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開關磁阻電機及其控制系統基本說明

開關磁阻電機及其控制系統基本說明

發布日期:2014-12-10 12:00 來源: 點擊:

  一、開關磁阻電機基本概念


  開關磁阻電機智能驱动系统(Switched Reluctance Drive :SRD),由開關磁阻電機本体(SRM)及其智能控制系统两大部分构成,是全球范围内最新一代高效电动机,兼具直流、交流两类调速系统的优点,是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统之后发展起来的最新一代无级调速系统,是集现代微电子技术、数字技术、电力电子技术、红外光电技术及现代电磁理论、设计和制作技术为一体的光、机、电一体化高新技术。


  其電機部分由于是運用了磁阻最小原理,故稱爲磁阻電動機,又由于線圈電流通斷、磁通狀態直接受開關控制,故稱爲開關磁阻電動機。由机壳、定转子、电机轴和转子位置检测器构成。智能控制系统,是開關磁阻電機的大脑,它综合转子位置、速度和电流等反馈信息及外部输入的命令,通过在线分析处理,决定控制策略,向功率变换器发出执行命令,控制磁阻電機运行。控制器由微控制器、数字逻辑电路及接口电路等构成。


  二、開關磁阻電機发展概况


  1980年,Leeds大学的Lawrenson及其同事们发表论文《开关磁阻调速电动机》,标志着開關磁阻電機正式得到国际承认。作为一种高性能的新型调速系统,SRD问世不久,引起各界的广泛关注。美国、加拿大等国竞相发展,并在系统一体化设计、微机应用、电动机电磁分析、功率元件应用、新型结构开发等方面取得了很大进展。


  目前,SRD電機在國外已經得到很大發展。男人的天堂已廣泛應用于電動車驅動系統、航空航天飛行器、高轉速電機、油田設備、通用工業(風機、泵、壓縮機等)、牽引電機等領域,功率範圍從10W到5MW不等,轉速上限高達20萬轉。這也是國外這些領域的裝備性能領先于我國的根本原因之一。


  我国对開關磁阻電動機调速系统的研究与试制起步于20世纪80年代,目前取得了从基础理论到设计制造技术多方面的成果与进展。迄今为止,已有十余家单位推出不同性能、不同用途的几十个系列和规格的男人的天堂,应用于油田、纺织、冶金、机械、运输等男人的天堂的数十种男人的天堂机械和交通工具中。


  但由于此种电机技术复杂,而我国从事此种电机研究的人员少、实际设计和应用人才少,加之国内过这种电机的理解和认识还不够深入,因此,还没有到普及的程度。然而,其划时代的优越性能决定了開關磁阻電機全面进入各种应用领域是必然的,只是个时间问题。


  三、開關磁阻電機的基本结构和原理


  1、開關磁阻電機基本结构


  開關磁阻電機是開關磁阻電機调速系统的执行单元,它的结构和工作原理与传统交直流电机有着根本的区别,其主要结构分为五个部分,分别为定子、转子、结构件、位置传感部分、散热结构部分。


  定子部分主要包括定子铁芯、绕组、槽楔、绝缘材料、电机引线等;转子部分包括轴、转子铁芯;结构件主要包括机壳、端盖、轴承盖、轴承、接线盒、接线柱、吊环等;位置传感部分包括位置传感器、导磁盘、信号线、密封结构等;散热部分包括风叶、风罩等。以SRM160L-12/8极结构的開關磁阻電機为例,具体结构如下图所示。

  

  2、開關磁阻電機基本工作原理


  以12/8极三相開關磁阻電機为例,上图2表示该电机的横切面和一相电路的原理示意图,Sl、S2是电子开关,Dl、D2是二极管,Us是直流电源。它的定子和转子为双凸极结构,极数互不相等,定子绕组可根据需要采用串联、并联或串并联结合的形式在相应的极上得到径向磁场,转子由硅钢片叠片构成,无绕组,转子带有位置检测器以提供转子位置信号,使定子绕组按一定的顺序通断,保持电机的连续运行。电机磁阻随着转子磁极与定子磁极的中心线对准或错开而变化,因为电感与磁阻成反比,当转子磁极在定子磁极中心线位置时,相绕组电感最大,当转子极间中心线对准定子磁极中心线时,相绕组电感最小。


  當定子A相磁極軸線OA與轉子磁極軸線Oa不重合時,如圖3,開關S1、S2閉合,A相繞組通電,電動機內建立起以OA爲軸線的徑向磁場,磁通通過定子轭、定子極、氣隙、轉子極、轉子轭等處閉合。通過氣隙的磁力線是彎曲的,此時磁路的磁導小于定、轉子磁極軸線重合時的磁導,因此,轉子將受到氣隙中彎曲磁力線的切向磁拉力産生的轉矩的作用,使轉子逆時針方向轉動,轉子磁極的軸線Oa向定子A相磁極軸線OA趨近。


  当OA和Oa轴线重合时,如图2,转子已达到平衡位置,即当A相定、转子极对极时,切向磁拉力消失,转子不再转动。此时断开A相开关S1、S2,闭合B相开关,建立以B相定子磁极为轴线的磁场,电动机内磁场沿顺时针方向转过30°,转子在磁场磁拉力的作用下继续沿着逆时针方向转过15°,转子磁极的轴线Ob向定子B相磁极轴线OB趋近,如图4。依此类推,定子绕组A-B-C三相轮流通电一次,转子逆时针转动了一个转子极距δr,对于三相12/8极開關磁阻電機,δr=360°/8=45°。


  可見,連續不斷地按A-B-C-A的順序分別給定子各相繞組通電,電動機內磁場軸線沿A-B-C-A的方向不斷移動,轉子沿A-C-B-A的方向逆時針旋轉。如果按A-C-B-A的順序給定子各相繞組輪流通電,則磁場沿著A-C-B-A的方向轉動,轉子則沿著與之相反的A-B-C-A方向順時針旋轉。


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