开关磁阻电机

Posted 2022-10-03 Frey_Liu

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了开关磁阻电机相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

开关磁阻电机

开关磁阻电机结构
- 双凸极结构
- 转子的工作原理
开关磁阻电机基本控制方式
开关磁阻电机系统构成
开关磁阻电机特点
开关磁阻电机应用
参考

开关磁阻电机（switched Reluctance Motor）是80年代发展起来的一种新型电机驱动系统，结构简单、启动及低速时转矩大、电流小，高速时恒功率区范围宽，在宽广转速和功率范围内都具有高输出和高效率，而且有很好的容错能力，应用潜力巨大。

开关磁阻电机结构

开关磁阻电机的转矩具有磁阻性质，其运行原理遵循“磁阻最小原理”——磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合，因磁场扭曲而产生切向磁拉力。

电机为了增加出力而设计成双凸极结构，转子仅由硅钢片叠加而成，既无绕组也无永磁体。定子各极上有集中绕组，径向相对极的绕组串联，构成一相。

双凸极结构

磁阻电机的定子铁芯有六个齿极，由导磁良好的硅钢片冲制后叠成，磁阻电机的转子铁芯有四个齿极，由导磁良好的硅钢片冲制后叠成，与普通电机一样，转子与定子直接有很小缝隙，转子可在定子内自由转动，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），是向电机提供工作磁场的励磁绕组。

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，但磁阻电机转子上没有线圈，也无“鼠笼”。磁阻电动机则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，利用齿极间的吸引力拉动转子旋转。

转子的工作原理

下图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连接在一起，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相、B相、C相线圈仅为后面分析磁路带来方便，并不是连接普通的三相交流电。

A相、B相、C相线圈由开关控制电流通断，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；约定转子启动前的转角为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异时针转动；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度时接通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；又由于电机磁场并非由正弦波交流电产生，其线圈电流通断、磁通状态直接受开关控制，故称为开关磁阻电动机。
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，这些都需要控制器对功率变换器进行控制，控制器由微处理器（单片机）与接口电路组成。

开关磁阻电机基本控制方式

脉宽调制控制（PWM）

调制绕组两端的励磁电压来控制电池转矩。固定开通角和关断角，可通过对转速的给定值和实际转速的反馈之差进行PI运算，调节PWM信号占空比，从而调节励磁电压加载相绕组上的有效时间宽度，改变相电压的有效值，从而改变输出转矩。PWM控制方式可用于低、高速运行，当用做调速系统时，动态响应快，抗干扰能力强，低速时，转矩脉动大。

电流斩波控制（CCD）

在电机启动、低速运行时，旋转电动势引起的压降小、电流上升快。为避免过大的电流脉冲峰值超过功率开关元件和电机允许的最大电流，通常会采用电流斩波控制方式来限制电流的大小。固定开通角和关断角，通过主开关器件的多次导通、关断将电流限制在给定电流上下限之间，实现电机转矩控制。在导通区，电流上升到电流斩波上限值时，断开开关，电流快速下降，当电流下降到电流斩波下限值时，开通开关，电流重新上升，如此反复，达到斩波控制。电流斩波产生的转矩较平稳，脉动小，但用做调速系统时响应比较慢，系统抗干扰能力变差。

角度位置控制（APO）

在直流电压的斩波频率和占比确定时，加于相绕组两端的电压大小不变的情况下，可通过调节电机的开通角和关断角的值，实现转矩和转速的调节，此种方法称为角度位置控制（APC）。尤其是当电机转速较高，旋转电动势较大，电机绕组电流相对较小时，最宜采用此方法。在APC方式下，通过对转子位置信号进行倍频，从而获得分辨率较高的角度细分控制。

开关磁阻电机系统构成

通常由SR电机、功率变换器、控制器、电流检测器、位置检测器组成。

功率变换器
功率变换器是开关磁阻电动机的电源接口，通过开关晶体管向线圈供电，下图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。

开关磁阻电机特点

电动机结构简单、成本低、适用于高速　　
开关磁阻电动机的结构比通常认为最简单的鼠笼式感应电动机还要简单，定子线圈为集中绕组，嵌放容易，端部短而牢固，工作可靠，能适用于各种恶劣、高温甚至强振动环境；转子仅有硅钢片叠成，因此不会有鼠笼感应电动机制造过程中鼠笼铸造不良和使用中的断条等问题，转子机械强度极高，可工作于极高转速，转速可达每分钟10万转。
功率电路简单、可靠　
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，相绕组串在主电路两功率管之间，不会发生桥臂直通短路故障，绕组相间耦合弱，缺相故障运行能力强，系统的容错能力强，可靠性高，可以适用于宇航等特殊场合。
高起动转矩，低起动电流
很多公司的产品可达到如下性能：起动电流为15％额定电流时，获得起动转矩为100％的额定转矩；起动电流为额定值的30％时，起动转矩可达其额定值的150％。对比其它调速系统的起动特性，如直流电动机为100％的起动电流，获得100％转矩；鼠笼感应电动机为300％的起动电流，获得100％的转矩。可见开关磁阻电动机具有软启动性能，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，因此特别适用于频繁起停及正反向转换运行的场合，如龙门刨床、铣床、冶金行业可逆轧机、飞锯、飞剪等。
调速范围宽，效率高
在额定转速和额定负载时运行效率高达92%以上，在所有的调速范围内，保持整体效率高达80%以上。
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、相电流幅值和相绕组电压。可控参数多，意味着控制灵活方便，可以根据对电动机的运行要求和电动机的情况，采用不同控制方法和参数值，使之运行于最佳状态，还可使之实现各种不同的功能和特定的特性曲线，如使电动机具有完全相同的四象限运行（正转、反转、电动和制动）能力，并具有高起动转矩和串激电动机的负载能力曲线。

开关磁阻电机应用

开关磁阻电动机优越的结构和性能使其应用领域非常广泛，下面对其三个典型应用进行分析。

开关磁阻电机在龙门刨床上的应用

龙门刨床是机械加工行业的一种主要工作母机，刨床的工作方式是工作台带动工件做往复运动，当其正程运动时，固定于机架的刨刀刨削工件，反程运动时，刨刀抬起，工作台空行返回。该刨床主传动系统的作用是带动工作台往复运动，显然，其性能优劣直接关系到刨床的加工质量和生产效率，因此，要求该传动系统具备以下主要性能。

主要特性
（1）适于频繁起动、制动和正反转转换，每分钟不少于10次，且起动、制动过程平稳快捷。　　
（2）静差率要求高。从空载到突然吃刀加载引起的动态速降不大于3%，且短时过载能力强。
（3）调速范围宽，适应低速、中速刨削和高速反程的需要。
（4）工作稳定性好，往返行程折返位置准确。

目前国内龙门刨床的主传动系统主要有直流机组形式和异步电动机-电磁离合器形式。大量以直流机组为主拖动系统的刨床，使用到现在大多处于严重老化的状态，电机磨损严重，高速重载时电刷上火花较大，故障频繁，维护工作量大，直接影响正常的生产。此外，该系统不可避免地存在设备庞大、耗电多，噪音高的缺点。异步电动机-电磁离合器系统依靠电磁离合器实现正反转向，离合器磨损严重，工作稳定性不好，且不便调速，仅限用于轻型刨床。
采用感应电动机的问题
如采用感应电机变频调速驱动系统，则存在以下问题：　
（1）输出特性较软，使得龙门刨床在低速时不能带足够的负载。　
（2）静差大，加工质量低，加工工件出现花纹，吃刀时甚至停车。
（3）起、制动转矩小，起、制动慢，停车越位过大。　　
（4）电机发热。

而开关磁阻电机的特性则特别适用于频繁起、制动和换向运行，换向过程起动电流小，起、制动转矩可调，因而保证了在各种速度区间内与工艺要求相符合。开关磁阻电机还具有很高的功率因数，不论是高、低车速，还是空载、满载，其功率因数都接近于1，优于目前龙门刨床所用的其他传动系统。

开关磁阻电机在洗衣机上的应用

无论波轮式还是滚筒式洗衣机洗衣机，其基本原理都是通过电机驱动波轮或者滚筒转动，从而产生水流，再由水流及波轮、滚筒产生力来洗涤衣物，电机的性能在很大程度上决定了洗衣机的运行状态，也就是决定了洗涤、甩干的质量以及噪声、振动大小等。

现在波轮洗衣机上使用的电机以单相感应电机为主，少数用变频电机和无刷直流电动机。滚筒洗衣机则以串激电机为主，此外还有变频电机，无刷直流电动机，开关磁阻电机。

单相感应电机的缺点
1. 不能调速
  在洗涤时只有一种转速，难以适应各种织物对洗涤转速的要求，不同洗涤程序的变化仅仅是靠改变正反转的持续时间而已，而且为了照顾洗涤时对转速的要求，往往使得脱水时的转速偏低，一般仅为400转/分钟至600转/分钟。
2. 效率很低
  效率一般均在30％以下，起动电流很大，可达额定电流的7～8倍，难以适应频繁正反转洗涤状况。
串激电机就是一台直流串激电机，具有起动力矩大、效率较高、调速方便、动态性能好等优点。但是，串激电机的缺点是结构复杂，转子电流需要经过换向器和电刷来进行机械式换向，换向器和电刷间的滑动摩擦容易产生机械磨损、噪声、火花以及电磁干扰，使得电机可靠性降低、寿命变短。

开关磁阻电动机的特点使其应用在洗衣机上可以获得良好的效果。开关磁阻电动机调速系统宽广的调速范围，各种洗涤程序均可工作在最佳的转速上，以实现真正意义上的标准洗、快速洗、轻柔洗、丝绒洗，甚至变速洗，脱水时也可以随意选择旋转的转速。

还可以按某些设定的程序来提升转速，让衣物在脱水过程中避免因分布不均造成的振动和噪声。开关磁阻电动机卓越的启动性能可消除洗涤过程中电机频繁正反转启动电流对电网的冲击，使洗涤、换向平稳无噪声。开关磁阻电动机调速系统在全部调速范围内的高效率，可以使洗衣机的耗电量大大减少。

无刷直流电动机的确是开关磁阻电动机强有力的对手，但是开关磁阻电动机的优势是成本低、坚固、没有退磁现象和启动性能优越。