新能源汽车开关磁阻电动机课程教学设计.doc

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1、新能源汽车开关磁阻电动机课程教学设计一、任务引入 （时间： 5分钟）【知识回顾】 交流异步电动机的结构及原理和特性。 【任务分析】本次课学习内容包括开关磁阻电动机的结构原理及特性。【目标要求】1.掌握开关磁阻电动机结构与工作原理2.了解开关磁阻电动机的控制【教学活动设计】教师活动：创设情境，展示教具；学生活动：体会场景，感知实物。二、知识准备 （时间：40分钟）【相关知识】1.导入新课 20世纪70年代，各种高速、全控开关器件的先后问世，带来了电力电子技术的蓬勃发展，这对开关磁阻电动机调速系统的研究起到了较大的推动作用。因此，自20世纪80年代以后，国际上掀起了开关磁阻电动机研究热，并持续至今

2、，使开关磁阻电动机的应用领域不断扩大。下面我们一起进入开关磁阻电动机的学习。 2.讲授新知识一、开关磁阻电动机的结构与特点1开关磁阻电动机的结构（1）开关磁阻电动机是由双凸极的定子和转子组成，其定子、转子的凸极均由普通的硅钢片叠压而成。定子极上绕有集中绕组，把沿径向相对的两个绕组串联成一个两级磁极，称为“一相”；转子既无绕组又无永磁体，仅由硅钢片叠成。（2）开关磁阻电动机有多种不同的相数结构，如单相、二相、四相及多相等，且定子和转子的极数有多种不同的搭配。低于三相的开关磁阻电动机一般没有自起动能力。相数多，有利于减小转矩脉动，但结构复杂、主开关器件多、成本增高。目前应用较多的是四相8/6极结构

3、和三相6/4极结构。下面介绍的的开关磁阻电动机的结构为四相8/6极结构。2. 开关磁阻电动机的特点开关磁阻电动机与其它电动机相比，具有以下优点：（1）可控参数多，调速性能好。可控参数有主开关开通角、主开关关断角、相电流幅值、直流电源电压，控制方便，可四象限运行，容易实现正转、反转和电动、制动等特定的调节控制；（2） 结构简单，成本低。开关磁阻电动机转子无绕组，也不加永久磁铁，定子为集中绕组，永磁电动机及感应电动机都简单，制造和维护方便；它的功率变换器比较简单，主开关元件数较少，电子器件少；（3）损耗小，运转效率高。开关磁阻电动机的转子不存在励磁及转差损耗，功率变换器元器件少，相应的损耗也小；控

4、制灵活，易于在很宽转速范围内实现高效节能控制；（4）起动转矩大，起动电流小。在15%额定电流的情况下就能达到100%的起动转矩。由于开关磁阻电动机的特殊结构和工作方式，也存在一些缺点：（1）转矩脉动现象较大；（2）振动和噪声相对较大，特别是在负载运行的时候；（3）电动机的出线头相对较多，还有位置检测器出线端；（4）电动机的数学模型比较复杂，其准确的数学模型较难建立；（5）控制复杂，依赖于电动机的结构。二、开关磁阻电动机的工作原理与运行特性1开关磁阻电动机的工作原理开关磁阻电动机的工作原理如P167图4.27所示。图中，Sl、S2是电子开关；VD1、VD2是二极管，U是直流电源。（1）电动机的定

5、子和转子呈凸极形状（2）开关磁阻电动机的磁阻随着转子随着定子磁极的中心线对准或错开而变化（3）SR电动机的运行原理遵循磁阻最小原理- 磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，而具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必使自己的主轴线与磁场的轴线重合。2.开关磁阻电动机的运行特性开关磁阻电动机运行特性可分为三个区域：恒转矩区、恒功率区、自然特性区（串励特性区）。（1）恒转矩区（2）恒功率区（3）串励特性区三、开关磁阻电动机的控制1.角度位置控制方式（APC）角度位置控制是在加在绕组上的电压一定的情况下，通过改变绕组上主开关的开通角和关断角，来改变绕组的通、断电时刻，调节相电流的波形，实现转速闭环控制。

6、根据电动势平衡方程式可知，当电动机转速较高时，旋转电动势较大，则此时电流上升率下降，各相的主开关器件的导通时间较短，电动机绕组的相电流不易上升，电流相对较小，便于使用角度位置控制方式。因为开通角和关断角都可调节，角度位置控制可分为：变开通角、变关断角和同时改变开通角及关断角三种方式。改变开通角，可改变电流波形的宽度、峰值和有效值的大小，还可改变电流波形与电感波形的相对位置，从而改变了电动机的转矩和转速。而关断角一般不影响电流的峰值，但可改变电流波形的宽度及其与电感曲线的相对位置，进而改变电流的有效值。故一般采用固定关断角、改变开通角的控制方式。根据SRM的转矩特性分析可知，当电流波形主要位于电

7、感的上升区时，产生的平均电磁转矩为正，电动机运行在电动状态；当电流波形主要位于电感的下降段时，产生的平均电磁转矩为负，电动机工作在制动状态。而通过对开通角、关断角的控制，可以使电流的波形处在绕组电感波形的不同位置。因此，可以用控制开通角、关断角的方式来使电动机运行在不同的状态。角度位置控制的优点在于：转矩调节的范围宽；可同时多相通电，以增加电动机的输出转矩，同时减小了转矩波动；通过角度的优化，能实现效率最优控制或转矩最优控制。根据上面的分析可知，此法不适于低速场合。因为在低速时，旋转电动势较小，使电流峰值增大，必须采取相应措施进行限流，故一般用于转速较高的场合。2.电流斩波控制根据电动势平衡方

8、程式可知，电动机低速运行特别是启动时，旋转电动势引起的压降很小，相电流上升快，为避免过大的电流脉冲对功率开关器件及电动机造成损坏，需要对电流峰值进行限定，因此，可采用电流的斩波控制，获取恒转矩的机械特性。电流斩波控制一般不会对开通、关断角进行控制，它将直接选择在每相的特定导通位置对电流进行斩波控制。目前常用的有两种方案：对电流上、下限进行限制的控制，及限制电流上限值和恒定关断时间的控制。该控制的优点在于：它适用于电动机的低速调速系统，可以控制电流峰值的增长，并有很好的电流调节作用：因每相电流波形会呈现出较宽的平顶状，使得产生的转矩比较平稳，转矩的波动相应地比其它控制方式要小。然而，由于电流的峰

9、值受到了限制，当电动机转速在负载的扰动作用下发生变化时，电流的峰值无法做出相应的改变，使得系统的特性比较软，因此系统在负载扰动下的动态响应很缓慢。3.电压控制（VC）VC方式是保持开通角、关断角不变的前提下，使功率开关器件工作在脉冲宽度调制（PWM）方式。通过调节PWM波的占空比，来调整加在绕组两端电压的平均值，进而改变绕组电流的大小，实现对转速的调节。若增大调制脉冲的频率，就会使电流的波型比较平滑，电动机出力增大，噪声减小，但对功率开关器件的工作频率的要求就会增大。按照续流方式的不同，分为单管斩波和双管斩波方式。单管方式中，连接在每相绕组中的上、下桥臂的两个开关管只有一个处于斩波状态，另一个

10、一直导通。而双管斩波方式中，两个开关管同时导通和关断，对电压进行斩波控制。考虑到系统效率等因素，实际应用中一般常用单管方式。电压控制的优点在于，它通过调节绕组电压的平均值进而调节电流，因此可用在低速和高速系统，且控制简单，但它的调速范围有限。在实际的SRD运用中，也可以采用多种控制方式相组合的方法。如高速角度控制和低速电流斩波控制组合，变角度电压斩波控制和定角度电压斩波控制等。这些组合方式各有优势及不足，因此必须针对不同的应用场合和不同的性能要求，合理地选择控制方式，才能使电动机运行于最佳状态。4.控制电路的功能：根据系统性能要求的不同，控制电路的具体结构形式会有很大差异，但一般均应包含以下功

11、能：（1） 用于接受外部指令信号，如起动、转速、转向信号的操作电路；（2） 用于给定量与控制量相比较，并按规定算法计算出控制参数的调节量的调节器电路；（3） 用于决定控制电路的工作逻辑，如正反转相序逻辑、高低速控制方式的工作逻辑电路；（4） 用于检测系统中的有关物理量，如转速、角位移、电流和电压的传感器电路；（5） 用于当系统中某些物理量超过允许值时，采取相应保护措施的保护电路，如过压保护和过流保护；（6） 用于控制各被控量信号的输出电路，如控制功率开关器件的导通与关断；（7） 用于指示系统的工作状况和参数状态显示电路，如指示电动机转速、指示故障保护情况的显示。【教学活动设计】教师活动：讲授知

12、识，讲演结合；学生活动：理解结构、原理、性能。三、任务实施 （时间： 40分钟）新能源汽车用开关磁阻电动机的拆装与检测1.基本设备一台电动汽车用开关磁阻电动机及相关拆装检测设备。2.操作步骤拆装并检测电动汽车用开关磁阻电动机。3.具体操作【步骤一】示范操作 【步骤二】学生操作训练或课堂实践4.适任评估对任务效果进行检验评价。1.评估要素 结合能力要求2.评估标准 操作准确、熟练（100满分）；操作准确、较为熟练（80满分）；熟练程度一般、能完成操作（60满分）；【教学活动设计】教师活动：示范操作，突出要领；学生活动：工学结合，学做合一。四、项目拓展 （时间：20分钟）我国电动汽车驱动电动机的应用。五、课堂总结 （时间：5分钟）【任务总结】本次课学习内容包括开关磁阻电动机的结构原理及特性。【教学活动设计】教师活动：知识归纳；学生活动评价.；学生活动：提问；分享交流. 六、课后实践 （时间：20 分钟）【自主学习】1.布置作业课后习题2.课外任务3.知识链接