开关磁阻电机工作原理及其驱动系统

开关磁阻电机工作原理及其驱动系统

开关磁阻电机

Switched Reluctance Drivesystem, SRD

开关磁阻电机驱动系统(Switched Reluctance Drive system, SRD)具有一些很有特色的优点:电机结构简单、坚固、维护方便甚至免维护，起动及低速时转矩大、电流小;高速恒功率区范围宽、性能好，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。这使得SR电机驱动系统在家用电器、通用工业、伺服与调速系统、牵引电机、高转速电机、航空航天等领域得到广泛应用。

SR电机是一种机电能量转换装置。根据可逆原理，SR电机和传统电机一样，它既可将电能转换为机械能——电动运行，在这方面的理论趋于成熟;也可将机械能转换为电能——发电运行，其内部的能量转换关系不能简单看成是SR电动机的逆过程。

开关磁阻电机的发展概况和发展趋势

“开关磁阻电机(Switched reluctance motor)”一词源见于美国学者

S.A.Nasarl969年所撰论文，它描述了这种电机的两个基本特征：①开关性——电机必须工作在一种连续的开关模式，这是为什么在各种新型功率半导体器件可以获得后这种电机才得以发展的主要原因；②磁阻性——它是真正的磁阻电机，定、转子具有可变磁阻磁路，更确切地说，是一种双凸极电机。开关磁阻电机的概念实际非常久远，可以追溯到19世纪称为“电磁发动机”的发明，这也是现代步进电机的先驱。在美国，这种电机常常被称为“可变磁阻电机(variable reluctance motor, VR电机)”一词, 但是VR电机也是步进电机的一种形式，容易引起混淆。有时人们也用“无刷磁阻电机(Brushless reluctance motor)”一词，以强调这种电机的无刷性。“电子换向磁阻电机(Electronically commutated reluctance motor)”一词也曾采用，从工作原理来看，甚至比“开关磁阻”的说法更准确—些，但也容易与电子换向的水磁直流电机相混淆。毫无疑问，正是由于英国 P．J．Lawrenson教授及其同事们的杰出贡献，赋予了现代SR电机新的意义，开关磁阻电机一词也因此逐渐为人们所接受和采用。

从电机结构和运行原理上看，SR电机与大步距角的反应式步进电机十分相似，因此有人将SR电机看成是一种高速大步距角的步进电机。但事实上，两者是有本质差别的，这种差别体现在电机设计、控制方法、性能特性和应用场合等方面，见表11-1。

开关磁阻电机也可视为一种反应式同步磁阻电机，但它与常规的反应式同步磁阻电机有许多个同之处，见表11-2

1.1开关磁阻电机驱动系统的组成

开关磁阻电机驱动系统(SRD)主要由开关磁阻电机、功率变换器、控制器和检测器四部分组成，如图1-1所示。

1.1.1开关磁阻电机

SR电机可以设计成单相、两相、三相、四相及多相等不同相数结构，且有每极单齿结构和每极多齿结构，轴向气隙、径向气隙和轴向—径向混合气隙结构，内转子和外转子结构，低于三相的SR电机一般没有自起动能力。相数多，有利于减小转矩波动，但导致结构复杂、主开关器件多、成本增高。目前应用较多的是二相6／4极结构和四相8／6极结构。下表为常见SR电机定、转子极数组

合方案。

三相开关磁阻电机

1.1.2控制器和位量检测器

控制器综合处理位置检测器、电流检测器提供的电机转子位置、速度和电流等反馈信息及外部输人的指令，实现SR电机运行状态的控制，是SRD的指挥中枢。控制器一般由单片机及外围接口电路等组成。在SRD中，要求控制器具有下述性能：

(1)电流斩波控制;

(2)角度位置控制;

(3)起动、制动、停车及四象限运行;

(4)速度调节。

位置传感器向控制器提供转子位置及速度等信号，使控制器能正确地决定绕组的导通和关断时刻。通常采用光电器件、霍耳元件或电磁线圈法进行位置检测，采用无位置传感器的位置检测方法是SRD的发展方向，对降低系统成本、提高系统可靠性有重要的意义。

1.2开关磁阻电机的工作原理

开关磁阻电机的转矩是磁阻性质，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，如下图所示，具体过程如下：

当A相绕组电流控制开关S1、S2闭合时，A相励磁，所产生的磁场力图使转子旋转到转子极轴线aa'与定子极轴线AA'的重合位置，从而产生磁阻性质的电磁转矩。顺序给A—B—C—D相绕组通电(B、C、D各相绕组在图中未画出)，则转子便按逆时针方向连续转动起来；反之，依次给D—C—B—A相绕组通电，则转子会沿顺时针方向转动。在多相电机实际运行中，也常出现两相或两相以上绕组同时导通的情况。当q相定子绕组轮流通电一次，转子转过一个转子极距。

设每相绕组开关频率(主开关开关频率)为f Ph，转子极数为N r则SR电机的同步转速(r／min)可表示为

由于是磁阻性质的电磁转矩，SR电机的转向与相绕组的电流方向无关，仅取决于相绕组通电的顺序．这使得能够充分简化功率变换器电路。当主开关S1、S2接通时，A相绕组从直流电源U吸收电能，而当S1、S2断开时，绕组电流通过续流二极管VD1、VD2将剩余能量回馈给电源U。因此，SR电机具有能量回馈的特点，系统效率高。

对SRD的理论研究和实践证明，该系统具有明显的特点：

(1)电机结构简单、坚固，制造工艺简单。成本低，转子仅由硅钢片叠压而成，可工作于极高转速；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、高温其至强振动环境。

(2)损耗主要产生在定子，电机易于冷却；转子无永磁体，允许有较高的温升。

(3)转矩方向与相电流方向无关，从而可减少功率变换器的开关器件数，降低系统成本。

(4)功率变换器不会出现直通故障，可靠性高。

(5)起动转矩大，低速性能好，无异步电动机在起动时所出现的冲击电流现象。

(6)调速范围宽，控制灵活，易于实现各种待殊要求的转矩——速度特性。

(7)在宽广的转速和功率范围内都具有高效率。

(8)能四象限运行，具有较强的再生制动能力。

相数

Single-Phase Motor

These are the simplest SR motors with fewestconnections between machine and electronics. The disadvantages lie in very hightorque ripple and inability to start at all angular positions. Maybe attractivefor very high speed applications, but starting problems may preclude their use. Two-Phase Motor

Problems of starting compared with single phasemachines can be overcome by stepping the air-gap, or providing asymmetry in therotor poles. This machine may be of interest where the cost of windingconnections is important, but again high torque ripple may be detrimental.

Three-Phase Motor

Offers simplest solution to starting and torqueripple without resorting to high numbers of phases. Hence has been the mostpopular topology in its 6/4 form. Alternative 3-phase machines with doubled-uppole numbers can offer a better solution for lower speed applications. Butagain watch-out

for torque ripple especially in the voltage controlsingle-pulse operating mode.

Four-Phase Motor

Maybe popular for reducing torque ripplefurther, but the large number of power devices and connections will probablylimit four phase to a limited application field. Five- and six-phase motors canoffer better torque ripple reduction compared with four-phase and three-phase.