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1、- 1 -偏磁式磁阻电机基本原理 偏磁电机之一朱正风 （Zheng Feng ZHU）偏磁式磁阻电机(简称偏磁电机)，是磁阻电机的改进。其原始结构是在磁阻电机基础上，仅仅通过改进绕组，把每相绕组一分为二，分别作为励磁型偏磁绕组和驱动绕组而成。偏磁绕组通直流，驱动绕组用交流驱动。在此基础上再把励磁绕组去除，把定子铁芯稍作改变，用永磁偏磁替代励磁，便是永磁型偏磁电机了。磁路混合式磁阻电机和单凸极磁阻电机分别都是偏磁电机中的一种典型结构。一、概述磁阻电机(又称反应式电机)，一般被认为脉振大、效率低、驱动复杂，因此不象直流电机、异步电机、同步电机那样广泛应用，由于笔者对步进电机相对更加熟悉，以下的磁阻
2、电机主要以步进电机为例。开关磁阻电机等一般磁阻电机就当作大步距角步进电机考虑。近几十年来，开发无刷直流电机的同时，也发展了开关磁阻电机。但到目前为止对磁阻电机的研究还不够深入，理论还不够完善，性能指标也不够理想。相比直流电机单相力矩的表达式 ： M = C m I B S cos 式中：Cm ：力矩系数I ：电流B ：磁通密度S ：线框面积 ：线框平面与磁力线交角若使电流 I 为两相以上正弦交流电，通入相应两相以上绕组，式中力矩波动可以消除；再把定、转子位置、关系互逆，就成为同步电机了。多相正弦交流电，奠定了旋转磁场理论，可以解释直流电机、同步电机、异步电机等三大类电机的原理。相对恒稳磁场与旋
3、转磁场间的相互作用，是上述三类电机的基本特点。磁阻电机作为第四类电机，一直是以直流脉动电流作为驱动方式，其无脉振连续运转的基本理论尚未建立。磁路混合式电机，也曾被归类于同步电机，其核心理论至今没有完整解释，结构也不能有重大突破。经典磁阻式步进电机理论往往强调其步进原理， 重视静力矩，过多地研究从一步过渡到另一步的脉动过程，而偏偏忽略了其连续运转的电机特性。所以说步进电机的理论，不完全符合电机理论。步进电机的结构，既使采用调频调压驱动电路，也仅是减小脉振的幅度；传统的平滑、细分驱动，不过是用梯形波取代矩形波，电机低速运行的角速度，始终处于忽快忽慢周期变化状况。 所以尽管磁阻电机结构简单、可靠、便
4、宜，但仍不受重视。二、原理- 2 -我们先看看普通步进电机工作状况。图 1 以三相磁阻电机为例，(b) 为标准电路，(a) 为驱动电流波形。在当前斩波式驱动电路普遍使用的情况下，低速时，电机电流相当于矩形波。矩形波可用频谱分析为：直流+ 基波+ 3 次谐波+ 5 次谐波其中直流成分，保证总磁通始终为单向磁通，是磁阻电机正常工作所必须的。 基波成分，相当于交流电机中，产生旋转磁场的那部分做功能量。三次、五次等高次谐波成分，是造成电机脉振、发热的有害成分。保留直流成分和基波成分，消除谐波成分，磁阻电机就有可能在性能上与其它电机相媲美。因此，设置偏磁绕组，专门提供直流成分；驱动绕组采用星形对称连接法
5、，利于基波生成，抑制高次谐波。三、改进要使这些理论成立，就有必要对磁阻电机传统结构进行一些改革。具体作法如下：(一)、改变绕组结构，将每一个绕组都一分为二，改成两个独立绕组，一个为驱动绕组，另一个为偏磁绕组。 以三相电机为例，如图2 所示，将各相驱动绕组尾端全部连在一起，并使之空置，首端引出，各为A、B、C端点（相当于三相交流电机的星形接法）。各相偏磁 绕组首、尾串联，引出、两端点。偏磁绕组的这种接法很类似于三相交流电机里的三角形接法，故也称之为角形联接。总之可简称为“星-角” 联接法。同理，三相以上的多相电机，“星-角 ” 联接法同样适用。作为一个实例，曾改制了一台原常州电讯电机厂（后来叫宝
6、马集团）生产的110反应式步进电机，该电机刚好是双线并绕，只需简单将其接线改动后分为两个绕组，接成“星-角”联接后，便可直接替代同尺寸的混合式步进电机，用混合式步进电机的交流驱动电路，原有机械阻尼器可以拆除，运行效果很好，主要缺点就是发热大了一点。- 3 -(二)、改变铁芯齿的分布状况。步进电机名称应该叫“电磁谐波减速电机”。步进电机是由螺线管棘轮步进器发展而来，叫这个名字本不该有异议，但设计上把其当成间歇运动式电机，这就不对了。从棘轮步进器发展成轴向分相电机，继而到径向分相，无不留下间歇式传动的烙印。一个间歇式传动机构怎么能实现无脉振的平滑传动呢？定、转子同样齿数，定子每相只是强行向前移位
7、1/m 齿距，转子每一步都在棘轮式跳跃着前进，不但振荡，还出现所谓干涉现象。所以会有一种理论认为，三相电机选齿槽比为 0.375 就是要削去齿的重叠。这里提出齿的改进，就是要重新建立一个机械模拟，把跳跃式运动改为连续的齿与齿间的“啮合”运动。 图 3 就是这种机械模拟，定、转子存在一个齿差 K，叫 K 齿差谐波齿轮模式。P 等于电机每相定子有效工作磁极对数：K = 2P 。这种结构有利于吸收相切换时的振荡，使之减小到一个传动比的倍数：i = K / Nr (式中 i 为传动比，Nr为转子齿数)。混合式电机也是采用这种模式，混合式电机一对磁极中，有效工作磁极数仅一个，一般 K = P 。经上述两
8、项改进后的电机，称为偏磁式磁阻电机，简称偏磁电机。偏磁电机与前面所述直流、同步、异步三类电机一样，也具有相对稳恒磁场与旋转磁场间相互叠加作用的基本特点。- 4 -四、偏磁偏磁的名称来自录音磁头。录音磁头为了减小失真，改善记录效果，采用偏磁电路；耳机为了提高放音灵敏度，也采用了偏磁电路。录音磁头的偏磁电路，有直流偏磁与交流偏磁两种形式；耳机的偏磁，有直接偏磁与正交偏磁两种磁路结构。混合式步进电机采用的就是正交偏磁，其特点是偏磁磁通与驱动磁通，在磁轭内正交通过，各行其道，在极齿上相互叠加。实际上混合式电机也是偏磁电机的一种。偏磁电机采用直接偏磁，偏磁与驱动共用磁路，互相影响，互相干扰，只有靠外电路
9、巧妙的连接，才使干扰与影响基本消除。“星角”连接法，是其中的一种可行方案。还有其它接法，后面再作介绍。偏磁电机也可以使用交流偏磁(类似于串激式电机)，使用交流电源或脉动电源工作。此时开关元件，就可使用双向可控硅一类廉价、简单的驱动元件了。录音机的交流偏磁原理，偏磁频率必须比纪录频率高一个数量级。同样，偏磁电机的驱动频率，比交流电源频率低一个数量级。这种方式仅适用于一些特殊的低速驱动场合。五、分析看图 2 电机偏磁绕组的工作状况。因为修正后的齿槽，使磁阻按正弦规律变化，理论上，在三相平衡的情况下，不论转子转到什么位置，串联的总电抗总是不变的。我们从， 端口通入一直流电，也可以证明，不论转子转速如
10、何，偏磁绕组各相感生电势之和接近为零（有关证明可参考交流三相电机三角形接法的理论）。再考虑驱动绕组采用星形接法，中点空置，所以偏磁绕组工作电流变化时，星形接法能使任意二相感应到的电压相抵消，所以从，三个端点中任两端间不受影响。 反之驱动绕组任两端口间电压或电流发生变化时， 都不会影响，两端（有关证明可参考交流三相变压器主、副方采用“三角形星形”接法的理论）。这就是：“星角”联接法磁阻正弦变化规律，在此发生的特殊效用。对于三相以上电机，分析结果与三相电机一样，在此从略。若新绕组匝数等于原绕组，偏磁绕组与驱动绕组可采用串联接法如图 4 所示。图中开关为电子开关，可以是可控硅、功率三极管、功率场效应
11、管等。令电流正向流入电机端口时，写作：A，流出 A 端口时，写作： ，（B，C 端口类同）。我们令开关Ka、Kb、Kc通电，Kb、Kc、Ka不通，此时通电状况写作： 。类似我们可写出三相拍通电的相序如下：- 5 -（一）、波形如果图 4 所示 Icc是一恒流源电源，可画出上述三相 12 拍通电的电流波形图，如图5 所示。图 6、图 7 为三相六拍通电电流波形。- 6 -表面上看起来，这似乎只是一个省力不省功的方案。随着分析的进一步展开，将发现偏磁电机理论的提出，完善了磁阻电机理论，成倍的降低了视在驱动功率，也同时把系统成本进一步降低，拓展了其应用范围，把磁阻电机的性能指标提高到接近理想的程度。
12、从图 5 看到，驱动相电流是交变的，叠加偏磁相直流后，等效电流波形很象细分电路的波形。图画出传统的标准三相细分电路波形加以分析。- 7 -从图 8 电流波形看，每次电流的升 、降都仅在一相中发生，其它二相等待不变；图5 每个台阶电流的变化，都有二相对称发生，因此电流波形的对称性好，谐波成分小。图 8 波形从整体上看，充其量仅是近似梯形波；图 5 波形看起来就很近似于正弦波，因此基波成分大，谐波成分小。看起来，三相四细分电路使步进电机每个工作周期有 24 个节拍工作，步距是很细了，但细分电路毕竟是从脉动步进这种思维下产生的，再加上磁路的饱和等非线性因素后，实际上的步进仍然是一大步，一小步，快一步
13、，慢一步，摇摇晃晃地往前走。终究解决不了脉振的问题。偏磁式电机虽然每个周期只有 12 个节拍，但其运行理论是建立在旋转磁场连续运行的电机理论上的，这样才能从根本上改善低速脉振问题。（二）、阻尼这里仅从电阻尼的角度来分析。多相激磁阻尼的作用已为实践所证实。所谓多相激磁是利用互感、磁阻尼的综合作用来改善阻尼。图 5、6、7、三图分别叠加直流分量后，都等效于永远有 1.5+0.75=2.25 相激磁。而图 3(a) 所示波形，激磁数在相与相间变化，因而阻尼忽强、忽弱，实测运行时一大步，一小步。图所示细分电路，其激磁也是在相与相之间逐步变化，阻尼也不太稳定。偏磁电机的反电势能加强阻尼效果。偏磁电机的电
14、压简化方程式：式中右边第四项是偏磁磁势产生的反电动势，传统磁阻电机没有这一项。右边第二项称变压器电势，在磁阻电机中所占比例达一半。偏磁电机把驱动电流减小一倍，前三项都减小了一半，新增加的第四项使反电势相对增强，补充了第三项反电势太弱小的缺点。相对强大的反电势能产生足够的电压反馈，改善电流波形，有效吸收谐波，抑制振荡，阻尼效果相似于同步电机。在图 4 所示电路中，如果接入 C2电容，考虑到 Icc为恒流源，电路能自动使电机工作于调频调压状态，进一步加强阻尼作用，减小脉振。当然加入 C2后，会使过渡过程加长，不利于快速反应。图 4 中，接入 C1电容能短接 3 次谐波分量，进一步加强阻尼，减小过冲
15、。即使不接 C1、C 2电容，偏磁电机本身阻尼也足够，不需要外加机械阻尼。（三）、快速 要实现对比，首先要满足均等条件。普通磁阻电机采用图 1 单极性六拍驱动方式，偏磁电机接成图星形双极性驱动方式。前者阻抗低，电流大，后者阻抗高，驱动电流小，所以前者电压为 U 时，后者空载电压为 1.5U；前者采用图 1(a)所示六拍驱动方式；后者也用图 6(或图 7)所示六拍驱动方式。偏磁电机把直流成分，分解出来，图 4 所示与驱动部分串联的供电方法，两端压降仅几伏而已，相对几百伏的电源电压根本不算什么。图 9 画出几个等效图，以便进一步分析其电流变化状况。- 8 -看图6，每相导通时间有2拍，关断续流时间
16、只有1拍(如A相的AB-AC-BC ；再看图1，每相导通有3拍，关断时间也有3拍，合起来有6拍。但图1中电流幅值是 I，而图6中单向电流幅值仅是0.5 I，当二者绕阻匝数一样时，平均电流变化比率也一样。后者相电压仅是前者的0.75 ，照此比较，偏磁电机高频特性只及磁阻电机的0.75 ，但实测结果，偏磁电机高频特性并不比磁阻电机差。究其主要原因有3条：1、 从标准三相正弦电流波原理可知，形成旋转磁场的最大有效值，仅为电流幅值的 0.75。偏磁电机用图 6所示 6拍驱动方式，此时相电流仅需额定相电流的 0.866倍，与磁阻电机就可以等效了。2、 效 率 不同。看前面 “阻尼 ”一节的电压方程式右边前三项，是磁阻电机原有成分，第 4项是偏磁产生的反电动势 (与同步电机是一样的 ) ； 前 3项降低一倍 (代表低效 率 的 70%部份 )，后一项反电动势部分 (假设
