5.3开关磁阻电动机原理

许大中,贺益康,电机控制,电子教案

5.3 开关磁阻电动机原理

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一、开关磁阻电动机的工作原 理关磁阻电动机传动系统(简称 SRD系统) 是最近20年来开发成功的一种新型电气传 动系统，它由开关磁阻电动机(简称 SR电 机或 SRM)、功率变换器、转子位臵检测 器和控制器所组成，如图 5-21所示。

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图5-21 开关磁阻电动机传动系统结构

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基本结构

定子和转子均为凸极结构 定子和转子的齿数不等，转子齿数一般比定 子少两个 定子齿上套有集中线圈，两个空间位臵相对 的定子齿线圈相串联，形成一相绕组 转子由铁心叠片而成，其上无绕组 如图5-22所示

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图5-22 开关磁阻电动机的基本结构

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工作机理

开关磁阻电机的工作机理与磁阻(反应)式步进电动 机一样，基于磁通总是沿磁导最大的路径闭合的原 理。 当定、转子齿中心线不重合、磁导不为最大时，磁 场就会产生磁拉力，形成磁阻转矩，使转子转到磁 导最大的位臵。 当向定子各相绕组中依次通入电流时，电机转子将 一步一步地沿着通电相序相反的方向转动。 如果改变定子各相的通电次序，电机将改变转向。 但相电流通流方向的改变是不会影响转子的转向的。

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转速的计算 设：定子绕组为m相，定子齿数 Ns=2m,转子齿数为Nr。当定子绕组换流通电一次时，转子转过一个转子齿 距。这样定子需切换通电 Nr次转子才转过一周，故电 机转速 n(r/min)与相绕组电压的开关频率 f之间的关系 f 为 (5-10) n 60

(5-11) 给定子相绕组供电的功率变换器输出电流脉动频率 则为 (5-12) mN nfD r

Nr N n f r 60

60

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优点

开关磁阻电机由于转子上没有绕组，定子线圈的端部又很短，不但 制造方便，而且线圈的发热量小且容易散热，从而电磁负荷可以提 高，电机利用系数可达异步电机利用系数的 1.4倍，电机制造成本 大为降低。 由于转子上无线圈，转动惯量小，具有较高的转矩/惯量比，所以 特别适合于高速运行。 由于开关磁阻电机的转矩是靠定、转子的凸极效应产生，与绕组中 所通电流极性无关，因此每相绕组中通入的可以是单方向的电流 (脉冲),无须交变。这样不但可使控制每相电流的功率开关元件数 量减少一半，而且可以避免一般电压型逆变器中最危险的上、下桥 臂元件直通的故障，不但显著降低控制装臵的成本，而且大大提高 了系统的安全可靠性。

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不足

开关磁阻电机的主要问题是它产生的电磁 转矩脉动较大，振动与噪声较严重，此外 功率开关元件关断时还会在电机定子绕组 端部及开关器件上产生较高的电压尖峰。 为了解决这些问题已设计出不同的控制方 案，图 5-23为一种较为常用的四相

开关磁 阻电机功率电路形式。

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图5-23

四相开关磁阻电动机原理接线图

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二、开关磁阻电动机的运行分 析

开关磁阻电动机依靠定转 子的凸极效应产生电磁转 矩，其机理可以用相绕组 电感 L随转子位臵变化的 关系来说明。 如果忽略电机磁路饱和的 影响，则相绕组电感与电 流大小无关；如不计磁场 边缘扩散效应，则相绕组 电感随转子位臵 θ的变化 规律 L(θ)将如图 5-24所 示，近似为一梯形波。

图5-24 相绕组电感变化规律

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转矩特性当开关磁阻电机由图 5-23所示的电源供电时，如果 电动机匀速旋转，可得 di L U s L iR i r (5-15) dt 式中，等号右边第一项为平衡绕组中变压器电势的压降； 第二项为电阻压降； 第三项为旋转电势所引起的压降，它只 有在电感随转子位臵而变时才存在，其方向与电感随 转子位臵 θ的变化率有关：当电感随 θ角的增大而 增大时为正，当电感随 θ角的增大而减小时为负。

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旋转电势引起的压降为正表示吸收电功率， 产生驱动转矩，输出机械功率 当旋转电势引起的压降为负则表示是发出电 功率，产生制动转矩 所以在开关磁阻电机中，为获得较大的有效 转矩应避免产生制动转矩，在绕组电感开始 随转子位臵角 θ的增大而减少时应尽快使 绕组中电流衰减到零，这点十分重要。

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在开关磁阻电机中，电磁转矩的调节主要 是通过控制功率开关的开、关时刻，即开 关元件的导通角 α1和截止角α2 来实现 的 设在图 5-24中 的 I 区 内 触 发 导 通 功 率 开 关 (α1<θ1);在 II 区内 关断功率开关 (θ1<α1<θ3)。在这种情 况下，相电流的波形将如图 5-25所示， 它可以分为五段。

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图5-25

电动机工作时的相电流波形

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电流特性(1)第一段 0 t t1 ( 1 1 ) 在t=0(θ=α1 )时，功率开关导通，相绕组开始 通电。但在这段区间由于电感小且 L / 0 ,故无 旋转电势，所以在这阶段中相电流作线性增长，上升 速率较快。如不计电阻影响，由式5-15可得i Us t Lmin

通过合理选择导通角 α1使相电流在进入有效工 作段时就达到足够大的数值，这是开关磁阻电机控制 电磁转矩的主要办法。

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(2)第二段

t1 t t 2 ( 1 2 )

这段期间 L在不断增大，因而相绕组中出现了旋转电势压降， 绕组中电流不能继续直线上升，甚至可能出现下降。求得这段 期间电流关系式为：

式中

L Lk r t L LK Lmin ( 1 1 )

i

U st

(i 0)

(5-19)

这时的电流主要用于产生电磁转矩，因此这一段电流的大小 直接影响电动机的出力。

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从5-19可以看出， 开关磁阻电

机的 负载电流与许多 参数有关，其中 属于可控的因素 是导通角α 1,不 同 α 1的可能形成 不同的电流波形。 如图 5-26所示。

图5-26 不同 α 1 时相电流波形

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(3)第三段

t 2 t t 3 ( 2 3 )

在反向电压-Us的作 用 下 绕 组 磁 链 开 始 线 性 下 降，电 流 也 逐 渐 减小。 由于在这一区间仍是 L / 0,续流电流仍产生 电动转矩，说明在这一阶段电机中的磁场储能有 一部分转化为有用的机械能从电机轴上输出，而 另一部分转化为电能回馈给了电容器。 这时在反压及旋转电势的作用下相电流以较快的 速率下降，其规律可表达为2 max U s t i L LK r t

(5-22)

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(4)第四段

t 3 t t1 ( 3 4 )

在这个区段由于 L / 0 ,而没有旋转电势存 在，相电流不产生电磁转矩，只在外界反向电压 -Us作用下继续衰减，其规律为 2 max U s t (5-24) i (i 0)Lmax

在这段区间电机中的磁场储能进一步转换成电 能回馈给电容器，轴上无机械功输出。

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(5)第五段 t t 4 ( 4 )

如相电流在这一区段中还没有衰减到零，则由 于 L / 0 ,使相绕组中电流所产生的将是 制动转矩，电机进入再生制动状态，旋转电势 将起与外加反向电压相抵消的作用，使电流的 下降速度变慢。这时电流的表达式为i 2 max U s t L LB r t L ( 4 1 )

(i 0)

(5-25)

式中

LB Lmax

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/rrn1.html