論步進(jìn)電機(jī)與開關(guān)磁阻電機(jī)

1、論步進(jìn)電機(jī)與開關(guān)磁阻電機(jī)班級(jí)： 學(xué)號(hào)：姓名： 論步進(jìn)電機(jī)與開關(guān)磁阻電機(jī)一、 步進(jìn)電機(jī)1.1概述步進(jìn)電機(jī)是一種特殊的電機(jī)，每輸入一個(gè)電脈沖信號(hào)，電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一份角度，由于它的運(yùn)動(dòng)是步進(jìn)形式的，所以稱為步進(jìn)電機(jī)。又因?yàn)樗斎氲氖敲}沖電流，所以也叫脈沖電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況下電機(jī)取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)的時(shí)候，它將驅(qū)動(dòng)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)式一個(gè)固定的角度一步一步運(yùn)行的?？刂频臅r(shí)候可以通過控制脈沖的個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的，

2、同時(shí)可以通過控制脈沖來控制電機(jī)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。不僅電機(jī)的主要缺點(diǎn)是效率比較低，并且需要專用的電源供給脈沖信號(hào)，帶負(fù)載慣量的能力不強(qiáng)，在運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)共振和震蕩等問題。 1.2反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu) 反應(yīng)式不僅電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式有很多，按定轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子為一段鐵心。由于各項(xiàng)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(jìn)電機(jī)中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式。下圖為三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的徑向截圖。定轉(zhuǎn)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(gè)串聯(lián)的集中控制繞組分別繞在徑向相對(duì)的兩個(gè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子的齒數(shù)有一定的限制。這種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點(diǎn)是制造簡(jiǎn)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(dòng)和運(yùn)行頻率。其缺點(diǎn)是在電機(jī)的直徑較小而相數(shù)又較多時(shí)，沿徑向分相較為困難，消耗功率大。三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)2 多段式多段式是定轉(zhuǎn)子鐵芯沿電機(jī)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如下圖所示。每一段的結(jié)構(gòu)和單段式徑

4、向分相結(jié)構(gòu)相似，通常每一相繞組在一段定子鐵芯的各個(gè)磁極上定子的磁極數(shù)從結(jié)構(gòu)合理考慮決定最多可以和轉(zhuǎn)子齒數(shù)相等定轉(zhuǎn)子鐵芯的圓周上都有齒形相近和齒距相同的均勻小齒轉(zhuǎn)子齒數(shù)通常為定子極數(shù)的倍數(shù)定子鐵芯或轉(zhuǎn)子鐵芯每相鄰兩段沿圓周錯(cuò)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(zhuǎn)子鐵芯每相鄰兩段要錯(cuò)開相應(yīng)的齒距這樣可增加電機(jī)制造的靈活性。多段式徑向磁路反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)1 線圈 2 定子 3轉(zhuǎn)子多段式軸向磁路步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子鐵芯每相鄰兩段沿圓周錯(cuò)開1/m齒距。多段式結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn)是鐵

5、芯分段和錯(cuò)位裝配工藝比較復(fù)雜精度不易保證特別對(duì)步距角較小的電機(jī)更是困難但步距角可以做的很小啟動(dòng)和運(yùn)行頻率較高對(duì)軸向磁路的結(jié)構(gòu)定子空間利用率高，環(huán)形控制繞組繞制方便，轉(zhuǎn)子的慣量較低。1.3步進(jìn)電機(jī)優(yōu)點(diǎn)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(zhuǎn)速或線速度與脈沖數(shù)的頻率成正比，在負(fù)載能力的范圍內(nèi)通過改變脈沖來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并且能夠快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。 2 控制性能好，它可以在開環(huán)系統(tǒng)中在很寬的范圍內(nèi)通過通過改變脈沖開調(diào)節(jié)嗲及的轉(zhuǎn)速3 每一周都有固定的步數(shù)，所以不及點(diǎn)擊在不失步的情況下訓(xùn)詞那個(gè)，其步距誤差不會(huì)長期積累。4 有一些形式的步進(jìn)電機(jī)在不通電的情況下還有定位轉(zhuǎn)矩。當(dāng)采用速度和位置

6、檢測(cè)裝置后，它能構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。二、 開關(guān)磁阻電機(jī)2.1概述開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)（Switched Reluctance Drive ：SRD）是繼變頻調(diào)速系統(tǒng)、無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)之后發(fā)展起來的最新一代無級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，是集現(xiàn)代微電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、電力電子技術(shù)、紅外光電技術(shù)及現(xiàn)代電磁理論、設(shè)計(jì)和制作技術(shù)為一體的光、機(jī)、電一體化高新技術(shù)。它具有調(diào)速系統(tǒng)兼具直流、交流兩類調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于家用電器、航空、航天、電子、機(jī)械及電動(dòng)車輛等領(lǐng)域。開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)速范圍廣，調(diào)速性能優(yōu)異的特點(diǎn)，且在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)都有較高的效率，系統(tǒng)的可靠性高。主要有開關(guān)磁阻電機(jī)，功率變換器四部分組成?？刂?/p>

7、器內(nèi)包含功率變換器和控制電路，而轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器則安裝在電機(jī)的一端。2.2工作原理下圖示出四相（8/6）結(jié)構(gòu)SR電動(dòng)機(jī)原理圖。為簡(jiǎn)單計(jì)，圖中只畫出A相繞組及其供電電路。SR電動(dòng)機(jī)的運(yùn)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(dòng)到最小磁阻位置時(shí)，必使自己的主軸線與磁場(chǎng)的軸線重合。圖2中，當(dāng)定子D-D極勵(lì)磁時(shí)，1-1'向定子軸線D-D'重合的位置轉(zhuǎn)動(dòng)，并使D相勵(lì)磁繞組的電感最大。若以圖中定、轉(zhuǎn)子所處的相對(duì)位置作為起始位置，則依次給DABC相繞組通電，轉(zhuǎn)子即會(huì)逆著勵(lì)磁順序以逆時(shí)針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)；反之，若依次給BADC相通電，則電動(dòng)機(jī)即會(huì)沿順時(shí)針方

8、向轉(zhuǎn)動(dòng)?？梢姡琒R電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向與相繞組的電流方向無關(guān)，而僅取決于相繞組通電的順序。另外，從圖2可以看出，當(dāng)主開關(guān)器件S1、S2導(dǎo)通時(shí)，A相繞組從直流電源US吸收電能，而當(dāng)S1、S2關(guān)斷時(shí)，繞組電流經(jīng)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(dòng)機(jī)傳動(dòng)的共性特點(diǎn)是具有再生作用，系統(tǒng)效率高。四相8/6級(jí)SR電動(dòng)機(jī)其中一相的典型結(jié)構(gòu)2.3反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是利用凸極轉(zhuǎn)子交軸磁阻與直軸磁阻之差所產(chǎn)生的反應(yīng)轉(zhuǎn)矩而轉(zhuǎn)動(dòng)的所以也稱為磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)現(xiàn)以一個(gè)最簡(jiǎn)單的三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例說明其工作原理是一臺(tái)三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的原理圖、定子鐵芯為凸極式、共有三對(duì)、六個(gè)磁極每兩

9、個(gè)相對(duì)的磁極上繞有一相控制繞組轉(zhuǎn)子用軟磁性材料制成也是凸極結(jié)構(gòu)只有四個(gè)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(yīng)式進(jìn)步電動(dòng)機(jī)的原理圖 三相單三拍通電方式，當(dāng)A相控制繞組通電其余兩相均不通電，電機(jī)內(nèi)建立以定子A相極軸線的磁場(chǎng)由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點(diǎn)。使轉(zhuǎn)子齒13的軸線與定子A相極軸線對(duì)齊如圖a所示若A相控制繞組斷電B相控制繞組通電時(shí)轉(zhuǎn)子在反應(yīng)轉(zhuǎn)矩的作用下逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)過30°使轉(zhuǎn)子齒24的軸線與定子B相極軸線對(duì)齊即轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過30°使轉(zhuǎn)子齒的軸線與定子C相極軸線對(duì)齊如圖c所示如此按AB

10、CA的順序輪流通電轉(zhuǎn)子就會(huì)一步一步地按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)其轉(zhuǎn)速取決于各相控制繞組通電與斷電的頻率旋轉(zhuǎn)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(jī)按順時(shí)針反方向轉(zhuǎn)動(dòng)。 2.4優(yōu)缺點(diǎn)主要優(yōu)點(diǎn)如下：1、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)有較大的電動(dòng)機(jī)利用系數(shù)，可以是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)利用系數(shù)的1.21.4倍。2、電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)子上沒有任何形式的繞組；定子上只有簡(jiǎn)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(diǎn)。3、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電流極性無關(guān)，只需要單向的電流激勵(lì)，理想上公率變換電路中每相可以只用一個(gè)開關(guān)元件，且與電動(dòng)機(jī)繞組串聯(lián)，不會(huì)像PWM逆變器電源那樣，

11、存在兩個(gè)開關(guān)元件直通的危險(xiǎn)。所以，開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)SED線路簡(jiǎn)單，可靠性高，成本低于PWM交流調(diào)速系統(tǒng)。4、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)形式對(duì)轉(zhuǎn)速限制小，可制成高轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)，而且轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，在電流每次換相時(shí)又可以隨時(shí)改變相匝轉(zhuǎn)矩的大小和方向，因而系統(tǒng)有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。5、SRD系統(tǒng)可以通過對(duì)電流的導(dǎo)通、斷開和對(duì)幅值的控制，得到滿足不同負(fù)載要求的機(jī)械特性，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟啟動(dòng)和四象限運(yùn)行等功能，控制靈活。又由于SRD系統(tǒng)是自同步系統(tǒng)運(yùn)行，不會(huì)像變頻供電的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)那樣在低頻時(shí)出現(xiàn)不穩(wěn)定和振蕩問題。6、由于SR開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)采用了獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法以及相應(yīng)的控制技巧，其單位處理可以與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相媲美，甚至還略占優(yōu)勢(shì)。SRD系統(tǒng)的效率和功率密度在寬廣的速度和負(fù)載范圍內(nèi)都可以維持在教導(dǎo)水平。主要缺點(diǎn)是：1、有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。從工作原理可知，S開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是由一些列脈沖轉(zhuǎn)矩疊加而成的，由于雙凸極結(jié)構(gòu)和磁路飽和非線性的影響，合成轉(zhuǎn)矩不是一個(gè)恒定轉(zhuǎn)矩，而有一定的諧波分量，這影響了SR電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行性能。2、SR電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的噪聲與z，