

２０３０４０５０６０７０８０９０ｌｏｏ

Ｏ

ｌＯ

２０

３０

４０

５０

６０

口

斩波上限￡ｍａｘ

（ａ）定回差斩单管相电波流波形（ｂ）定目差斩单管输出功率和斩渡上限关系

图３定回差斩单管电流、输出功率波形

１４００

１２００

喜－ｏｏｏ

罨８００＝

雍６００

４００２００

图４

电压为１２０Ｖ及最佳开通角和关断角下最大输出功率与转速之间的关系

３．３脉宽调制控制ＰＷＭ

脉宽调制控制ＰｗＭ有斩单管和斩双管两种方式，设计时，一般选取斩单管方式。一方面，斩双管的相电流明显大于斩单管方式，甚至有时会

出现断流情况，脉动相对严重，因此，其振动、

噪音以及由此产生的损耗较大，其转子铁耗相对斩单管方式也要大一些；另一方面，在斩双管方式中，由于主电路上下功率管均处于高频开关状态，其开关损耗也大于斩单管方式；再之对于ＰｗＭ调压控制，无论是斩双管还是斩单管，控制区的选取一般都在线性工作区，这样，控制器的设计相对简单，而斩单管的线性工作区要明显大于斩双管方式。

由图５可以看出，占空比越大，输出功率越高；其次，在占空比较小区域，输出功率与之呈一种平方关系，占空比较大区域则是线性关系。

・矗７・

微电机

［２］蒋冬青，朱学忠．单相开关磁阻发电机仿真研究［Ｊ］．中小

型电机，２００２，２９（２）：ｌ一３．ｒ，ｍｉｎ

／，

堰［３］

Ｙ．ｓｐ罂ｒ，Ｄ．Ａ．Ｔｏ玳ｙ．ＣＩｏｓｅｄ—ｌ∞ｐ

ｃｏｎｔｍｌ０ｆ

ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｐａ．

掣军

寥嚣∥

．２．ｎ＝７０００ｒａＩＩｌｅｔｅｍ

ｆｏｒ

ｈｉｇｌｌｓｐｅｅｄｓｗｉｔｃｈｅｄｒｅｌｕｃｔ∞ｃｅｇ朗ｅｍｔｏｍ［Ｊ］，ＩＥＥＥ

Ｐｍｃ．ＡＰＥＣ，２００３：７５—８２．

—孝少．

［４］

ＪｗａｄＦａｉｚ，Ｒｅ∞Ｆａｚａｉ．ＯｐＩｉⅡｌａｌｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ∞ｇｌｅｏｆ

ａ

ｈｉｇｌｌｓｐｅｅｄ

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ｒｅｌｕｃｔａｌＩｃｅ

角度８

占空比，％

ｇｅｎｅｍｔｏｒ

ｂｙｅｍｃｉｅｎｃｙ删ｌｘｉｍｉｚａｔｉｏｎ［Ｊ］．

（ａ）ＰｗＭ斩单管相电流波形

（ｂ）ＰｗＭ斩单管输出功率与占空比关系

ＩＥＥＥ

Ｐｒｏｃ．

ＡＰＥＣ，２００６：２８７—２９１．

［５］ＤａｖｉｄＡ．Ｔｏｒｒｅｙ．ｓｗｉｔｃｈｅｄｒｅｌｕｃｔａｍｃｅ

ｇｅｎｅｎｎｏｒ卸ｄｔｈｅｉｒｃｏｎｔｒｎｌ

图５斩单管相电流和输出功率波形

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’

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作者简介：邓秋玲（１９６６一），女，副教授，在读博士研究生，运行及其数字仿真研究［Ｊ］．中国电机工程学报，２００ｌ，２１研究方向为特种电机及其控制。

（２）：２９—３２

黄守道（１９６２一），男，教授，博士研究生导师。

（上接第８３页）

５

结论

输入初始值：转轴的分段数ｎ．材料的弹性模Ｉ量，材料的密度，轴的直径．支撑刚度．指ｌ

定ｌ临界转速初始值．求解临界转速的阶数ｍ

由以上实例的计算结果比较可知，传递矩阵法可以较准确地计算出阶梯轴类的临界转速。本Ｉ求解各轴段的传递矩阵，并求解Ｇ

文求解方法是正确有效的。本文推导方法计算量

Ｉ

！／嗡念、

判断Ｐ的值

ｌ

小对电机类阶梯轴具有较强的通用性和实用性。

参考文献

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作者简介：付增（１９８ｌ一），男，山东聊城人，硕士研究生，从事振动与噪声控制研究。

・嬲・

万　

方数据

开关磁阻发电机优化设计探讨

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

邓秋玲， 肖锋， 黄守道

邓秋玲,肖锋(湖南工程学院,电气与信息工程系,湘潭,411101)， 黄守道(湖南大学,电气与信息工程学院,长沙,410082)微电机

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