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开关磁阻电机及其控制系统基本说明

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开关磁阻电机及其控制系统基本说明

发布日期:2014-12-10 12:00 来源:http://www。cizudianji。cn 点击:

  一、开关磁阻电机基本概念


  开关磁阻电机智能驱动系统(Switched Reluctance Drive :SRD),由开关磁阻电机本体(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。


  其电机部分由于是运用了磁阻最小原理,故称为磁阻电动机,又由于线圈电流通断、磁通状态直接受开关控制,故称为开关磁阻电动机。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,是开关磁阻电机的大脑,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,控制磁阻电机运行。控制器由微控制器、数字逻辑电路及接口电路等构成。


  二、开关磁阻电机发展概况


  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》,标志着开关磁阻电机正式得到国际承认。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电机在国外已经得到很大发展。产品已广泛应用于电动车驱动系统、航空航天飞行器、高转速电机、油田设备、通用工业(风机、泵、压缩机等)、牵引电机等领域,功率范围从10W到5MW不等,转速上限高达20万转。这也是国外这些领域的装备性能领先于我国的根本原因之一。


  我国对开关磁阻电动机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产品,应用于油田、纺织、冶金、机械、运输等行业的数十种生产机械和交通工具中。


  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开关磁阻电机全面进入各种应用领域是必然的,只是个时间问题。


  三、开关磁阻电机的基本结构和原理


  1、开关磁阻电机基本结构


  开关磁阻电机是开关磁阻电机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极结构的开关磁阻电机为例,具体结构如下图所示。

  

  2、开关磁阻电机基本工作原理


  以12/8极三相开关磁阻电机为例,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。


  当定子A相磁极轴线OA与转子磁极轴线Oa不重合时,如图3,开关S1、S2闭合,A相绕组通电,电动机内建立起以OA为轴线的径向磁场,磁通通过定子轭、定子极、气隙、转子极、转子轭等处闭合。通过气隙的磁力线是弯曲的,此时磁路的磁导小于定、转子磁极轴线重合时的磁导,因此,转子将受到气隙中弯曲磁力线的切向磁拉力产生的转矩的作用,使转子逆时针方向转动,转子磁极的轴线Oa向定子A相磁极轴线OA趋近。


  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极开关磁阻电机,δr=360°/8=45°。


  可见,连续不断地按A-B-C-A的顺序分别给定子各相绕组通电,电动机内磁场轴线沿A-B-C-A的方向不断移动,转子沿A-C-B-A的方向逆时针旋转。如果按A-C-B-A的顺序给定子各相绕组轮流通电,则磁场沿着A-C-B-A的方向转动,转子则沿着与之相反的A-B-C-A方向顺时针旋转。


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