开关磁阻电动机原理教学教材
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开关磁阻电机结构与原理_学习手册
开关磁阻电机的结构与原理您的学习任务学习开关磁阻电机结构与原理，学习开关磁阻电机的拆装。
为开关磁阻电机的维护与保养打下良好基础。
相关知识一、开关磁阻电机的结构开关磁阻电机（Switch Reluctance Machine）具有高起动转矩、高效率、高过载能力、可正反频繁无冲击电流起动，可快速制动、可宽范围调速，低运行电流、低维护费用，结构简单、坚固，易于制造等特点。
使得其在新能源货运车上得到了大量使用，但开关磁阻电机所具有的震动较大，噪声大等使得其在新能源轿车中还没使用。
从图 4-20 开关磁阻电机外形图中可见与与三相交流鼠笼式异步电机最大的不同是电源进线多了，外部联线方式发生了改变。
本图中采用的是水冷方式，增加了冷却管路。
图4-20 开关磁阻电机外形图从图4-21 的开关磁阻拆装简图中，可以更清楚的看到开关磁阻的结构，定子绕组中有多个绕组，采取一定的接线方式，与定子铁芯一起形成多个磁极。
定子的每个绕组与其所围绕的铁芯形成一个磁极。
磁极是偶数的，两个互差 180°角的绕组组成一个磁极对。
分别代表磁场的N、S 极。
图4-21 开关磁阻拆装简图转子是由转子轴和转子铁芯所组成。
转子上无绕组也无导条，转子铁芯上有多个突出级，可为定子磁场提供顺畅的磁路。
转子突出极也是偶数的。
a)定子铁芯图b)定子铁芯与转子组装图c)定子与转子组装图图4-22 开关磁阻电机组装简图从图4-22 中可知，定子的磁极数为6，而转子的突出极为4。
可见定子磁极与转子突出极是不相等的。
但定子磁极数与转子突出极数应尽量靠近，不应相差太大。
定子和转子也还有其它的形式。
a) 12/8 极磁阻电机b) 4/2 极磁阻电机图4-23 开关磁阻电机不同磁极图在图4-23 中，a)图中定子磁极为12 极，但转子突出极只有8 极。
在b)图中，定子磁极有4 极，但转子突出极只有2 极。
在a)图中定子可以有6 相定子绕组接线，b) 图中定子绕组可以有A、B 两相绕组接线。
开关磁阻电机PPT课件
当电机低速运行时，im很大，必须限幅
电流斩波控制方式 （CCC）
2.4 ψ-i曲线
得到SR电动机各部分的磁通、磁阻 不同转子位置角下的磁化曲线ψ＝f(i)。
φ
在线性模型中，电感L 仅是位置角θ的函数 而与电流无关，因此 对某一θ来讲， ψ＝ Li为一直线。
i
φ i
SR电机线性模型
2.5 转矩与功率
dt 2
2 dt
ui d (1 Li2 ) 1 i2 dL
d 2
2 d
ui d (1 Li2 ) 1 i2 dL
d 2
2 d
当开关导通，单位时间内输入电能ui 一部分增加磁场储能 (1 Li2 )
2
一部分转化为机械能 (1 i2 dL )
当开关关断
2 d
dL 0
d
dL 0
d
一部分转化为机械能 一部分磁场储能返回电源
波变化，不随电流改变
随电流改变。
四相8/6极SR电机定转子实物
1.1.2 功率变换器
能量提供者 包括直流电源和开关器件
1.1.3 控制器和位置检测器
控制器要求具有下述性能： （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）调速 位置检测器提供转子位置信号，使控制器决定
理想SR模型 定子绕阻电感L与绕阻电流i无关 极尖的磁通边缘效应忽略不计 磁导率μ∞ 忽略所有功率损耗 开关动作瞬时完成 转子旋转角速度Ω=C
2.1 电感与转子位置角的关系
Lmin
L(
)
K (
1)
Lmax
Lmin
1 1 1 2 2 3
Lmax K ( 1) 3 4
d d
《开关磁阻电机》课件
05
结论
开关磁阻电机的总结
开关磁阻电机是一种基于磁阻原理的 电机，具有结构简单、可靠性高、调 速范围广等优点，被广泛应用于各种 工业领域。
开关磁阻电机的控制系统可以采用数 字化技术，实现快速、准确的控制， 提高电机的性能和稳定性。
开关磁阻电机通过改变电机的输入电 压或电流，可以方便地调节电机的转 速和转矩，从而实现精确的控制。
推动模块化设计和智能化控制，简化电机结构，提高系统的集成度 和智能化水平。
市场前景与预测
工业自动化
随着工业自动化程度的提高，开 关磁阻电机在工业领域的应用将
进一步扩大。
电动车与新能源
电动车和新能源市场的快速发展将 为开关磁阻电机提供广阔的应用空 间。
预测分析
根据市场需求和技术发展趋势，预 测开关磁阻电机未来的市场规模和 增长点。
洗衣机
在洗衣机中，开关磁阻电机作为驱动 元件，实现高效、低噪音的洗涤和脱 水。
04
开关磁阻电机的未来发展
技术创新与改进
高效能驱动控制技术
研究更先进的控制算法和策略，提高开关磁阻电机的驱动性能和 效率。
耐高温材料
研发能在高温环境下稳定运行的绝缘材料和磁性材料，提高电机的 可靠性和寿命。
模块化和智能化
优势
与传统的直流电机和交流电机相比，开关磁阻电机在性能和成本方面具有明显的 优势，能够满足各种应用场景的需求。此外，开关磁阻电机的控制方式灵活多样 ，可以实现精确的速度和位置控制。
02
开关磁阻电机的基本结构
定子结构
定子铁芯
通常采用硅钢片叠压而成，用于 产生磁场。
定子绕组
由多根漆包线绕制而成，连接至 控制器，用于产生旋转磁场。
转子结构
开关磁阻电机大学课件
特种电机及其控制
利用永磁体辅助起动的单相SR电动机
PM
PM
特种电机及其控制
2.1.4 SRD特点
1)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。
2)功率电路简单可靠 因为电动机转矩方向 与绕组电流方向无关，即只需单方向绕 组电流，故功率电路可以做到每相一个 功率开关。
i(q ) Us q -qon
Lmin
特种电机及其控制
2) 当q2q<qoff,L=Lmin+K(q-q2)，Us为+
Us
L di
dq
i dL
dq
[Lmin
K (q
-
q
2
)]
di
dq
iK
( Lmin
-
Kq
2
)
di
dq
Kq
di
dq
iK
ห้องสมุดไป่ตู้
( Lmin
-
Kq2 )
di
q1(q5) 转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置
q2 转子磁极前沿与定子磁极前沿相遇位置
q3 转子磁极前沿与定子磁极前沿重合位置
q4
转子凹槽前沿与定子磁极后沿重合位置 特种电机及其控制
SR电机绕组电感的分段线性解析式：
Lm in
L(q
)
K (q
Lm a x
-q2
)
Lm
in
Lmax - K (q -q4 )
特种电机及其控制
SRD特点：
3)各相独立工作，可构成极高可靠性系统 从 电动机的电磁结构上看，各相绕组和磁路相 互独立，各自在一定轴角范围内产生电磁转 矩。而不像在一般电动机中必须在各相绕组 和磁路共同作用下产生一个圆形旋转磁场， 电动机才能正常运转。
利用永磁体辅助起动的单相SR电动机
PM
PM
特种电机及其控制
2.1.4 SRD特点
1)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。
2)功率电路简单可靠 因为电动机转矩方向 与绕组电流方向无关，即只需单方向绕 组电流，故功率电路可以做到每相一个 功率开关。
i(q ) Us q -qon
Lmin
特种电机及其控制
2) 当q2q<qoff,L=Lmin+K(q-q2)，Us为+
Us
L di
dq
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[Lmin
K (q
-
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2
)]
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-
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2
)
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ห้องสมุดไป่ตู้
( Lmin
-
Kq2 )
di
q1(q5) 转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置
q2 转子磁极前沿与定子磁极前沿相遇位置
q3 转子磁极前沿与定子磁极前沿重合位置
q4
转子凹槽前沿与定子磁极后沿重合位置 特种电机及其控制
SR电机绕组电感的分段线性解析式：
Lm in
L(q
)
K (q
Lm a x
-q2
)
Lm
in
Lmax - K (q -q4 )
特种电机及其控制
SRD特点：
3)各相独立工作，可构成极高可靠性系统 从 电动机的电磁结构上看，各相绕组和磁路相 互独立，各自在一定轴角范围内产生电磁转 矩。而不像在一般电动机中必须在各相绕组 和磁路共同作用下产生一个圆形旋转磁场， 电动机才能正常运转。
开关磁阻电动机(1,2章)
i
2 m ax ut
LB
L
rt
其中：LB
Lmax
L
3
on
第28页
2、转矩计算： 瞬时相电流产生的电磁转矩。
Tem
1 i2 2
L
（电感不受电流大小的影响）
平均电磁转矩：
Tav
m1 T
T 1 i 2 L dt
0 2
第29页
第二节 准线性模型分析
准线性模型分析是将电机的磁特性曲线分段线性化。 1、电机的饱和磁特性及分段线性化
dt dt
dt i dt
“+”对应开关闭合； “-”对应于开关断开。
即： u
L
di dt
iR
ir
L
（电压平衡方程）
电源 自感 电阻 旋转电
电压 压降 压降 势压降
1、电流计算：
第25页
分段求解：
（1） 0 t t1
i u t (u L di
Lm in
dt
(2) t1 t t2 (R 0)
第35页
4）由式Tav可得： r u F / T
其中F为电机结构参数，m、θr、θ1、Lmax、Lmin及控制 参数θon、θoff的函数 ，表明SRM的固有机械特性与串励
直流电及相仿。
由准线性的分析过程可得
5）提高有效能量的方法。（增加W2）
_
a.加大电流ip,使 AB 线左移； _
b.加大磁链幅值使 BC 线上移；
Lm
ini
2 P
1 2
max LminiP
Lmax Lmin
2
V 2
2 r
off
1
1 on
Lm in
开关磁阻电动机调速系统课件
高可靠性
系统的可靠性将会得到进一步提升，通过采用高可靠性设 计、选用高可靠性元器件等手段，确保系统在复杂环境下 的稳定运行。
多功能集成
开关磁阻电动机调速系统将会实现更多的功能集成，例如 集成了驱动、制动、能量回收等功能，提高了系统的综合 性能和效率。
开关磁阻电动机调速系统的市场前景
市场需求持续增长
THANKS
感谢观看
开关磁阻电动机调速系统的特点
开关磁阻电动机调速系统具有结构简单、成本低、可靠性高、维护方便等优点。
此外，开关磁阻电动机调速系统还具有宽广的调速范围、优良的启动性能、易于实 现再生制动等优点。
但是，开关磁阻电动机调速系统也存在一些缺点，如转矩波动大、噪声大等问题， 需要进一步改进和完善。
02
开关磁阻电动机调速系统的工作原理
开关磁阻电动机调速系统的控制方式
开关磁阻电动机调速系统的控制 方式主要有两种：角度位置控制 （APC）和电流斩波控制（CCC
）。
角度位置控制是通过控制开关的 开通角和关断角来控制定子与转 子间磁场的角度位置，从而控制
电动机的转速。
电流斩波控制是通过控制电流波 形的斩波宽度来控制电动机的电 流和转矩，从而控制电动机的转
，提高系统的运行效率和可靠性。
03
绿色环保
随着环保意识的提高，开关磁阻电动机调速系统的设计将更加注重节能
减排、环保等方面的考虑，例如采用高效电机、降低噪音等措施，实现
系统的绿色化发展。
开关磁阻电动机调速系统的未来发展方向
宽调速范围
开关磁阻电动机调速系统的调速范围将会更加宽广，能够 满足不同领域的需求，例如高速列车、航汽车 领域中应用于车辆的空调系统、 座椅调节系统、车窗升降系统等 ，以及电动汽车的电池管理系统
系统的可靠性将会得到进一步提升，通过采用高可靠性设 计、选用高可靠性元器件等手段，确保系统在复杂环境下 的稳定运行。
多功能集成
开关磁阻电动机调速系统将会实现更多的功能集成，例如 集成了驱动、制动、能量回收等功能，提高了系统的综合 性能和效率。
开关磁阻电动机调速系统的市场前景
市场需求持续增长
THANKS
感谢观看
开关磁阻电动机调速系统的特点
开关磁阻电动机调速系统具有结构简单、成本低、可靠性高、维护方便等优点。
此外，开关磁阻电动机调速系统还具有宽广的调速范围、优良的启动性能、易于实 现再生制动等优点。
但是，开关磁阻电动机调速系统也存在一些缺点，如转矩波动大、噪声大等问题， 需要进一步改进和完善。
02
开关磁阻电动机调速系统的工作原理
开关磁阻电动机调速系统的控制方式
开关磁阻电动机调速系统的控制 方式主要有两种：角度位置控制 （APC）和电流斩波控制（CCC
）。
角度位置控制是通过控制开关的 开通角和关断角来控制定子与转 子间磁场的角度位置，从而控制
电动机的转速。
电流斩波控制是通过控制电流波 形的斩波宽度来控制电动机的电 流和转矩，从而控制电动机的转
，提高系统的运行效率和可靠性。
03
绿色环保
随着环保意识的提高，开关磁阻电动机调速系统的设计将更加注重节能
减排、环保等方面的考虑，例如采用高效电机、降低噪音等措施，实现
系统的绿色化发展。
开关磁阻电动机调速系统的未来发展方向
宽调速范围
开关磁阻电动机调速系统的调速范围将会更加宽广，能够 满足不同领域的需求，例如高速列车、航汽车 领域中应用于车辆的空调系统、 座椅调节系统、车窗升降系统等 ，以及电动汽车的电池管理系统
开关磁阻电机1.ppt
运动电动势 (转子位置改变)
机械运动方程：
d2
d
Te
J dt2
D dt
TL
式中 Te——电磁转矩； J—— 系 统 的 转 动 惯 量 ； K——摩擦系数；
TL——负载转矩。
电磁转矩：
SR电机的瞬时电磁转矩Te可由磁共能Wc导出：
Te
Wc (i, )
磁共能的表达式为：
Wc i (i, )di 0
SR电动机常用的相数与极数组合
相数
SR电机常用方案 34567
89
定子极数 6 8 10 12 14 16 18
转子极数 4 6 8 10 12 14 16
步进角(度) 30 15 9 6 4.28 3.21 2.5
相数与转矩、性能关系：
相数越大，转矩脉动越小，但成本越高，故常 用三相、四相，还有人在研究两相、单相SRM
5、需要根据定、转子相对位置投励。不能像普 通异步电机一样直接投入电网运行，需要与控制 器一同使用。
2.1.3 开关磁阻电动机的相数与结构
相数与级数关系
Ns 2km Nr Ns 2k)
1、为了避免单边磁拉力，径向必须对称，所以 双凸极的定子和转子齿槽数应为偶数。
2、定子和转子齿槽数不相等，但应尽量接近。 因为当定子和转子齿槽数相近时，就可能加大定 子相绕组电感随转角的平均变化率，这是提高电 机出力的重要因素。
各种不确定性干扰的新型控制策略 – 智能控制策略
• SR电机的无位置传感器控制 • • SR电机应用研究：电动车、发电机、一体化电机等
2.2 SR电机基本方程与性能分析
+
R1
i1
u1
d1/dt
-
+
开关磁阻电动机原理演示文稿
α 图5-26 不同 1 时相电流波形
(3)第三段 t2tt3(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/，续0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。
i Ust
Lk
r
Lt
(5-1(9i)0)
式中
LKLmi n L(11)
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。
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α1，不 同 α1的可能形成
不同的电流波形。 如图 5-26所示。
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
为
f
n 60
Nr
(5-10)
f Nrn 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
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 导最大的位置。
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。
转速的计算
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置的成本，而且大大提高了系 统的安全可靠性。
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i Ust
Lk r Lt
(5-1(9i)0)
式中
LKLmi n L(11)
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。
电力电子与电机系统控制研究所
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α1，不 同 α1的可能形成
如图5-22所示
电力电子与电机系统控制研究所
图5-22 开关磁阻电动机的基本结构
电力电子与电机系统控制研究所
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 导最大的位置。
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。
电力电子与电机系统控制研究所
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
不同的电流波形。 如图 5-26所示。
α 图5-26 不同 1 时相电流波形
电力电子与电机系统控制研究所
(3)第三段 t2tt3(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。
ห้องสมุดไป่ตู้
由于在这一区间仍是 L/，续0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。
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置的成本，而且大大提高了系 统的安全可靠性。
电力电子与电机系统控制研究所
开关磁阻电动机原理
电力电子与电机系统控制研究所
图5-21 开关磁阻电动机传动系统结构
电力电子与电机系统控制研究所
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，两个空间位置相对
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
电力电子与电机系统控制研究所
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。
电力电子与电机系统控制研究所
电感随转子位置而变时才存在，其方向与电感随转子
位置 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。
电力电子与电机系统控制研究所
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
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
i Us t
通过合理选择导L m通in 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。
电力电子与电机系统控制研究所
(2)第二段 t1 t t2(12)
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：
随转子位置角 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。
电力电子与电机系统控制研究所
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
图5-23 四相开关磁阻电动机原理接线图
电力电子与电机系统控制研究所
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随转子位置变化的
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
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
为
f
n 60
Nr
(5-10)
f Nrn 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
fD
mNr n 60
(5-12)
电力电子与电机系统控制研究所
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。
电感随转子位置 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
电力电子与电机系统控制研究所
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 Us Ld d tiiR i( 5r- 1L5)
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
的波形将如图 5-25所示，它可以分为五 段。
电力电子与电机系统控制研究所
图5-25 电动机工作时的相电流波形
电力电子与电机系统控制研究所
电流特性
(1)第一段 0tt1(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，/故 无0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