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开关磁阻电机

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  • 发布时间:2014/9/5 10:35:05
  • 作者:银河电气

  开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor, SRM)是随着现代电力电子技术、控制技术及数字计算机技术的发展而出现的一种新型无级调速电机,是典型的机电一体化产品。

  《GB/T 2900.25-2008 电工术语 旋转电机》对磁阻电机定义如下:

  磁阻电机 Reluctance machine

  一种同步电机,其中一个部件(通常为静止部件)上装有互相适当排列的电枢绕组和励磁绕组或永久磁铁,而另一个部件(通常为旋转部件)上没有绕组,只具有若干规则的凸起部分。

  由于利用了磁阻最小原理,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。

开关磁阻电机特征

  “开关磁阻电机”一词源于美国学者S.A.Nasar1969年撰写的论文中,描述了开关磁阻电机的两个基本特征:
  1、 开关性---电机必须工作在连续的开关模式,这也是为什么继各种新型功率半导体器件发展后开关磁阻电机才得以发展的主要原因。
  2、 磁阻性---定、转子具有可变磁阻回路。

开关磁阻电机的结构及工作原理

  开关磁阻电机的定子和转子都是凸极结构,即双凸极结构,转子、定子极数不相等,转子和定子铁芯由导磁良好的硅钢片压制而成,转子铁芯无绕组,定子凸极上有集中绕组。与普通电机一样,转子、定子之间有很小的气隙,转子可以在定子内自由旋转,开关磁阻电机根据转子、定子极数不同可以有多种不同相数的结构,比如定子有6个极,转子有4个极,6/4结构三相开关磁阻电机,如图1所示。

6/4结构三相开关磁阻电机

 

图1 6/4结构三相开关磁阻电机

  图中,定子径向相对的两绕组串联成一相,比如AX相、BY相、CZ相,转子径向的凸极构成一组。由于定子极数与转子极数不相等,所以定子极距和转子的极距不相等,当任意相定子凸极中心线与转子凸极中心线重合时,另外一组转子凸极中性线与定子其他相凸极中性线错开。
  如图2所示6/4结构开关磁阻电机运转截面图,当A相接通电源产生磁通,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,此时由于A相绕组对应的定子凸极中性线与转子凸极中性线不重合,磁阻不是最小,磁场就会产生拉力,牵引最近的转子凸极转到磁阻最小的位置,如图2转子逆时针转动100、200,直到转子凸极转到300与A相绕组对应的定子凸极重合为止,此时磁阻最小。

开关磁阻电机工作原理示意图

图2 开关磁阻电机工作原理示意图

  为了使转子继续转动,在转子凸极转到300之前就断开A相电源,在300时接通B相电源,此时,B相绕组产生磁通,牵引最近转子凸极继续逆时针转动400、500,如图3所示。

开关磁阻电机工作原理示意图

图3 开关磁阻电机工作原理示意图

  在转子转到600之前就切断B相电源,在600时接通C相电源,C相绕组产生磁通,牵引最近转子凸极逆时针转动700、800,如图4所示。

开关磁阻电机工作原理示意图

图4 开关磁阻电机工作原理示意图

  在转子转到900之前就切断C相电源,在900时接通A相电源,回到图2中所示的状态,转子就这样不停的旋转。
  由工作原理可以看出,如果以图2中00所示转子相对于定子的位置为初始状态,以A-B-C-A顺序给相应的绕组通电,转子则会逆时针转动起来,若以B-A-C-B顺序给绕组通电,转子则会顺时针旋转起来,所以开关磁阻电机的转向取决于相绕组的通电顺序,与相绕组的通电方向无关。
  开关磁阻电机通过开关晶体管向定子绕组供电,如图5所示,BG1、BG2、BG3为三个开关晶体管,分别控制三相绕组的电流通断,三极管旁边的二极管起续流作用,由于相绕组电源切断后产生的自感电流不会立即消失,二极管和三极管形成回路,使产生的自感电流在回路中以续流方式消耗。

功率变换器与三相绕组的连接示意图

图5 功率变换器与三相绕组的连接示意图

开关磁阻电机的控制方式

  开关磁阻电机的控制方式指电机运行时对一些参数进行控制,使电机达到理想的运行转速、转矩等,并使其保持较高的运行效率。开关磁阻电机控制方式主要是通过相绕组两端电压U、开通角θon和关断角θoff三个可控参数进行控制。控制方式一般分为:
  1、 角度控制方式:当施加于相绕组的电压不变的情况下,调节开关器件的开通角θon和关断角θoff的值,实现转矩和转速的控制。
  2、 电流斩波控制方式:设定一电流上下限值,当检测到相绕组电流达到该设定上限值时,关断此绕组的开关器件,使电流下降;当相绕组电流降至该设定下限值时,导通此绕组开关器件,电流上升,反复通断,使电流值在设定上下限值内波动,防止过电流和电流峰值现象,这样,电机转速在负载的扰动下变化时,电机转矩不会自动改变。
  3、 电压PWM控制方式:保持开通角θon和关断角θoff不变,通过调节电压的PWM占空比来调节相绕组电压,以改变相绕组电流,达到调节转矩和转速的目的。
  为了确保各相绕组电流的准确开通和关断,电机还装有转子位置检测装置,使控制器通过对转子的位置信号和控制参数,正确的决定各相绕组的通断。

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作者:tn_yinhe
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