論步進電機與開關磁阻電機

1、論步進電機與開關磁阻電機班級： 學號：姓名： 論步進電機與開關磁阻電機一、 步進電機1.1概述步進電機是一種特殊的電機，每輸入一個電脈沖信號，電機就轉動一份角度，由于它的運動是步進形式的，所以稱為步進電機。又因為它輸入的是脈沖電流，所以也叫脈沖電動機。步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件。在非超載的情況下電機取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，當步進驅動器接收到一個脈沖信號的時候，它將驅動電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉式一個固定的角度一步一步運行的?？刂频臅r候可以通過控制脈沖的個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的，

2、同時可以通過控制脈沖來控制電機的速度和加速度，從而達到調速的目的。不僅電機的主要缺點是效率比較低，并且需要專用的電源供給脈沖信號，帶負載慣量的能力不強，在運行中會出現(xiàn)共振和震蕩等問題。 1.2反應式步進電機的結構 反應式不僅電機的結構形式有很多，按定轉子鐵心的段數(shù)分為單段式和多段式兩種。1 單段式單段式是定轉子為一段鐵心。由于各項繞組沿著圓周方向均勻排列，所以又稱為徑向分相式。它是步進電機中使用最多的一種結構形式。下圖為三相反應式步進電動機的徑向截圖。定轉子鐵心由硅鋼片疊壓而成，定子磁極為突極式，磁極的極面上開有小齒、定子上有三套控制繞組，每一套有兩個串聯(lián)的集中控制繞組分別繞在徑向相對的兩個磁

3、極上。每套繞組叫一相，三相繞組接成星形，所以定子磁極數(shù)通常為相數(shù)的兩倍。轉子上沒有繞組，沿圓周也有均勻的小齒，其齒距和定子磁極上小齒的齒距必須相等，而且轉子的齒數(shù)有一定的限制。這種結構形式的優(yōu)點是制造簡便，精度易于保證，步距角可以做得較小，容易得到較高的啟動和運行頻率。其缺點是在電機的直徑較小而相數(shù)又較多時，沿徑向分相較為困難，消耗功率大。三相反應式步進電機的結構2 多段式多段式是定轉子鐵芯沿電機軸向按相數(shù)分成m段由于各相繞組沿著軸向分布所以又稱為軸向分相式按其磁路的結構特點有兩種一種是主磁路仍為徑向另一種是主磁路包含有軸向部分，多段式徑向磁路步進電動機的結構如下圖所示。每一段的結構和單段式徑

4、向分相結構相似，通常每一相繞組在一段定子鐵芯的各個磁極上定子的磁極數(shù)從結構合理考慮決定最多可以和轉子齒數(shù)相等定轉子鐵芯的圓周上都有齒形相近和齒距相同的均勻小齒轉子齒數(shù)通常為定子極數(shù)的倍數(shù)定子鐵芯或轉子鐵芯每相鄰兩段沿圓周錯開1/m齒距此外也可以在一段鐵芯上放置兩相或三相繞組定子鐵芯或轉子鐵芯每相鄰兩段要錯開相應的齒距這樣可增加電機制造的靈活性。多段式徑向磁路反應式步進電機1 線圈 2 定子 3轉子多段式軸向磁路步進電動機的結構如圖4-3所示每段定子鐵芯為字形在其中間放置環(huán)形控制繞組定轉子鐵芯上均有齒形相近和齒數(shù)相等的小齒定子鐵芯或轉子鐵芯每相鄰兩段沿圓周錯開1/m齒距。多段式結構的共同特點是鐵

5、芯分段和錯位裝配工藝比較復雜精度不易保證特別對步距角較小的電機更是困難但步距角可以做的很小啟動和運行頻率較高對軸向磁路的結構定子空間利用率高，環(huán)形控制繞組繞制方便，轉子的慣量較低。1.3步進電機優(yōu)點1 輸出角位移或線位移量與其輸入的脈沖數(shù)成正比，兒轉速或線速度與脈沖數(shù)的頻率成正比，在負載能力的范圍內通過改變脈沖來調節(jié)電機的轉速，并且能夠快速啟動、制動和反轉。 2 控制性能好，它可以在開環(huán)系統(tǒng)中在很寬的范圍內通過通過改變脈沖開調節(jié)嗲及的轉速3 每一周都有固定的步數(shù)，所以不及點擊在不失步的情況下訓詞那個，其步距誤差不會長期積累。4 有一些形式的步進電機在不通電的情況下還有定位轉矩。當采用速度和位置

6、檢測裝置后，它能構成閉環(huán)控制系統(tǒng)。二、 開關磁阻電機2.1概述開關磁阻電動機（Switched Reluctance Drive ：SRD）是繼變頻調速系統(tǒng)、無刷直流電動機調速系統(tǒng)之后發(fā)展起來的最新一代無級調速系統(tǒng)，是集現(xiàn)代微電子技術、數(shù)字技術、電力電子技術、紅外光電技術及現(xiàn)代電磁理論、設計和制作技術為一體的光、機、電一體化高新技術。它具有調速系統(tǒng)兼具直流、交流兩類調速系統(tǒng)的優(yōu)點。廣泛應用于家用電器、航空、航天、電子、機械及電動車輛等領域。開關磁阻電動機具有結構簡單，調速范圍廣，調速性能優(yōu)異的特點，且在整個調速范圍內都有較高的效率，系統(tǒng)的可靠性高。主要有開關磁阻電機，功率變換器四部分組成。控制

7、器內包含功率變換器和控制電路，而轉子位置檢測器則安裝在電機的一端。2.2工作原理下圖示出四相（8/6）結構SR電動機原理圖。為簡單計，圖中只畫出A相繞組及其供電電路。SR電動機的運行原理遵循“磁阻最小原理” 磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合，而具有一定形狀的鐵心在移動到最小磁阻位置時，必使自己的主軸線與磁場的軸線重合。圖2中，當定子D-D極勵磁時，1-1'向定子軸線D-D'重合的位置轉動，并使D相勵磁繞組的電感最大。若以圖中定、轉子所處的相對位置作為起始位置，則依次給DABC相繞組通電，轉子即會逆著勵磁順序以逆時針方向連續(xù)旋轉；反之，若依次給BADC相通電，則電動機即會沿順時針方

8、向轉動?？梢?，SR電動機的轉向與相繞組的電流方向無關，而僅取決于相繞組通電的順序。另外，從圖2可以看出，當主開關器件S1、S2導通時，A相繞組從直流電源US吸收電能，而當S1、S2關斷時，繞組電流經續(xù)流二極管VD1、VD2繼續(xù)流通，并回饋給電源US。因此，SR電動機傳動的共性特點是具有再生作用，系統(tǒng)效率高。四相8/6級SR電動機其中一相的典型結構2.3反應式步進電機反應式步進電動機是利用凸極轉子交軸磁阻與直軸磁阻之差所產生的反應轉矩而轉動的所以也稱為磁阻式步進電動機現(xiàn)以一個最簡單的三相反應式步進電動機為例說明其工作原理是一臺三相反應式步進電動機的原理圖、定子鐵芯為凸極式、共有三對、六個磁極每兩

9、個相對的磁極上繞有一相控制繞組轉子用軟磁性材料制成也是凸極結構只有四個齒齒寬等于定子的極靴寬下面通過幾種基本的控制方式來說明其工作原理。三相反應式進步電動機的原理圖 三相單三拍通電方式，當A相控制繞組通電其余兩相均不通電，電機內建立以定子A相極軸線的磁場由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點。使轉子齒13的軸線與定子A相極軸線對齊如圖a所示若A相控制繞組斷電B相控制繞組通電時轉子在反應轉矩的作用下逆時針方向轉過30°使轉子齒24的軸線與定子B相極軸線對齊即轉子走了一步如圖b所示若再斷開B相使C相控制繞組通電轉子又轉過30°使轉子齒的軸線與定子C相極軸線對齊如圖c所示如此按AB

10、CA的順序輪流通電轉子就會一步一步地按逆時針方向轉動其轉速取決于各相控制繞組通電與斷電的頻率旋轉方向取決于控制繞組輪流通電的順序若按ACBA的順序通電則電機按順時針反方向轉動。 2.4優(yōu)缺點主要優(yōu)點如下：1、開關磁阻電動機有較大的電動機利用系數(shù)，可以是感應電動機利用系數(shù)的1.21.4倍。2、電動機的結構簡單，轉子上沒有任何形式的繞組；定子上只有簡單的集中繞組，端部較短，沒有相間跨接線。因此，具有制造工序少、成本低、工作可靠、維修量小等特點。3、開關磁阻電動機的轉矩與電流極性無關，只需要單向的電流激勵，理想上公率變換電路中每相可以只用一個開關元件，且與電動機繞組串聯(lián)，不會像PWM逆變器電源那樣，

11、存在兩個開關元件直通的危險。所以，開關磁阻電動機驅動系統(tǒng)SED線路簡單，可靠性高，成本低于PWM交流調速系統(tǒng)。4、開關磁阻電動機轉子的結構形式對轉速限制小，可制成高轉速電動機，而且轉子的轉動慣量小，在電流每次換相時又可以隨時改變相匝轉矩的大小和方向，因而系統(tǒng)有良好的動態(tài)響應。5、SRD系統(tǒng)可以通過對電流的導通、斷開和對幅值的控制，得到滿足不同負載要求的機械特性，易于實現(xiàn)系統(tǒng)的軟啟動和四象限運行等功能，控制靈活。又由于SRD系統(tǒng)是自同步系統(tǒng)運行，不會像變頻供電的感應電動機那樣在低頻時出現(xiàn)不穩(wěn)定和振蕩問題。6、由于SR開關磁阻電動機采用了獨特的結構和設計方法以及相應的控制技巧，其單位處理可以與感應電動機相媲美，甚至還略占優(yōu)勢。SRD系統(tǒng)的效率和功率密度在寬廣的速度和負載范圍內都可以維持在教導水平。主要缺點是：1、有轉矩脈動。從工作原理可知，S開關磁阻電動機轉子上產生的轉矩是由一些列脈沖轉矩疊加而成的，由于雙凸極結構和磁路飽和非線性的影響，合成轉矩不是一個恒定轉矩，而有一定的諧波分量，這影響了SR電動機低速運行性能。2、SR電動機傳動系統(tǒng)的噪聲與z，