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1、第12章 开关磁阻电动机,12.1 概述 12.2 开关磁阻电机系统的组成 12.4 开关磁阻电机的基本方程 12.3 开关磁阻电机的运行原理 12.5 基于线性模型的开关磁阻电机分析 小结,12.1 概 述,通常所说的开关磁阻电机， 实际上是指由磁阻电机本体和控制器所组成的系统。开关磁阻电机驱动系统（Switched Reluctance Drive，SRD）集开关磁阻电机（Switched ReluctanceMotor，SRM； 也称变磁阻电机Variable Reluctance Motor， VRM）本体、 微控制器技术、 功率电子技术、 检测技术和控制技术于一体， 是一种具有典型机
2、电一体化结构的交流无级调速系统。,SRM尽管本体结构简单， 但必须与控制器一同使用， 而且控制起来也相当复杂。 为了给各相绕组施加适当的励磁以获得转矩， 必须检测转子的位置， 根据定、 转子相对位置投励。 正是微控制器、 功率电子器件、 检测手段和控制技术的发展， 才使得开关磁阻电机具有了一定的竞争力。 同时， 开关磁阻电机系统也存在着转矩脉动较大， 导致噪声及特定频率下的谐振等缺点。 虽然如此， 但由于SRD具有电机结构简单、 坚固， 维护方便甚至免维护， 启动及低速时转矩大、 电流小， 高速恒功率区范围宽、 性能好， 在宽广转速和功率范围内都具有高输出和高效率而且有很好的容错能力等优点，
3、在工业通用设备、 伺服与调速系统、 牵引系统和航空航天等领域得到了广泛应用。,术语开关磁阻电机体现了这种电机系统的两个基本特征。 一是开关性， 电机各相绕组通过功率电子开关电路轮流供电， 始终工作在一种连续的开关模式； 二是磁阻性， 电机定、 转子间磁路的磁阻随转子位置改变， 运行遵循磁路磁阻最小原理， 即磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合， 因磁场扭曲而产生切向磁拉力， 是真正的磁阻电机。 通过对一台SRM的定子各相有序地励磁， 转子将会作步进式旋转， 每一步转过一定的角度。,开关磁阻电机的这些特征类似于反应式步进电动机，但从设计目标、控制方式和运行特点来看，SRD与步进电机有较大差别。首先，步
4、进电动机常用于位置开环系统，绕组按既定规律换相，轴的运动服从绕组的换相，转子在定子磁极轴线间步进旋转，作单步或连续运行，将输入的数字脉冲控制信号转换成机械运动输出；而SRD常用于调速传动系统，SRM的绕组根据转子位置换相，始终运行在自同步状态，因而SRD有转子位置检测环节来实现闭环控制，控制器根据转子位置向功率驱动器提供相应的开/关信号，不会出现步进电机中的失步现象。其次，步进电机的设计要求是输出较高的位置精度；而SRD的设计要求则为变速驱动，转矩可平滑调节。最后，步进电机通常只作电动运行，仅通过控制脉冲频率的调节来改变转速；而SRD中的调速控制变量较多，既可采用对每相主开关器件开通角和关断角
5、的控制，也可采用调压或限流斩波控制，易于构成性能优良的调速系统，并且可以运行在制动和发电状态。,12.2 开关磁阻电机系统的组成,一般来说，开关磁阻电机系统是由开关磁阻电机、功率变换器（开关电路）、控制器、位置及电流检测等部分组成，开关磁阻电机系统框图如图121所示。,图121 开关磁阻电机系统框图,12.2.1 开关磁阻电机本体 SRM的结构和工作原理与反应式步进电动机相似，遵循磁通总是要沿着磁阻最小路径闭合的原理产生磁拉力形成转矩磁阻性质的电磁转矩，因此，它的结构原则是转子旋转时磁路的磁阻要有尽可能大的变化。所以，开关磁阻电机定子和转子都是凸极结构，属于双凸极可变磁阻电机。定子和转子铁心均
6、用硅钢片冲成一定形状的齿槽，然后叠压而成。定子极上绕有集中绕组，径向相对极上的绕组串联或者并联成一相，而转子上既无绕组也无永磁体。,SRM可以设计成多种不同的相数。研究表明，低于三相的开关磁阻电机没有自启动能力，因此从自启动能力及正反转考虑，一般选择相数m3。相数多则电机步距角小，有利于减小转矩脉动，但其结构复杂，且主开关器件多，成本高。目前最常用的开关磁阻电机是三相或四相。 SRM定、转子齿数有不同的搭配，且定、转子齿数不等。同时，为了避免单边磁拉力，电机的径向必须对称，所以双凸极的定子和转子齿/槽数Zs和Zr应为偶数，且比值Zs/Zr不应为整数。当然，ZsZr，但Zs和Zr应尽量接近，这是
7、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，提高电机的出力。,表121 SRM常见的定、转子齿数组合,SRM按照每极齿数可分为单齿结构和多齿结构，所谓多齿结构是指在定、转子的大齿表面开有多个小齿。一般来说，多齿结构单位铁心体积出力要大一些，但其铁心和主开关元件的开/关频率和损耗也增加了，这将限制开关磁阻电机的高速运行和效率。 电机的结构形式有轴向气隙、径向气隙和轴向径向混合气隙结构以及内转子和外转子结构。,12.2.2 功率变换器 功率变换器是直流电源和SRM的接口，起着将电能分配到SRM绕组中的作用。控制器通过功率变换器调节SRM的输出，确保系统达到预期的控制目
8、标。因此，功率变换器主电路拓扑结构的选择和驱动及其保护对SRD系统可靠、高效运行至关重要。 SRD中常用的功率变换器有不对称半桥型、双绕组型、分裂电源型、H桥型、公共开关型、电容转储型等主电路拓扑结构，可以采用IGBT、功率MOSFET、GTO等开关器件。图122所示为开关磁阻电机中几种功率变换器主电路的拓扑结构，图中Si代表开关器件。,图122 开关磁阻电机功率驱动主电路拓扑结构,在图122(a)所示的不对称半桥电路中，每相有两只主开关管和两只续流二极管。电流斩波控制时可以同时关断两个主开关管，也可以只关断一个。以A相来看，当两只主开关管S1和S2同时导通时，电源Us向电机A相绕组供电；仅将
9、S1或S2关断时，强制绕组短路，电流就将衰减；而当S1和S2同时关断时，相电流沿图中箭头方向经续流二极管VD1和VD2续流，绕组通过二极管连接到负极性电源，电流衰减就更迅速，同时电机磁场储能以电能形式迅速回馈电源，实现换相。该电路工作原理简单，各相间可独立控制，可控性强，电压利用率高，可用于任何相数、任何功率等级的情况，在高电压、大功率场合下有明显的优势。应当注意，这种结构能够再生（即将能量返回供电电源），但不能供给相绕组负的电流。然而，由于SRM中的转矩正比于相电流的平方，所以不需要负的绕组电流。,在图122（b）所示的双绕组型电路中，每相仅需一个开关管和一个二极管。每相由两个独立的绕组构成
10、，两个绕组在磁方面紧密耦合（可以通过同时绕制两个绕组来得到），可以看做变压器的一次侧和二次侧绕组。这一结构通过采用双绕组实现再生。从A相来看，当开关S1闭合时，一次侧绕组加电压，励磁该相绕组；打开开关时，在二次侧绕组中就感应电势（注意图中用圆点所指示的同名端），沿对VD1正向偏置的方向。因此，电流就从一次侧绕组转移到二次侧绕组，使A相中的电流衰减到0而能量返回电源。虽然这一结构仅需要单一直流电源，但它要求开关必须承受超过2Us的电压（超过的程度由当电流从一次侧转移到二次侧绕组时，在一次侧漏电抗上产生的电压决定），且在电机中需要更复杂的双线绕组。此外，这种结构中的开关必须具有缓冲电路（一般由电阻
11、电容的组合构成），以保护其免受瞬时过电压。引起这些过电压的原因是，虽然双绕组的两个绕组绕制成尽可能紧密地耦合，但不可能达到理想化的耦合，会有能量储存在一次侧绕组的漏磁场中，而当开关打开时，能量必须耗散掉。,12.2.3 转子位置检测 转子位置检测的目的是确定定子、转子的相对位置，反馈至逻辑控制电路，以确定对应相绕组的通、断，从而实现换相。 位置检测可以由放置在开关磁阻电机本体中的位置传感器来完成，通过传输线将信号送到控制器，向控制器提供转子位置的准确信息。通常采用的位置传感器有光敏式、磁敏式、接近开关式及霍尔元件式。另外，还有采用定子绕组瞬态电感信息的波形检测法及基于状态观测器等的无位置传感器
12、检测转子位置的方案。 位置信号的质量是开关磁阻电机系统稳定可靠工作的重要基础之一。该信号的质量除与传感器的精度以及安装位置的准确度有关外，还与信号传输线的类型和长度有关。在一些特定的工况，因为控制的需要，必须使控制器与电机保持一定的距离，致使位置线过长，给系统的稳定工作带来一定的困难。,12.2.4 电流采样 SRM相电流检测是电流控制的需要，也是过电流保护的需要。SRM相电流的基本特点是单向、脉动以及波形随运行方式、运行条件不同而变化很大。由此可知，SRD中电流检测应具备：快速性好，从电流检测到控制主开关器件动作的延时应尽量小；被测主电路（强电部分）与控制电路（弱电部分）间应有良好的隔离，且
13、有一定的抗干扰能力；灵敏度高，检测频带范围宽，可检测含有多次谐波成分的直流电流；单向电流检测，在一定的工作范围内具有良好的线性度。 电流检测通常采用霍尔电流传感器。,12.3 开关磁阻电机的运行原理 与反应式步进电动机相同，SRM的运行遵循磁阻最小原理，即磁力线总要沿着磁阻最小的路径闭合。根据这一原理，给定子的某一相施加励磁电流后，离该相最近的一对转子齿将企图与该定子通电相磁极的轴线对齐，使得磁通路径上具有最小的磁阻。按一定次序轮流给定子各相施加励磁时，转子的这一转动趋势就会持续下去，从而获得连续转矩。 以三相12/8极开关磁阻电动机为例，假设电机理想空载，图123所示为该电机的A相绕组及其与
14、电源的连接。图中S1、S2为主开关管（功率器件）；VD1、VD2为续流二极管；U为直流电源。定子上属于同一相的4个线圈并联组成一相绕组。,图123 开关磁阻电动机的工作原理图,设当A相磁极轴线OA与转子齿轴线Oa为图123所示位置时，主开关管S1、S2导通，A相绕组通电，电动机内建立起以OA为轴线的径向磁场，磁力线沿定子极、气隙、转子齿、转子轭、转子齿、气隙、定子轭路径闭合。通过气隙的磁力线是弯曲的，此时磁路的磁阻大于定子极与转子齿轴线重合时的磁阻，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，转子齿的轴线Oa向定子A相磁极轴线OA趋近。当OA和Oa轴线重
15、合时，转子已达到平衡位置，即当A相定子极与转子齿对齐的同时，切向磁拉力消失。此时关断A相开关管S1、S2，开通B相开关管，即在A相断电的同时B相通电，建立以B相定子磁极为轴线的磁场，电机内磁场沿顺时针方向转过30，而转子在磁场磁拉力的作用下继续沿着逆时针方向转过15。,依此类推，定子三相绕组按ABC的顺序轮流通电一次，定子磁极产生的磁场轴线顺时针移动了330的空间角，转子则按逆时针方向转过一个转子齿距r(r=360/Nr，Nr为转子齿数)。连续不断地按ABCA的顺序分别给定子各相绕组通电，电动机内磁场轴线沿ABCA的方向不断移动，转子则沿ACBA的方向逆时针旋转。 如果按ACBA的顺序给定子各
16、相绕组轮流通电，磁场将沿着ACBA的方向转动，转子则沿着与之相反的ABCA方向顺时针旋转。SRM的转向与定子相绕组的电流方向无关，仅取决于对相绕组的通电次序。,在一定的负载转矩下调速运行时，设功率变换器的主开关管（即绕组通电）频率为f，则SRM的转速可表示为,(121),12.4 开关磁阻电机的基本方程 12.4.1 电势平衡方程 施加在各定子绕组端的电压等于电阻压降和因磁链变化而产生的感应电动势之和。第k相绕组电势平衡方程为,(122),各相绕组磁链为该相电流与自感、其余各相电流与互感以及转子位置角的函数。设m相电机中有q相同时通电，则,k=(i1,i2,ik,iq,),(123),由于SRM各相之间的互感相对于自感来说甚小，为了便于计算，分析时一般忽略相间的互感，即不考虑多相绕组同时通电时各相之间产生的相互影响。磁链方程可近似为,k=k(ik,),(124),磁链可以用电感和电流的乘积表示，即,k=Lk(ik,)ik,
