開關(guān)磁阻電機(jī)

1、電機(jī)可以根據(jù)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的機(jī)理粗略的分為兩大類：一類是由電磁作用原理產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩；另一類是由磁阻變化原理產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。 在第一類電機(jī)中，運(yùn)動是定、轉(zhuǎn)子兩個磁場相互作用的結(jié)果。這種相互作用產(chǎn)生使兩個磁場趨于同向的電磁轉(zhuǎn)矩，這類似于兩個磁鐵的同極性相排斥、異極性相吸引的現(xiàn)象。目前大部分電機(jī)都是遵循這一原理，例如一般的直流電機(jī)和交流電機(jī)。 第二類的電機(jī)，運(yùn)動是由定、轉(zhuǎn)子間氣隙磁阻的變化產(chǎn)生的。當(dāng)定子繞組通電時，產(chǎn)坐一個單相磁場，其分鈾要遵循“磁阻最小原則”，即磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子軸線與定子磁極的軸線不重合時，便公有磁阻力作用在轉(zhuǎn)子上并產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩使其趨向于磁阻最小的位置。即兩軸線重合位置，這

2、類似于磁鐵吸引鐵質(zhì)物質(zhì)的現(xiàn)象。開關(guān)磁阻電機(jī)就是屬于這一類型的電機(jī)。,兩類不同機(jī)理的電動機(jī),開關(guān)磁阻電機(jī)的最早文獻(xiàn)卻可追溯到1838年，英格蘭學(xué)者Davidson制造了一臺用以推動蓄電池機(jī)車的驅(qū)動系統(tǒng)。 70年代左右，英國Leeds大學(xué)步進(jìn)電機(jī)和磁阻電機(jī)研究小組首創(chuàng)了一臺現(xiàn)代開關(guān)磁阻電機(jī)的雛形。 1980年，Lawrenson及其同事在ICEM會議上，發(fā)表著名論文“開關(guān)磁阻調(diào)速電動機(jī)”，系統(tǒng)地介紹了他們的工作成果，闡述了SR電機(jī)的原理及設(shè)計特點，在國際上奠定了現(xiàn)代SR電機(jī)的地位，這也標(biāo)志著SRD正式得到國際認(rèn)證。 從此，世界上大批學(xué)者投入到SR電機(jī)的研究領(lǐng)域。 到日前為止，在SRD系統(tǒng)的開發(fā)研制

3、方面，英國一直處于國際領(lǐng)先地位。除英國外，美國、中國、加拿大、印度、韓國等國家也都開展了SRD系統(tǒng)的研究工作。 通過20多年的研究和改進(jìn)，SRD的性能不斷提高，目前已能在數(shù)百瓦到數(shù)百千瓦的功率范圍內(nèi)使其性能不低于其他形式的電機(jī)。,開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)展歷史,2.1 SRD傳動系統(tǒng),2.1.1 SRD傳動系統(tǒng)的組成,2.1.1 SRD傳動系統(tǒng)的組成,SR電動機(jī)定、轉(zhuǎn)子實際結(jié)構(gòu),SR電動機(jī)定、轉(zhuǎn)子實際結(jié)構(gòu),工作機(jī)理,開關(guān)磁阻電機(jī)的工作機(jī)理基于磁通總是沿磁導(dǎo)最大的路徑閉合的原理。 當(dāng)定、轉(zhuǎn)子齒中心線不重合、磁導(dǎo)不為最大時，磁場就會產(chǎn)生磁拉力，形成磁阻轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到磁導(dǎo)最大的位置。 當(dāng)向定子各相繞組中依次

4、通入電流時，電機(jī)轉(zhuǎn)子將一步一步地沿著通電相序相反的方向轉(zhuǎn)動。 如果改變定子各相的通電次序，電機(jī)將改變轉(zhuǎn)向。但相電流通流方向的改變是不會影響轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向的。,一、開關(guān)磁阻電機(jī)（Switched Reluctance Motor) 1. 結(jié)構(gòu)特點,1 定子和轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)； 2 定子上空間相對的兩個極上的線圈串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成一相繞組 3 定子集中繞阻、繞組為單方向通電 4 轉(zhuǎn)子上無繞組 5 最常見的組合為6/4極，8/6極或12/8極。,2.1.2 運(yùn)行原理：磁阻最小原理,電機(jī)原理演示,磁通總要沿著磁阻最小路徑閉合，一定形狀的鐵心在移動到最小磁阻位置時，必定使自己的軸線與主磁場的軸線重合,A-A 通

5、電 1-1 與A-A重合 B-B 通電 2-2 與B-B重合 C-C 通電 3-3 與C-C重合 D-D 通電 1-1 與D-D重合,依次給A-B-C-D繞組通電，轉(zhuǎn)子逆勵磁順序方向連續(xù)旋轉(zhuǎn),下面通過一個開關(guān)磁阻電動機(jī)原理模型來介紹工作原理。,電機(jī)的定子鐵芯有六個齒極，由導(dǎo)磁良好的硅鋼片沖制。,電機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵芯有四個齒極，由導(dǎo)磁良好的硅鋼片沖制。,由于定子與轉(zhuǎn)子都有凸起的齒極，這種形式也稱為雙凸極結(jié)構(gòu)。在定子齒極上繞有線圈（定子繞組），用來向電機(jī)提供工作磁場。在轉(zhuǎn)子上沒有線圈，這是磁阻電機(jī)的主要特點。,在講電動機(jī)工作原理時常用通電導(dǎo)線在磁場中受力來解釋電動機(jī)旋轉(zhuǎn)的道理，磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子上沒有繞組，那

6、是靠什么力推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動呢？ 磁阻電動機(jī)是利用磁阻最小原理，也就是磁通總是沿磁阻最小的路徑閉合，利用磁引力拉動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。,下面通過圖示來說明轉(zhuǎn)子的工作原理，下面是磁阻電動機(jī)的正視圖，定子六個齒極上繞有線圈，徑向相對的兩個線圈是連接在一起的，組成一“相”，該電機(jī)有3相，結(jié)合定子與轉(zhuǎn)子的極數(shù)就稱該電機(jī)為三相6 / 4結(jié)構(gòu)。在下圖標(biāo)注的A、B、C相線圈僅為后面分析磁路帶來方便，并不是連接三相交流電。,在下面有一組磁阻電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)原理動畫的截圖，從中我們將看到磁阻電動機(jī)是如何轉(zhuǎn)動起來的，圖中紅色的線圈是通電線圈，黃色的線圈沒有電流通過；通過定子與轉(zhuǎn)子的深藍(lán)色線是磁力線；把轉(zhuǎn)子啟動前的轉(zhuǎn)角定為0度。 從左面

7、圖起，A相線圈接通電源產(chǎn)生磁通，磁力線從最近的轉(zhuǎn)子齒極通過轉(zhuǎn)子鐵芯，磁力線可看成極有彈力的線，在磁力的牽引下轉(zhuǎn)子開始逆時針轉(zhuǎn)動；中間圖是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了10度的圖，右面圖是轉(zhuǎn)到20度的圖，磁力一直牽引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到30度為止，到了30度轉(zhuǎn)子不再轉(zhuǎn)動，此時磁路最短。,為了使轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到30度前已切斷A相電源在30度接通B相電源，磁通從最近的轉(zhuǎn)子齒極通過轉(zhuǎn)子鐵芯，見下左圖，于是轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動。中間圖是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到40度的圖，右面圖是轉(zhuǎn)到50度的圖，磁力一直牽引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到60度為止。,在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到60度前切斷B相電源在60度時接通C相電源，磁通從最近的轉(zhuǎn)子齒極通過轉(zhuǎn)子鐵芯，見下左圖。轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動，中間圖是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)

8、到70度的圖，右面圖是轉(zhuǎn)到80度的圖，磁力一直牽引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到90度為止。,當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到90度前切斷C相電源，轉(zhuǎn)子在90度的狀態(tài)與前面0度開始時一樣，重復(fù)前面過程，接通A相電源，轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動，這樣不停的重復(fù)下去，轉(zhuǎn)子就會不停的旋轉(zhuǎn)。這就是磁阻電動機(jī)的工作原理。 由于是運(yùn)用了利用磁阻最小原理，故稱為磁阻電動機(jī)，又由于線圈電流通斷、磁通狀態(tài)直接受開關(guān)控制，故稱為開關(guān)磁阻電動機(jī)。,向線圈供電的開關(guān)是用開關(guān)晶體管進(jìn)行的，下面就是三相線圈與開關(guān)晶體管的連接示意圖，BG1、BG2、BG3是三個開關(guān)晶體管，分別控制三相線圈A、B、C的電流通斷，三極管旁邊并聯(lián)的二極管是用來續(xù)流的。,由于電機(jī)靠磁阻工作，跟磁通方向無

9、關(guān)，即跟電流方向無關(guān)，故在上面運(yùn)行圖中沒有標(biāo)明磁力線的方向。 A、B、C各相線圈輪流通電視乎簡單，實際情況要復(fù)雜些，線圈切斷電源后產(chǎn)生的自感電流不會立即消失，要提前關(guān)斷電源進(jìn)行續(xù)流；為加大力矩相鄰相線圈有電流的時間會有部分重合；調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩也要調(diào)整開關(guān)時間，各相線圈開通與關(guān)斷時間與轉(zhuǎn)子定子間的相對位置直接相關(guān)，故電機(jī)還裝有轉(zhuǎn)子位置檢測裝置為準(zhǔn)時開關(guān)各相線圈電流提供依據(jù)，何相線圈何時通斷必須根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到的位置與控制參數(shù)決定。,轉(zhuǎn)速的計算,設(shè)：定子繞組為m相，定子齒數(shù) Ns=2m，轉(zhuǎn)子齒數(shù)為Nr。 當(dāng)定子繞組輪流通電一次時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個轉(zhuǎn)子齒距。這樣定子需輪流通電 Nr次轉(zhuǎn)子才轉(zhuǎn)過一周，

10、故電機(jī)轉(zhuǎn)速 n(r/min)與相繞組電壓的開關(guān)頻率 fph之間的關(guān)系為 給定子相繞組供電的功率變換器輸出電流脈動頻率 則為,1、依次給A-B-C-A繞組通電，轉(zhuǎn)子逆勵磁順序方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。改變繞組導(dǎo)通順序，就可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)向。 2、通電一周期，轉(zhuǎn)過一個轉(zhuǎn)子極距tr=360/Nr 3、步距角 qb=tr/m=360/(mNr) 4、轉(zhuǎn)矩方向與電流無關(guān),但轉(zhuǎn)矩存在脈動。 5、需要根據(jù)定、轉(zhuǎn)子相對位置投入激勵。不能像普通異步電機(jī)一樣直接投入電網(wǎng)運(yùn)行，需要與控制器一同使用。,結(jié) 論：,2.1.3 開關(guān)磁阻電動機(jī)的相數(shù)與結(jié)構(gòu),相數(shù)與級數(shù)關(guān)系,1、為了避免單邊磁拉力，徑向必須對稱，所以雙凸極的定子和轉(zhuǎn)子齒槽

11、數(shù)應(yīng)為偶數(shù)。,2、定子和轉(zhuǎn)子齒槽數(shù)不相等，但應(yīng)盡量接近。因為當(dāng)定子和轉(zhuǎn)子齒槽數(shù)相近時，就可能加大定子相繞組電感隨轉(zhuǎn)角的平均變化率，這是提高電機(jī)出力的重要因素。,SR電動機(jī)常用的相數(shù)與極數(shù)組合,相數(shù) 3 4 5 6 7 8 9 定子極數(shù) 6 8 10 12 14 16 18 轉(zhuǎn)子極數(shù) 4 6 8 10 12 14 16 步進(jìn)角(度) 30 15 9 6 4.28 3.21 2.5,SR電機(jī)常用方案,相數(shù)與轉(zhuǎn)矩、性能關(guān)系： 相數(shù)越大，轉(zhuǎn)矩脈動越小，但成本越高，故常用三相、四相，還有人在研究兩相、單相SRM 低于三相的SRM 沒有自起動能力,（1） 2-phase 4 stator pole/2 r

12、otor pole,（2） 4-phase 8 stator pole/6 rotor pole,（3） 3-phase 6 stator pole/4 rotor pole,（4） 5-phase 10 stator pole/8 rotor pole,利用永磁體輔助起動的單相SR電動機(jī),開關(guān)磁阻電機(jī)的優(yōu)缺點,SR電機(jī)轉(zhuǎn)子上沒有任何形式的繞組、永磁體、滑環(huán)等，定子上只有簡單的集中繞組，繞組端部較短，沒有相間跨接線，因此SR電機(jī)的結(jié)構(gòu)比鼠籠式感應(yīng)電動機(jī)還要簡單。 SR電機(jī)的材料利用系數(shù)高，與直流電機(jī)甚至感應(yīng)電機(jī)相比，體積小、堅固、維護(hù)量小。 由于SR電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電流極性無關(guān)，只需要單方向的電流

13、激勵，因此在理論上功率變換器電路中每相可以只用一個可控開關(guān)元件，而且每個可控開關(guān)元件都與電機(jī)繞組串聯(lián)，不會出現(xiàn)像交流電機(jī)PWM逆變器那樣有電源直通短路的危險，所以功率變換器電路簡單，可靠性高。 SR電機(jī)轉(zhuǎn)子上無繞組，系統(tǒng)在低速運(yùn)行時，不僅轉(zhuǎn)矩大，而且轉(zhuǎn)子發(fā)熱不嚴(yán)重。 SRD系統(tǒng)可以通過對電流的導(dǎo)通、斷開以及電流幅值等的控制，易于實現(xiàn)系統(tǒng)的軟啟動，四象限運(yùn)行和寬廣的恒功率范圍。 SRD系統(tǒng)的容錯能力強(qiáng)，在缺相的情況下仍然能可靠運(yùn)行。 SR電機(jī)原有的轉(zhuǎn)矩脈動大、噪聲大的缺點通過技術(shù)的進(jìn)步也已經(jīng)可以解決。,2.1.4 SRD特點,1)電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、適用于高速 SR電機(jī)轉(zhuǎn)子上沒有任何形式的繞

14、組、永磁體、滑環(huán)等，定子上只有簡單的集中繞組，繞組端部較短，沒有相間跨接線，因此SR電機(jī)的結(jié)構(gòu)比鼠籠式感應(yīng)電動機(jī)還要簡單。 2)功率電路簡單可靠 因為電動機(jī)轉(zhuǎn)矩方向與繞組電流方向無關(guān)，即只需單方向繞組電流，故功率電路可以做到每相一個功率開關(guān)。,SRD特點：,3)各相獨立工作，可構(gòu)成極高可靠性系統(tǒng) 從電動機(jī)的電磁結(jié)構(gòu)上看，各相繞組和磁路相互獨立，各自在一定軸角范圍內(nèi)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。而不像在一般電動機(jī)中必須在各相繞組和磁路共同作用下產(chǎn)生一個圓形旋轉(zhuǎn)磁場，電動機(jī)才能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。 4)高起動轉(zhuǎn)矩，低起動電流 控制器從電源側(cè)吸收較少的電流，在電機(jī)側(cè)得到較大的起動轉(zhuǎn)矩是本系統(tǒng)的一大特點。 （SR:0.4IN,

15、1.4TN IM:6-7IN,2-3TN）,SRD特點：,5)適用于頻繁起停及正反向轉(zhuǎn)運(yùn)行 SRD系統(tǒng)具有的高起動轉(zhuǎn)矩，低起動電流的特點，使之在起動過程中電流沖擊小，電動機(jī)和控制器發(fā)熱較連續(xù)額定運(yùn)行時還小。 6)可控參數(shù)多，調(diào)速性能好 控制開關(guān)磁阻電動機(jī)的主要運(yùn)行參數(shù)和常用方法至少有四種:相開通角,相關(guān)斷角, 相電流幅值,相繞組電壓。,7)效率高，損耗小 SRD系統(tǒng)是一種非常高效的調(diào)速系統(tǒng)。 8)可通過機(jī)和電的統(tǒng)一協(xié)調(diào)設(shè)計滿足各種特殊使用要求 。 9)缺點：轉(zhuǎn)矩脈動、振動、噪聲 但可通過特殊設(shè)計克服,SRD特點：,31,SRD的特點,SR電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、堅固、維護(hù)量小 功率變換器電路簡單、可靠性高 可以在寬廣的速度和負(fù)載范圍內(nèi)高效率運(yùn)行 控制方便、靈活，易于實現(xiàn)四象限運(yùn)行 起動電流小，啟動轉(zhuǎn)矩大 容錯能力強(qiáng)，在缺相情況下仍能可靠運(yùn)行 轉(zhuǎn)矩脈動大 振動與噪聲大,2.1.5 SRD發(fā)展概況,7.5 kW 、1500 r/min幾種調(diào)速系統(tǒng)性能比較,2.1.6 SRD的應(yīng)用與研究動向,開關(guān)磁阻電