磁阻電動機(jī)SRM技術(shù)

SRM的定、轉(zhuǎn)子均為凸極齒槽結(jié)構(gòu)，定子和轉(zhuǎn)子鐵芯由硅鋼片迭壓而成，所以SRM具有結(jié)構(gòu)簡單堅固，控制性能良好以及效率高等優(yōu)良特性，因此，開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(Switched Reluctance Drive，簡稱SRD)雖然發(fā)展時間較短，但已經(jīng)成為交流變頻調(diào)速、無刷直流電機(jī)系統(tǒng)的有力競爭者。由于轉(zhuǎn)子上無繞組，也不加永久磁鐵，定子上有集中繞組，所以SRD還具有獨特的故障運行能力，高速及高溫下運行能力優(yōu)良，因此，特別適合惡劣的工作環(huán)境，如井下采煤機(jī)。SRM是一種典型的機(jī)電一體化電機(jī)，其控制非常靈活，很容易實現(xiàn)四象限運行。

SRM是SRD的執(zhí)行元件，其結(jié)構(gòu)和工作原理與傳統(tǒng)的交直流電機(jī)有著根本的區(qū)別。轉(zhuǎn)子既無繞組也無永磁體，定子極上繞有集中繞組。SRM可以設(shè)計成多種不同相數(shù)結(jié)構(gòu)，且定、轉(zhuǎn)子的極數(shù)有多種不同的搭配。

SRM的運行遵循"磁阻最小原理"，即磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合，而具有一定形狀的鐵心在移動到最小磁阻位置時，必使自己的主軸線與磁場的軸線重合。當(dāng)定子A-A'極勵磁時，所產(chǎn)生的磁力則力圖使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子極軸線3-3'與定子極軸線A-A'重合的位置，并使A相勵磁繞組的電感最大。若以圖中定、轉(zhuǎn)子所處的相對位置作為起始位置，則依次給A→B→C→D相繞組通電，轉(zhuǎn)子即會逆著勵磁順序以逆時針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。反之，若依次給C→B→A→D相通電，則電動機(jī)就會沿順時針方向轉(zhuǎn)動?？梢姡琒RM的轉(zhuǎn)向與相繞組的電流方向無關(guān)，而僅取決于相繞組通電的順序。另外，從圖1-2可以看出，當(dāng)主開關(guān)器件S 、S 導(dǎo)通時，A相繞組從直流電源 吸收電能，而當(dāng)S 、S 關(guān)斷時，繞組電流經(jīng)續(xù)流二極管D 、D 繼續(xù)流通，并回饋給電源 。

其定子與普通的同步電動機(jī)一樣，但轉(zhuǎn)子上沒有勵磁繞組。通常轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上有兩個對稱軸線，磁阻較小的稱為直軸，磁阻較大的稱為交軸。轉(zhuǎn)子表面有槽以安裝籠式繞組，供起動之用。若定子繞組接上電源而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，則在轉(zhuǎn)子籠式繞組中將感應(yīng)出電流并產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩而起動。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時，依靠磁阻轉(zhuǎn)矩可把轉(zhuǎn)子牽入同步，然后以同步轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)。磁阻轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生原理示意如圖。

圖a所示為圓柱形轉(zhuǎn)子，它的位置變化并不影響磁阻的大小及磁力線的分布,因而不產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩。圖b和c所示轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的對稱軸線與磁場軸線一致，磁力線與轉(zhuǎn)子軸線對稱，也不產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩。圖d所示轉(zhuǎn)子直軸軸線比定子磁場軸線滯后了一個角度θ(稱功率角)，于是氣隙磁場扭斜,磁力線所經(jīng)路徑被拉長,磁阻增大。被拉長了的磁力線力圖縮短，于是產(chǎn)生了磁阻轉(zhuǎn)矩。

磁阻電動機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單,制造容易，成本低廉,運行可靠等優(yōu)點，但只能在同步轉(zhuǎn)速下運行。廣泛應(yīng)用于需要轉(zhuǎn)速不變的電子設(shè)備、記錄儀表、攝影機(jī)、錄音機(jī)和復(fù)印機(jī)等設(shè)備中。功率從幾瓦到幾百瓦。

開關(guān)磁阻電動機(jī)傳動系統(tǒng)綜合了感應(yīng)電動機(jī)傳動系統(tǒng)和直流電動汽車電機(jī)傳動系統(tǒng)的優(yōu)點，是這些傳動系統(tǒng)的有力競爭者，其主要優(yōu)點如下:

1、開關(guān)磁阻電動機(jī)有較大的電動機(jī)利用系數(shù)，可以是感應(yīng)電動機(jī)利用系數(shù)的1.2~1.4倍。

2、電動機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)子上沒有任何形式的繞組;定子上只有簡單的集中繞組，端部較短，沒有相間跨接線。因此，具有制造工序少、成本低、工作可靠、維修量小等特點。

3、開關(guān)磁阻電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電流極性無關(guān)，只需要單向的電流激勵，理想上公率變換電路中每相可以只用一個開關(guān)元件，且與電動機(jī)繞組串聯(lián)，不會像PWM逆變器電源那樣，存在兩個開關(guān)元件直通的危險。所以，開關(guān)磁阻電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)SED線路簡單，可靠性高，成本低于PWM交流調(diào)速系統(tǒng)。

4、開關(guān)磁阻電動機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)形式對轉(zhuǎn)速限制小，可制成高轉(zhuǎn)速電動機(jī)，而且轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量小，在電流每次換相時又可以隨時改變相匝轉(zhuǎn)矩的大小和方向，因而系統(tǒng)有良好的動態(tài)響應(yīng)。

5、SRD系統(tǒng)可以通過對電流的導(dǎo)通、斷開和對幅值的控制，得到滿足不同負(fù)載要求的機(jī)械特性，易于實現(xiàn)系統(tǒng)的軟啟動和四象限運行等功能，控制靈活。又由于SRD系統(tǒng)是自同步系統(tǒng)運行，不會像變頻供電的感應(yīng)電動機(jī)那樣在低頻時出現(xiàn)不穩(wěn)定和振蕩問題。

6、由于SR開關(guān)磁阻電動機(jī)采用了獨特的結(jié)構(gòu)和設(shè)計方法以及相應(yīng)的控制技巧，其單位處理可以與感應(yīng)電動機(jī)相媲美，甚至還略占優(yōu)勢。SRD系統(tǒng)的效率和功率密度在寬廣的速度和負(fù)載范圍內(nèi)都可以維持在教導(dǎo)水平。

開關(guān)磁阻電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)SRD系統(tǒng)的主要缺點是:

1、有轉(zhuǎn)矩脈動。從工作原理可知，S開關(guān)磁阻電動機(jī)轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是由一些列脈沖轉(zhuǎn)矩疊加而成的，由于雙凸極結(jié)構(gòu)和磁路飽和非線性的影響，合成轉(zhuǎn)矩不是一個恒定轉(zhuǎn)矩，而有一定的諧波分量，這影響了SR電動機(jī)低速運行性能。

2、SR電動機(jī)傳動系統(tǒng)的噪聲與震動比一般電動機(jī)大。

3、SR電動機(jī)的出線頭較多，如三相SR 電動機(jī)至少有四根出線頭，四相SR電動機(jī)至少有五根出線頭，而且還有位置檢測器出線端。

上述缺點通過對電動汽車電機(jī)進(jìn)行精心設(shè)計，采取適當(dāng)措施，并從控制角度考慮采用合理策略可以得到改進(jìn)。

我國對開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究與試制起步于20世紀(jì)80年代末90年代初，取得了從基礎(chǔ)理論到設(shè)計制造技術(shù)多方面的成果與進(jìn)展，但產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用性研究工作相對滯后。由于SRD的產(chǎn)業(yè)化，人們通常將其產(chǎn)品稱為"開關(guān)磁阻調(diào)速電動機(jī)"。

開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要由開關(guān)磁阻電動機(jī)(SRM)、功率變換器、控制器、轉(zhuǎn)子位置檢測器四大部分組成，系統(tǒng)框圖如圖1?？刂破鲀?nèi)包含控制電路與功率變換器，而轉(zhuǎn)子位置檢測器則安裝在電機(jī)的一端，電動機(jī)與國產(chǎn)Y系列感應(yīng)電動機(jī)同功率同機(jī)座號同外形。

圖1 SRM系統(tǒng)框圖