开关磁阻电机,时代的要求

 

12/8相SRM内部结构示意图

环境污染问题已成全球问题,汽车行业的节能减排工作已刻不容缓,电动汽车以其绿色环保的独特优势受到大量关注,研究节能高效的新型电动机驱动系统,对创建节能型社会具有重要意义。私人汽车中相当大一部分在大部分时间是用于短途城市交通,轻便环保的微型电动汽车将在其中发挥巨大作用。除电池外,微型电动汽车核心在于电动机和控制器,永磁电机效率高、性能好,但是其使用大量永磁体,在高温下会退磁现象,无法在复杂环境使用。永磁体核心是稀土材料,在2010 年10 月我国商务部表示,到2009 年底我国国内稀土储备下降至3600 万吨,在全球已探明的稀土资源中的占比下降为36:52 %;但产量占世界稀土产量的97 %。按现有生产速度,我国的中、重类稀土储备仅能维持15 至20 年。日本有关部门研究认为,中国的稀土储量不可能支撑以永磁电机为主的电动汽车批量产业化发展。因此,从长远来看,发展一种不消耗稀土资源,同时具备高效率、免维护等特性的电机是发展微型电动汽车乃至整个电动汽车行业的关键,而具备这些特点的就是开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor,SRM)。

开关磁阻电机驱动系统(Switched Reluctance Driver System,SRD)是发展于20 世纪80 年代的新型调速驱动系统。它由开关磁阻电机、功率变换器、控制器和位置检测器等四部分组成,集电力电子技术、微电子技术和电机控制技术于一体,它融合了电机构造,电子技术和控制技术的新成果为一体,具有结构简单、成本低廉、控制灵
活、运行可靠、功率密度大等优点,并在宽广的速度和功率范围内都能保持较高的效率。成为继交流感应电机(IM)、直流电机和永磁无刷电机(BLDC)之后最有前景的调速系统,引起各国学者和企业界的广泛关注。英国的Nottingham 大学和Leeds大学也开始研发SRM,日本、德国、加拿大、南斯拉夫、埃及等国家也相继都开展了SRM 调速系统的研制工作。德国Aachen 科技大学专为欧洲市场开发的中型电动汽车用SRM,电机额定功率30 kW,峰值功率50 kW,最高转速11 000 rev/min。2009 年,东京理工大学成功开发出了与丰田普锐斯内置电机相同规格的SRM,额定功率50 kW,额定转速1200 rev/min 时效率达到86 %,下一步将继续提高性能及可靠性。美国研制的SRM 调试系统效率可达90 % 以上,电动机公司Emerson 电气将SRM 视为其下世纪调速驱动系统的新的技术、经济增长点。日本电产株式会社在2010 年10 月宣布从2012 年开始生产开关磁阻电机,以减少对精密电机所需稀土材料的依赖性,并将其陆续应用于重型机械、拖拉机和电动汽车。

我国对SRM 调速系统的开发研究开始于1984 年,并被列入我国中小型电机“九五”和“十五”科研规划项目。国内南航、清华、浙大、华中科大等均有研究,其中华中科大和东风集团在“九五”期间联合研制出了SRM 驱动的电动汽车,继而在“十五”期间中将SRM 应用到混合动力城市公交车驱动中, 最高效率超过88 %,电动发电高效区(效率>80 %)占电机整个运行区间50 % 以上,并取得了较好的运行效果,2009 年该项目获得了国家科技发明二等奖。

上述国内外电动车用SRM 均为高压电机,即供电电源为270 V 以上,通过大量串联锂电池实现。采用高压电源的主要原因在于,在同等功率的情况下系统电流将极大降低,从而降低电机铜损和控制器的导通损耗,因此较易获得高效率。而微型电动汽车大多采用低压电机,低压SRM 研究则相对来说非常少,目前的低压SRM 调速系
统主要技术问题在于效率较低,与目前广泛应用于电动自行车和电动摩托车内的永磁无刷电机调速系统相比,效率相差有10 % 以上。从理论上来说,由于SRM 需要电励磁,而BLDC 有永磁体提供励磁,因此SRM 的效率低于BLDC 是可以理解的,但是,如果能够将两者之间的效率差控制在一定范围以内,低压SRM 调速系统能够达到85 %
以上效率的话,那么,结合SRM 无需永磁体的天生优势,以及启动力矩大、控制灵活、可靠性高等优点,SRM 将会以极高的性价比冲击现有的BLDC 电机和串励电机市场。除效率外,低压SRM 在电流较大的情况下会造成器件损坏工程中采用上下两个开关管交错开通方法降低温升,利用硬件斩波和软件斩波分别测试效果,但具体机制原理分析缺乏有效手段。

开关磁阻电机的研究在国内外取得了很大的发展,但作为一种研究时间尚短的新型调速系统,在电机理论、性能分析和设计等方面都存在大量工作要做,这些工作都离不开精确的电机模型。由于SRM 采用的是双凸极结构,单边励磁方式,相绕组磁链是转子位置角和绕组相电流的函数,且高度饱和,使开关磁阻电动机存在着严重的非线性。为了输出最大转矩,SRM 通常运行于高饱和状态,其模型具有高度的非线性以及变结构、变参数特性。这给建模带来很大挑战,而各种先进控制策略大多数都需要开关磁阻电动机精确的数学模型。许多研究人员都在开关磁阻电机的建模领域投入了大量的精力,提出多种建模方法,上述对低压SRM 效率相关的分析及控制研究中,就需要一种高精度的SRM 模型,特别是能实时反映运行中效率的模型,对其动静态特性进行精确的仿真,可反应不同控制参数对相电流、转矩及效率的影响,为优化控制研究提供数据支持和仿真验证。

版权声明:以上内容摘自徐宇柘师兄所著《开关磁阻电机与驱动系统高精度建模v2.9》。

未经允许不得转载:TacuLee » 开关磁阻电机,时代的要求

赞 (0)

评论 0

  • 昵称 (必填)
  • 邮箱 (必填)
  • 网址