开关磁阻电机

电机可以根据转矩产生的机理粗略的分为两大类：一类是由电磁作用原理产生转矩；另一类是由磁阻变化原理产生转矩。在第一类电机中，运动是定、转子两个磁场相互作用的结果。这种相互作用产生使两个磁场趋于同向的电磁转矩，这类似于两个磁铁的同极性相排斥、异极性相吸引的现象。目前大部分电机都是遵循这一原理，例如一般的直流电机和交流电机。第二类的电机，运动是由定、转子间气隙磁阻的变化产生的。当定子绕组通电时，产坐一个单相磁场，其分铀要遵循“磁阻最小原则”，即磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合。因此，当转子轴线与定子磁极的轴线不重合时，便公有磁阻力作用在转子上并产生转矩使其趋向于磁阻最小的位置。即两轴线重合位置，这类似于磁铁吸引铁质物质的现象。开关磁阻电机就是属于这一类型的电机。两类不同机理的电动机开关磁阻电机的最早文献却可追溯到1838年，英格兰学者Davidson制造了一台用以推动蓄电池机车的驱动系统。70年代左右，英国Leeds大学步进电机和磁阻电机研究小组首创了一台现代开关磁阻电机的雏形。1980年，Lawrenson及其同事在ICEM会议上，发表著名论文“开关磁阻调速电动机”，系统地介绍了他们的工作成果，阐述了SR电机的原理及设计特点，在国际上奠定了现代SR电机的地位，这也标志着SRD正式得到国际认证。从此，世界上大批学者投入到SR电机的研究领域。到日前为止，在SRD系统的开发研制方面，英国一直处于国际领先地位。除英国外，美国、中国、加拿大、印度、韩国等国家也都开展了SRD系统的研究工作。通过20多年的研究和改进，SRD的性能不断提高，目前已能在数百瓦到数百千瓦的功率范围内使其性能不低于其他形式的电机。开关磁阻电机发展历史2.1SRD传动系统2.1.1SRD传动系统的组成位置检测功率变换器SR电动机电流检测控制信号控制器电源负载2.1.1SRD传动系统的组成SR电动机定、转子实际结构SR电动机定、转子实际结构工作机理开关磁阻电机的工作机理基于磁通总是沿磁导最大的路径闭合的原理。当定、转子齿中心线不重合、磁导不为最大时，磁场就会产生磁拉力，形成磁阻转矩，使转子转到磁导最大的位置。当向定子各相绕组中依次通入电流时，电机转子将一步一步地沿着通电相序相反的方向转动。如果改变定子各相的通电次序，电机将改变转向。但相电流通流方向的改变是不会影响转子的转向的。一、开关磁阻电机（SwitchedReluctanceMotor)1.结构特点AA'BCDB'C'D'EsS1S2VD1VD21231'2'3'1定子和转子均为凸极结构；2定子上空间相对的两个极上的线圈串联或并联构成一相绕组3定子集中绕阻、绕组为单方向通电4转子上无绕组5最常见的组合为6/4极，8/6极或12/8极。2.1.2运行原理：磁阻最小原理电机原理演示磁通总要沿着磁阻最小路径闭合，一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必定使自己的轴线与主磁场的轴线重合A-A’通电⃗1-1‘与A-A’重合B-B’通电⃗2-2‘与B-B’重合C-C’通电⃗3-3‘与C-C’重合D-D’通电⃗1-1‘与D-D’重合依次给A-B-C-D绕组通电，转子逆励磁顺序方向连续旋转下面通过一个开关磁阻电动机原理模型来介绍工作原理。电机的定子铁芯有六个齿极，由导磁良好的硅钢片冲制。电机的转子铁芯有四个齿极，由导磁良好的硅钢片冲制。由于定子与转子都有凸起的齿极，这种形式也称为双凸极结构。在定子齿极上绕有线圈（定子绕组），用来向电机提供工作磁场。在转子上没有线圈，这是磁阻电机的主要特点。在讲电动机工作原理时常用通电导线在磁场中受力来解释电动机旋转的道理，磁阻电机转子上没有绕组，那是靠什么力推动转子转动呢？磁阻电动机是利用磁阻最小原理，也就是磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，利用磁引力拉动转子旋转。下面通过图示来说明转子的工作原理，下面是磁阻电动机的正视图，定子六个齿极上绕有线圈，径向相对的两个线圈是连接在一起的，组成一“相”，该电机有3相，结合定子与转子的极数就称该电机为三相6/4结构。在下图标注的A、B、C相线圈仅为后面分析磁路带来方便，并不是连接三相交流电。在下面有一组磁阻电动机运转原理动画的截图，从中我们将看到磁阻电动机是如何转动起来的，图中红色的线圈是通电线圈，黄色的线圈没有电流通过；通过定子与转子的深蓝色线是磁力线；把转子启动前的转角定为0度。从左面图起，A相线圈接通电源产生磁通，磁力线从最近的转子齿极通过转子铁芯，磁力线可看成极有弹力的线，在磁力的牵引下转子开始逆时针转动；中间图是转子转了10度的图，右面图是转到20度的图，磁力一直牵引转子转到30度为止，到了30度转子不再转动，此时磁路最短。为了使转子继续转动，在转子转到30度前已切断A相电源在30度接通B相电源，磁通从最近的转子齿极通过转子铁芯，见下左图，于是转子继续转动。中间图是转子转到40度的图，右面图是转到50度的图，磁力一直牵引转子转到60度为止。在转子转到60度前切断B相电源在60度时接通C相电源，磁通从最近的转子齿极通过转子铁芯，见下左图。转子继续转动，中间图是转子转到70度的图，右面图是转到80度的图，磁力一直牵引转子转到90度为止。当转子转到90度前切断C相电源，转子在90度的状态与前面0度开始时一样，重复前面过程，接通A相电源，转子继续转动，这样不停的重复下去，转子就会不停的旋转。这就是磁阻电动机的工作原理。由于是运用了利用磁阻最小原理，故称为磁阻电动机，又由于线圈电流通断、磁通状态直接受开关控制，故称为开关磁阻电动机。向线圈供电的开关是用开关晶体管进行的，下面就是三相线圈与开关晶体管的连接示意图，BG1、BG2、BG3是三个开关晶体管，分别控制三相线圈A、B、C的电流通断，三极管旁边并联的二极管是用来续流的。由于电机靠磁阻工作，跟磁通方向无关，即跟电流方向无关，故在上面运行图中没有标明磁力线的方向。A、B、C各相线圈轮流通电视乎简单，实际情况要复杂些，线圈切断电源后产生的自感电流不会立即消失，要提前关断电源进行续流；为加大力矩相邻相线圈有电流的时间会有部分重合；调节电动机的转速、转矩也要调整开关时间，各相线圈开通与关断时间与转子定子间的相对位置直接相关，故电机还装有转子位置检测装置为准时开关各相线圈电流提供依据，何相线圈何时通断必须根据转子转到的位置与控制参数决定。转速的计算设：定子绕组为m相，定子齿数Ns=2m，转子齿数为Nr。当定子绕组轮流通电一次时，转子转过一个转子齿距。这样定子需轮流通电Nr次转子才转过一周，故电机转速n(r/min)与相绕组电压的开关频率fph之间的关系为给定子相绕组供电的功率变换器输出电流脉动频率则为60phrfnN60rphNnf60nmNfrD1、依次给A-B-C-A绕组通电，转子逆励磁顺序方向连续旋转。改变绕组导通顺序，就可改变电机的转向。2、通电一周期，转过一个转子极距tr=360/Nr3、步距角qb=tr/m=360/(mNr)4、转矩方向与电流无关,但转矩存在脉动。5、需要根据定、转子相对位置投入激励。不能像普通异步电机一样直接投入电网运行，需要与控制器一同使用。结论：2.1.3开关磁阻电动机的相数与结构相数与级数关系)22kNNkmNsrs1、为了避免单边磁拉力，径向必须对称，所以双凸极的定子和转子齿槽数应为偶数。2、定子和转子齿槽数不相等，但应尽量接近。因为当定子和转子齿槽数相近时，就可能加大定子相绕组电感随转角的平均变化率，这是提高电机出力的重要因素。SR电动机常用的相数与极数组合)22kNNkmNsrs相数3456789定子极数681012141618转子极数46810121416步进角(度)3015964.283.212.5SR电机常用方案相数与转矩、性能关系：相数越大，转矩脉动越小，但成本越高，故常用三相、四相，还有人在研究两相、单相SRM低于三相的SRM没有自起动能力（1）2-phase4statorpole/2rotorpole（2）4-phase8statorpole/6rotorpole（3）3-phase6statorpole/4rotorpole（4）5-phase10statorpole/8rotorpole利用永磁体辅助起动的单相SR电动机PMPM开关磁阻电机的优缺点SR电机转子上没有任何形式的绕组、永磁体、滑环等，定子上只有简单的集中绕组，绕组端部较短，没有相间跨接线，因此SR电机的结构比鼠笼式感应电动机还要简单。SR电机的材料利用系数高，与直流电机甚至感应电机相比，体积小、坚固、维护量小。由于SR电机的转矩与电流极性无关，只需要单方向的电流激励，因此在理论上功率变换器电路中每相可以只用一个可控开关元件，而且每个可控开关元件都与电机绕组串联，不会出现像交流电机PWM逆变器那样有电源直通短路的危险，所以功率变换器电路简单，可靠性高。SR电机转子上无绕组，系统在低速运行时，不仅转矩大，而且转子发热不严重。SRD系统可以通过对电流的导通、断开以及电流幅值等的控制，易于实现系统的软启动，四象限运行和宽广的恒功率范围。SRD系统的容错能力强，在缺相的情况下仍然能可靠运行。SR电机原有的转矩脉动大、噪声大的缺点通过技术的进步也已经可以解决。2.1.4SRD特点1)电动机结构简单、成本低、适用于高速SR电机转子上没有任何形式的绕组、永磁体、滑环等，定子上只有简单的集中绕组，绕组端部较短，没有相间跨接线，因此SR电机的结构比鼠笼式感应电动机还要简单。2)功率电路简单可靠因为电动机转矩方向与绕组电流方向无关，即只需单方向绕组电流，故功率电路可以做到每相一个功率开关。SRD特点：3)各相独立工作，可构成极高可靠性系统从电动机的电磁结构上看，各相绕组和磁路相互独立，各自在一定轴角范围内产生电磁转矩。而不像在一般电动机中必须在各相绕组和磁路共同作用下产生一个圆形旋转磁场，电动机才能正常运转。4)高起动转矩，低起动电流控制器从电源侧吸收较少的电流，在电机侧得到较大的起动转矩是本系统的一大特点。（SR:0.4IN,1.4TNIM:6-7IN,2-3TN）SRD特点：5)适用于频繁起停及正反向转运行SRD系统具有的高起动转矩，低起动电流的特点，使之在起动过程中电流冲击小，电动机和控制器发热较连续额定运行时还小。6)可控参数多，调速性能好控制开关磁阻电动机的主要运行参数和常用方法至少有四种:相开通角,相关断角,相电流幅值,相绕组电压。7)效率高，损耗小SRD系统是一种非常高效的调速系统。8)可通过机和电的统一协调设计满足各种特殊使用要求。9)缺点：转矩脉动、振动、噪声但可通过特殊设计克服SRD特点：31SRD的特点SR电机结构简单、坚固、维护量小功率变换器电路简单、可靠性高可以在宽广的速度和负载范围内高效率运行控制方便、灵活，易于实现四象限运行起动电流小，启动转矩大容错能力强，在缺相情况下仍能可靠运行转矩脉动大振动与噪声大2.1.5SRD发展概况7.5kW、1500r/min几种调速系统性能比较2.1.6SRD的应用与研究动向开关磁阻电动机（SwitchedReluctanceDrive：SRD）是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统之后发展起来的最新一代无级调速系统，是集现代微电子技术、数字技术、电力电子技术、红外光电技术及现代电磁理论、设计和制作技术为一体的光、机、电一体化高新技术。它具有调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点。英、美等经济发达国家对开关磁阻电动机调速系统的研究起步较早，并已取得显著效果，产品功率等级从数w直到数百kw，广泛应用于家用电器、航空、航天、电子、机械及电动车辆等领域。