開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)課件

電機(jī)可以根據(jù)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的機(jī)理粗略的分為兩大類：一類是由電磁作用原理產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩；另一類是由磁阻變化原理產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。在第一類電機(jī)中，運(yùn)動(dòng)是定、轉(zhuǎn)子兩個(gè)磁場(chǎng)相互作用的結(jié)果。這種相互作用產(chǎn)生使兩個(gè)磁場(chǎng)趨于同向的電磁轉(zhuǎn)矩，這類似于兩個(gè)磁鐵的同極性相排斥、異極性相吸引的現(xiàn)象。目前大部分電機(jī)都是遵循這一原理，例如一般的直流電機(jī)和交流電機(jī)。第二類的電機(jī)，運(yùn)動(dòng)是由定、轉(zhuǎn)子間氣隙磁阻的變化產(chǎn)生的。當(dāng)定子繞組通電時(shí)，產(chǎn)坐一個(gè)單相磁場(chǎng)，其分鈾要遵循“磁阻最小原則”，即磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子軸線與定子磁極的軸線不重合時(shí)，便公有磁阻力作用在轉(zhuǎn)子上并產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩使其趨向于磁阻最小的位置。即兩軸線重合位置，這類似于磁鐵吸引鐵質(zhì)物質(zhì)的現(xiàn)象。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)就是屬于這一類型的電機(jī)。兩類不同機(jī)理的電動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的最早文獻(xiàn)卻可追溯到1838年，英格蘭學(xué)者Davidson制造了一臺(tái)用以推動(dòng)蓄電池機(jī)車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。70年代左右，英國(guó)Leeds大學(xué)步進(jìn)電機(jī)和磁阻電機(jī)研究小組首創(chuàng)了一臺(tái)現(xiàn)代開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的雛形。1980年，Lawrenson及其同事在ICEM會(huì)議上，發(fā)表著名論文“開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)”，系統(tǒng)地介紹了他們的工作成果，闡述了SR電機(jī)的原理及設(shè)計(jì)特點(diǎn)，在國(guó)際上奠定了現(xiàn)代SR電機(jī)的地位，這也標(biāo)志著SRD正式得到國(guó)際認(rèn)證。從此，世界上大批學(xué)者投入到SR電機(jī)的研究領(lǐng)域。到日前為止，在SRD系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研制方面，英國(guó)一直處于國(guó)際領(lǐng)先地位。除英國(guó)外，美國(guó)、中國(guó)、加拿大、印度、韓國(guó)等國(guó)家也都開(kāi)展了SRD系統(tǒng)的研究工作。通過(guò)20多年的研究和改進(jìn)，SRD的性能不斷提高，目前已能在數(shù)百瓦到數(shù)百千瓦的功率范圍內(nèi)使其性能不低于其他形式的電機(jī)。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)展歷史2.1SRD傳動(dòng)系統(tǒng)2.1.1SRD傳動(dòng)系統(tǒng)的組成2.1.1SRD傳動(dòng)系統(tǒng)的組成SR電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子實(shí)際結(jié)構(gòu)

SR電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子實(shí)際結(jié)構(gòu)

工作機(jī)理開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的工作機(jī)理基于磁通總是沿磁導(dǎo)最大的路徑閉合的原理。當(dāng)定、轉(zhuǎn)子齒中心線不重合、磁導(dǎo)不為最大時(shí)，磁場(chǎng)就會(huì)產(chǎn)生磁拉力，形成磁阻轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到磁導(dǎo)最大的位置。當(dāng)向定子各相繞組中依次通入電流時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子將一步一步地沿著通電相序相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。如果改變定子各相的通電次序，電機(jī)將改變轉(zhuǎn)向。但相電流通流方向的改變是不會(huì)影響轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向的。一、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)（SwitchedReluctanceMotor)

1.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1定子和轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)；2定子上空間相對(duì)的兩個(gè)極上的線圈串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成一相繞組3定子集中繞阻、繞組為單方向通電4轉(zhuǎn)子上無(wú)繞組5最常見(jiàn)的組合為6/4極，8/6極或12/8極。2.1.2運(yùn)行原理：磁阻最小原理電機(jī)原理演示磁通總要沿著磁阻最小路徑閉合，一定形狀的鐵心在移動(dòng)到最小磁阻位置時(shí)，必定使自己的軸線與主磁場(chǎng)的軸線重合A-A’通電?

1-1‘與A-A’重合B-B’通電?

2-2‘與B-B’重合C-C’通電?

3-3‘與C-C’重合D-D’通電?

1-1‘與D-D’重合依次給A-B-C-D繞組通電，轉(zhuǎn)子逆勵(lì)磁順序方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)下面通過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)原理模型來(lái)介紹工作原理。電機(jī)的定子鐵芯有六個(gè)齒極，由導(dǎo)磁良好的硅鋼片沖制。電機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵芯有四個(gè)齒極，由導(dǎo)磁良好的硅鋼片沖制。

由于定子與轉(zhuǎn)子都有凸起的齒極，這種形式也稱為雙凸極結(jié)構(gòu)。在定子齒極上繞有線圈（定子繞組），用來(lái)向電機(jī)提供工作磁場(chǎng)。在轉(zhuǎn)子上沒(méi)有線圈，這是磁阻電機(jī)的主要特點(diǎn)。

在講電動(dòng)機(jī)工作原理時(shí)常用通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受力來(lái)解釋電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的道理，磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組，那是靠什么力推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)呢？

磁阻電動(dòng)機(jī)是利用磁阻最小原理，也就是磁通總是沿磁阻最小的路徑閉合，利用磁引力拉動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。下面通過(guò)圖示來(lái)說(shuō)明轉(zhuǎn)子的工作原理，下面是磁阻電動(dòng)機(jī)的正視圖，定子六個(gè)齒極上繞有線圈，徑向相對(duì)的兩個(gè)線圈是連接在一起的，組成一“相”，該電機(jī)有3相，結(jié)合定子與轉(zhuǎn)子的極數(shù)就稱該電機(jī)為三相6/4結(jié)構(gòu)。在下圖標(biāo)注的A、B、C相線圈僅為后面分析磁路帶來(lái)方便，并不是連接三相交流電。在下面有一組磁阻電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)原理動(dòng)畫的截圖，從中我們將看到磁阻電動(dòng)機(jī)是如何轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)的，圖中紅色的線圈是通電線圈，黃色的線圈沒(méi)有電流通過(guò)；通過(guò)定子與轉(zhuǎn)子的深藍(lán)色線是磁力線；把轉(zhuǎn)子啟動(dòng)前的轉(zhuǎn)角定為0度。從左面圖起，A相線圈接通電源產(chǎn)生磁通，磁力線從最近的轉(zhuǎn)子齒極通過(guò)轉(zhuǎn)子鐵芯，磁力線可看成極有彈力的線，在磁力的牽引下轉(zhuǎn)子開(kāi)始逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；中間圖是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了10度的圖，右面圖是轉(zhuǎn)到20度的圖，磁力一直牽引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到30度為止，到了30度轉(zhuǎn)子不再轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)磁路最短。為了使轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到30度前已切斷A相電源在30度接通B相電源，磁通從最近的轉(zhuǎn)子齒極通過(guò)轉(zhuǎn)子鐵芯，見(jiàn)下左圖，于是轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。中間圖是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到40度的圖，右面圖是轉(zhuǎn)到50度的圖，磁力一直牽引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到60度為止。在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到60度前切斷B相電源在60度時(shí)接通C相電源，磁通從最近的轉(zhuǎn)子齒極通過(guò)轉(zhuǎn)子鐵芯，見(jiàn)下左圖。轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，中間圖是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到70度的圖，右面圖是轉(zhuǎn)到80度的圖，磁力一直牽引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到90度為止。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到90度前切斷C相電源，轉(zhuǎn)子在90度的狀態(tài)與前面0度開(kāi)始時(shí)一樣，重復(fù)前面過(guò)程，接通A相電源，轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣不停的重復(fù)下去，轉(zhuǎn)子就會(huì)不停的旋轉(zhuǎn)。這就是磁阻電動(dòng)機(jī)的工作原理。由于是運(yùn)用了利用磁阻最小原理，故稱為磁阻電動(dòng)機(jī)，又由于線圈電流通斷、磁通狀態(tài)直接受開(kāi)關(guān)控制，故稱為開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)。向線圈供電的開(kāi)關(guān)是用開(kāi)關(guān)晶體管進(jìn)行的，下面就是三相線圈與開(kāi)關(guān)晶體管的連接示意圖，BG1、BG2、BG3是三個(gè)開(kāi)關(guān)晶體管，分別控制三相線圈A、B、C的電流通斷，三極管旁邊并聯(lián)的二極管是用來(lái)續(xù)流的。由于電機(jī)靠磁阻工作，跟磁通方向無(wú)關(guān)，即跟電流方向無(wú)關(guān)，故在上面運(yùn)行圖中沒(méi)有標(biāo)明磁力線的方向。A、B、C各相線圈輪流通電視乎簡(jiǎn)單，實(shí)際情況要復(fù)雜些，線圈切斷電源后產(chǎn)生的自感電流不會(huì)立即消失，要提前關(guān)斷電源進(jìn)行續(xù)流；為加大力矩相鄰相線圈有電流的時(shí)間會(huì)有部分重合；調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩也要調(diào)整開(kāi)關(guān)時(shí)間，各相線圈開(kāi)通與關(guān)斷時(shí)間與轉(zhuǎn)子定子間的相對(duì)位置直接相關(guān)，故電機(jī)還裝有轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)裝置為準(zhǔn)時(shí)開(kāi)關(guān)各相線圈電流提供依據(jù)，何相線圈何時(shí)通斷必須根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到的位置與控制參數(shù)決定。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行原理動(dòng)畫演示例：12/8極三相開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)以不同的顏色表示磁場(chǎng)強(qiáng)弱，藍(lán)色磁場(chǎng)最弱，綠色強(qiáng)當(dāng)某一相通電時(shí)，磁極極尖處磁場(chǎng)強(qiáng)轉(zhuǎn)速的計(jì)算設(shè)：定子繞組為m相，定子齒數(shù)Ns=2m，轉(zhuǎn)子齒數(shù)為Nr。當(dāng)定子繞組輪流通電一次時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)子齒距。這樣定子需輪流通電Nr次轉(zhuǎn)子才轉(zhuǎn)過(guò)一周，故電機(jī)轉(zhuǎn)速n(r/min)與相繞組電壓的開(kāi)關(guān)頻率fph之間的關(guān)系為給定子相繞組供電的功率變換器輸出電流脈動(dòng)頻率則為

1、依次給A-B-C-A繞組通電，轉(zhuǎn)子逆勵(lì)磁順序方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。改變繞組導(dǎo)通順序，就可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)向。2、通電一周期，轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)子極距tr=360/Nr3、步距角qb=tr/m=360/(mNr)4、轉(zhuǎn)矩方向與電流無(wú)關(guān),但轉(zhuǎn)矩存在脈動(dòng)。5、需要根據(jù)定、轉(zhuǎn)子相對(duì)位置投入激勵(lì)。不能像普通異步電機(jī)一樣直接投入電網(wǎng)運(yùn)行，需要與控制器一同使用。結(jié)論：2.1.3開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的相數(shù)與結(jié)構(gòu)

相數(shù)與級(jí)數(shù)關(guān)系1、為了避免單邊磁拉力，徑向必須對(duì)稱，所以雙凸極的定子和轉(zhuǎn)子齒槽數(shù)應(yīng)為偶數(shù)。2、定子和轉(zhuǎn)子齒槽數(shù)不相等，但應(yīng)盡量接近。因?yàn)楫?dāng)定子和轉(zhuǎn)子齒槽數(shù)相近時(shí)，就可能加大定子相繞組電感隨轉(zhuǎn)角的平均變化率，這是提高電機(jī)出力的重要因素。SR電動(dòng)機(jī)常用的相數(shù)與極數(shù)組合

相數(shù)3456789定子極數(shù)681012141618轉(zhuǎn)子極數(shù)46810121416步進(jìn)角(度)3015964.283.212.5SR電機(jī)常用方案相數(shù)與轉(zhuǎn)矩、性能關(guān)系：相數(shù)越大，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)越小，但成本越高，故常用三相、四相，還有人在研究?jī)上?、單相SRM低于三相的SRM沒(méi)有自起動(dòng)能力（1）2-phase4statorpole/2rotorpole（2）4-phase8statorpole/6rotorpole（3）3-phase6statorpole/4rotorpole（4）5-phase10statorpole/8rotorpole利用永磁體輔助起動(dòng)的單相SR電動(dòng)機(jī)

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)SR電機(jī)轉(zhuǎn)子上沒(méi)有任何形式的繞組、永磁體、滑環(huán)等，定子上只有簡(jiǎn)單的集中繞組，繞組端部較短，沒(méi)有相間跨接線，因此SR電機(jī)的結(jié)構(gòu)比鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)還要簡(jiǎn)單。SR電機(jī)的材料利用系數(shù)高，與直流電機(jī)甚至感應(yīng)電機(jī)相比，體積小、堅(jiān)固、維護(hù)量小。由于SR電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電流極性無(wú)關(guān)，只需要單方向的電流激勵(lì)，因此在理論上功率變換器電路中每相可以只用一個(gè)可控開(kāi)關(guān)元件，而且每個(gè)可控開(kāi)關(guān)元件都與電機(jī)繞組串聯(lián)，不會(huì)出現(xiàn)像交流電機(jī)PWM逆變器那樣有電源直通短路的危險(xiǎn)，所以功率變換器電路簡(jiǎn)單，可靠性高。SR電機(jī)轉(zhuǎn)子上無(wú)繞組，系統(tǒng)在低速運(yùn)行時(shí)，不僅轉(zhuǎn)矩大，而且轉(zhuǎn)子發(fā)熱不嚴(yán)重。SRD系統(tǒng)可以通過(guò)對(duì)電流的導(dǎo)通、斷開(kāi)以及電流幅值等的控制，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟啟動(dòng)，四象限運(yùn)行和寬廣的恒功率范圍。SRD系統(tǒng)的容錯(cuò)能力強(qiáng)，在缺相的情況下仍然能可靠運(yùn)行。SR電機(jī)原有的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大、噪聲大的缺點(diǎn)通過(guò)技術(shù)的進(jìn)步也已經(jīng)可以解決。2.1.4SRD特點(diǎn)1)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、適用于高速

SR電機(jī)轉(zhuǎn)子上沒(méi)有任何形式的繞組、永磁體、滑環(huán)等，定子上只有簡(jiǎn)單的集中繞組，繞組端部較短，沒(méi)有相間跨接線，因此SR電機(jī)的結(jié)構(gòu)比鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)還要簡(jiǎn)單。2)功率電路簡(jiǎn)單可靠因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩方向與繞組電流方向無(wú)關(guān)，即只需單方向繞組電流，故功率電路可以做到每相一個(gè)功率開(kāi)關(guān)。SRD特點(diǎn)：3)各相獨(dú)立工作，可構(gòu)成極高可靠性系統(tǒng)從電動(dòng)機(jī)的電磁結(jié)構(gòu)上看，各相繞組和磁路相互獨(dú)立，各自在一定軸角范圍內(nèi)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。而不像在一般電動(dòng)機(jī)中必須在各相繞組和磁路共同作用下產(chǎn)生一個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，電動(dòng)機(jī)才能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。4)高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，低起動(dòng)電流控制器從電源側(cè)吸收較少的電流，在電機(jī)側(cè)得到較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩是本系統(tǒng)的一大特點(diǎn)。

（SR:0.4IN,1.4TNIM:6-7IN,2-3TN）SRD特點(diǎn)：5)適用于頻繁起停及正反向轉(zhuǎn)運(yùn)行

SRD系統(tǒng)具有的高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，低起動(dòng)電流的特點(diǎn)，使之在起動(dòng)過(guò)程中電流沖擊小，電動(dòng)機(jī)和控制器發(fā)熱較連續(xù)額定運(yùn)行時(shí)還小。6)可控參數(shù)多，調(diào)速性能好控制開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的主要運(yùn)行參數(shù)和常用方法至少有四種:相開(kāi)通角,相關(guān)斷角,相電流幅值,相繞組電壓。7)效率高，損耗小

SRD系統(tǒng)是一種非常高效的調(diào)速系統(tǒng)。8)可通過(guò)機(jī)和電的統(tǒng)一協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)滿足各種特殊使用要求。9)缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、振動(dòng)、噪聲但可通過(guò)特殊設(shè)計(jì)克服SRD特點(diǎn)：54SRD的特點(diǎn)SR電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、維護(hù)量小功率變換器電路簡(jiǎn)單、可靠性高可以在寬廣的速度和負(fù)載范圍內(nèi)高效率運(yùn)行控制方便、靈活，易于實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行起動(dòng)電流小，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大容錯(cuò)能力強(qiáng)，在缺相情況下仍能可靠運(yùn)行轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大振動(dòng)與噪聲大2.1.5SRD發(fā)展概況7.5kW、1500r/min幾種調(diào)速系統(tǒng)性能比較

2.1.6SRD的應(yīng)用與研究動(dòng)向

開(kāi)