開關(guān)磁阻電機

1、開關(guān)磁阻電機Switched Reluctance Drivesystem, SRD      開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)(Switched Reluctance Drive system, SRD)具有一些很有特色的優(yōu)點:電機結(jié)構(gòu)簡單、堅固、維護(hù)方便甚至免維護(hù)，起動及低速時轉(zhuǎn)矩大、電流小;高速恒功率區(qū)范圍寬、性能好，在寬廣轉(zhuǎn)速和功率范圍內(nèi)都具有高輸出和高效率而且有很好的容錯能力。這使得SR電機驅(qū)動系統(tǒng)在家用電器、通用工業(yè)、伺服與調(diào)速系統(tǒng)、牽引電機、高轉(zhuǎn)速電機、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。      SR電機是一種機電能

2、量轉(zhuǎn)換裝置。根據(jù)可逆原理，SR電機和傳統(tǒng)電機一樣，它既可將電能轉(zhuǎn)換為機械能電動運行，在這方面的理論趨于成熟;也可將機械能轉(zhuǎn)換為電能發(fā)電運行，其內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系不能簡單看成是SR電動機的逆過程。開關(guān)磁阻電機的發(fā)展概況和發(fā)展趨勢“開關(guān)磁阻電機(Switched reluctance motor)”一詞源見于美國學(xué)者S.A.Nasarl969年所撰論文，它描述了這種電機的兩個基本特征：開關(guān)性電機必須工作在一種連續(xù)的開關(guān)模式，這是為什么在各種新型功率半導(dǎo)體器件可以獲得后這種電機才得以發(fā)展的主要原因；磁阻性它是真正的磁阻電機，定、轉(zhuǎn)子具有可變磁阻磁路，更確切地說，是一種雙凸極電機。開關(guān)磁阻電機的概念實

3、際非常久遠(yuǎn)，可以追溯到19世紀(jì)稱為“電磁發(fā)動機”的發(fā)明，這也是現(xiàn)代步進(jìn)電機的先驅(qū)。在美國，這種電機常常被稱為“可變磁阻電機(variable reluctance motor, VR電機)”一詞, 但是VR電機也是步進(jìn)電機的一種形式，容易引起混淆。有時人們也用“無刷磁阻電機(Brushless reluctance motor)”一詞，以強調(diào)這種電機的無刷性?！半娮訐Q向磁阻電機(Electronically commutated reluctance motor)”一詞也曾采用，從工作原理來看，甚至比“開關(guān)磁阻”的說法更準(zhǔn)確些，但也容易與電子換向的水磁直流電機相混淆。毫無疑問，正是由于英國PJ

4、Lawrenson教授及其同事們的杰出貢獻(xiàn)，賦予了現(xiàn)代SR電機新的意義，開關(guān)磁阻電機一詞也因此逐漸為人們所接受和采用。從電機結(jié)構(gòu)和運行原理上看，SR電機與大步距角的反應(yīng)式步進(jìn)電機十分相似，因此有人將SR電機看成是一種高速大步距角的步進(jìn)電機。但事實上，兩者是有本質(zhì)差別的，這種差別體現(xiàn)在電機設(shè)計、控制方法、性能特性和應(yīng)用場合等方面，見表11-1。 開關(guān)磁阻電機也可視為一種反應(yīng)式同步磁阻電機，但它與常規(guī)的反應(yīng)式同步磁阻電機有許多個同之處，見表11-2    1.1開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)的組成開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)(SRD)主要由開關(guān)磁阻電機、功率變換器、

5、控制器和檢測器四部分組成，如圖1-1所示。 1.1.1開關(guān)磁阻電機 SR電機可以設(shè)計成單相、兩相、三相、四相及多相等不同相數(shù)結(jié)構(gòu)，且有每極單齒結(jié)構(gòu)和每極多齒結(jié)構(gòu)，軸向氣隙、徑向氣隙和軸向徑向混合氣隙結(jié)構(gòu)，內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，低于三相的SR電機一般沒有自起動能力。相數(shù)多，有利于減小轉(zhuǎn)矩波動，但導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜、主開關(guān)器件多、成本增高。目前應(yīng)用較多的是二相64極結(jié)構(gòu)和四相86極結(jié)構(gòu)。下表為常見SR電機定、轉(zhuǎn)子極數(shù)組合方案。 三相開關(guān)磁阻電機   1.1.2控制器和位量檢測器    控制器綜合處理位置檢測器、電流檢測器提供的

6、電機轉(zhuǎn)子位置、速度和電流等反饋信息及外部輸人的指令，實現(xiàn)SR電機運行狀態(tài)的控制，是SRD的指揮中樞?？刂破饕话阌蓡纹瑱C及外圍接口電路等組成。在SRD中，要求控制器具有下述性能：(1)電流斬波控制;(2)角度位置控制;(3)起動、制動、停車及四象限運行;(4)速度調(diào)節(jié)。位置傳感器向控制器提供轉(zhuǎn)子位置及速度等信號，使控制器能正確地決定繞組的導(dǎo)通和關(guān)斷時刻。通常采用光電器件、霍耳元件或電磁線圈法進(jìn)行位置檢測，采用無位置傳感器的位置檢測方法是SRD的發(fā)展方向，對降低系統(tǒng)成本、提高系統(tǒng)可靠性有重要的意義。1.2開關(guān)磁阻電機的工作原理開關(guān)磁阻電機的轉(zhuǎn)矩是磁阻性質(zhì)，其運行原理遵循“磁阻最小原理”磁通總是要沿

7、磁阻最小的路徑閉合，因磁場扭曲而產(chǎn)生切向磁拉力，如下圖所示，具體過程如下： 當(dāng)A相繞組電流控制開關(guān)S1、S2閉合時，A相勵磁，所產(chǎn)生的磁場力圖使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子極軸線aa'與定子極軸線AA'的重合位置，從而產(chǎn)生磁阻性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩。順序給ABCD相繞組通電(B、C、D各相繞組在圖中未畫出)，則轉(zhuǎn)子便按逆時針方向連續(xù)轉(zhuǎn)動起來；反之，依次給DCBA相繞組通電，則轉(zhuǎn)子會沿順時針方向轉(zhuǎn)動。在多相電機實際運行中，也常出現(xiàn)兩相或兩相以上繞組同時導(dǎo)通的情況。當(dāng)q相定子繞組輪流通電一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個轉(zhuǎn)子極距。設(shè)每相繞組開關(guān)頻率(主開關(guān)開關(guān)頻率)為fPh，轉(zhuǎn)子極數(shù)為Nr則SR電機的同步轉(zhuǎn)速

8、(rmin)可表示為由于是磁阻性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩，SR電機的轉(zhuǎn)向與相繞組的電流方向無關(guān)，僅取決于相繞組通電的順序這使得能夠充分簡化功率變換器電路。當(dāng)主開關(guān)S1、S2接通時，A相繞組從直流電源U吸收電能，而當(dāng)S1、S2斷開時，繞組電流通過續(xù)流二極管VD1、VD2將剩余能量回饋給電源U。因此，SR電機具有能量回饋的特點，系統(tǒng)效率高。對SRD的理論研究和實踐證明，該系統(tǒng)具有明顯的特點：(1)電機結(jié)構(gòu)簡單、堅固，制造工藝簡單。成本低，轉(zhuǎn)子僅由硅鋼片疊壓而成，可工作于極高轉(zhuǎn)速；定子線圈為集中繞組，嵌放容易，端部短而牢固，工作可靠，能適用于各種惡劣、高溫其至強振動環(huán)境。(2)損耗主要產(chǎn)生在定子，電機易于冷卻；轉(zhuǎn)子無永磁體，允許有較高的溫升。(3)轉(zhuǎn)矩方向與相電流方向無關(guān)，從而可減少功率變換器的開關(guān)器件數(shù)，降低系統(tǒng)成本。(4)功率