開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理

開關(guān)磁阻電動機(jī)有兩個基本特征： 1）開關(guān)性， 開關(guān)磁阻電動機(jī)必須工作在一種連續(xù)的開關(guān)模式； 2）磁阻性， 開關(guān)磁阻電機(jī)為雙凸極可變磁阻電機(jī)， 它的結(jié)構(gòu)原則是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時磁路的磁阻要有盡可能大的變化。其實(shí)常用的永磁電機(jī)由于轉(zhuǎn)子上嵌入了永磁體，也造成了轉(zhuǎn)子凸級磁阻變化，因而永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩中也包含了磁阻轉(zhuǎn)矩，但是磁阻轉(zhuǎn)矩在永磁電機(jī)中占比不大，所以一般忽略了這種轉(zhuǎn)矩成分。

一、開關(guān)磁阻電機(jī)本體結(jié)構(gòu)

開關(guān)磁阻電機(jī)的定、 轉(zhuǎn)子的凸極均由普通硅鋼片疊壓而成，這種加工工藝可盡可能地減小電機(jī)的渦流及磁滯損耗。轉(zhuǎn)子極上既沒有繞組也沒有永磁體，更沒有換向器、滑環(huán)等， 定子極上繞有集中繞組， 徑向相對的兩個繞組串聯(lián)構(gòu)成一相， 電機(jī)整體結(jié)構(gòu)簡單。

開關(guān)磁阻電機(jī)根據(jù)需要可設(shè)計成不同的相數(shù)， 按相數(shù)來分有單相、兩相、 三相、四相及多相磁阻電機(jī)，但低于三相的開關(guān)磁阻電動機(jī)一般沒有自啟動能力。 電機(jī)的相數(shù)越多，步距角就越小， 就越有利于減小轉(zhuǎn)矩脈動，但是相數(shù)多， 要用的開關(guān)器件就多，結(jié)構(gòu)就越復(fù)雜，成本相應(yīng)的也會增高，目前最常用的是三相和四相電機(jī)。 定、轉(zhuǎn)子的極數(shù)也有不同的搭配，例如三相開關(guān)磁阻電動機(jī)有 6/4 結(jié)構(gòu)和 12/8 結(jié)構(gòu)，四相開關(guān)磁阻電動機(jī)多是 8/6 結(jié)構(gòu)等。

二、開關(guān)磁阻電機(jī)工作原理

開關(guān)磁阻電機(jī)是利用轉(zhuǎn)子磁阻不均勻而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，又稱反應(yīng)式同步電動機(jī)，其結(jié)構(gòu)及工作原理與傳統(tǒng)的交、直流電動機(jī)有很大的區(qū)別。它不依靠定、轉(zhuǎn)子繞組電流所產(chǎn)生磁場的相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，而是依靠“磁阻最小原理”產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，即：“磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉合，從而產(chǎn)生磁拉力，進(jìn)而形成磁阻性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩”和“磁力線具有力圖縮短磁通路徑以減小磁阻和增大磁導(dǎo)的本性”。

開關(guān)磁阻電機(jī)的磁阻隨著轉(zhuǎn)子凸極與定子凸極的中心線對準(zhǔn)或錯開而變化，因?yàn)殡姼信c磁阻成反比，當(dāng)轉(zhuǎn)子凸極和定子凸極中心線對準(zhǔn)時，相繞組電感最大，磁阻最小，當(dāng)轉(zhuǎn)子凹槽和定子凸極中心線對準(zhǔn)時，相繞組電感最小，磁阻最大。下面以三相 12/8 極開關(guān)磁阻電機(jī)為例進(jìn)行說明，圖 2 表示該電機(jī)的一相電路的原理示意圖， S1、S2 是電子開關(guān)，D1、D2 是二極管，E 是電源。

圖 2 開關(guān)磁阻電機(jī)的工作原理

假設(shè)開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子在圖示位置時，開關(guān) S1、S2 合上， A 相繞組通電，該相通過直流電源 E 進(jìn)行勵磁，電機(jī)內(nèi)將建立起以 OA 為軸線的徑向磁場，磁通通過定子軛、定子極、氣隙、轉(zhuǎn)子極、轉(zhuǎn)子軛等處閉合。通過氣隙的磁力線是彎曲的，此時磁路的磁阻大于定、轉(zhuǎn)子磁極軸線重合時的磁阻，因此，轉(zhuǎn)子將受到氣隙中彎曲磁力線的切向磁拉力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的作用，使得轉(zhuǎn)子磁極的軸線 Oa 向定子 A 相磁極軸線 OA 運(yùn)動，并受到該方向的力矩作用，即逆時針方向。等Oa運(yùn)動到與OA軸線重合，磁阻最小，A相將不再產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，此時應(yīng)換一相導(dǎo)通，比如B相，則轉(zhuǎn)子將逆時針轉(zhuǎn)動另一個步進(jìn)角。如果連續(xù)不斷地按 A－B－C的順序分別給繞組通電，則電機(jī)轉(zhuǎn)子會逆著勵磁順序以順時針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。反之，依次給C－B－A相通電，則電機(jī)會順時針方向轉(zhuǎn)動。開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)向與相繞組的電流方向無關(guān)，只取決于相繞組通電的順序。

圖3 開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行示意圖

三、開關(guān)磁阻電機(jī)特點(diǎn)

開關(guān)磁阻電機(jī)在近20年來日益得到關(guān)注，正是因?yàn)槠涮攸c(diǎn)明顯，優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)同樣突出，先說說優(yōu)點(diǎn)。

1.系統(tǒng)效率高、節(jié)能效果好：在寬廣的調(diào)速和功率范圍內(nèi)，開關(guān)磁阻電機(jī)整體比異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)效率高，在低速或輕載工作的狀態(tài)下效率能夠高10% 以上;與齒輪電機(jī)減速、二級皮帶輪減速、電磁調(diào)速等系統(tǒng)相比，開關(guān)磁阻調(diào)速電機(jī)節(jié)電效果更明顯。

2.起動轉(zhuǎn)矩大，起動電流?。洪_關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)從電源側(cè)吸收較少的電流，在電動機(jī)側(cè)可得到較大的起動轉(zhuǎn)矩，起動轉(zhuǎn)矩達(dá)額定轉(zhuǎn)矩的200% 時、起動電流僅為額定電流的30%，比之交流電動機(jī)的300% 電流獲得100% 的轉(zhuǎn)矩的性能，優(yōu)勢非常明顯，特別適合于那些需要重載起動、負(fù)載變化明顯、頻繁起停的場合。

3.調(diào)速范圍廣，低速下可長期運(yùn)行。由于開關(guān)磁阻電機(jī)效率高，在低速下的溫升程度比額定工況時要低，不存在變頻調(diào)速低速運(yùn)行下電動機(jī)發(fā)熱問題。此外，開關(guān)磁阻電機(jī)最高轉(zhuǎn)速不會像交流電動機(jī)那樣受極數(shù)的限制，可以靈活地設(shè)定最高轉(zhuǎn)速。

4.電機(jī)可頻繁起停，頻繁正、反轉(zhuǎn)：開關(guān)磁阻電機(jī)四象限運(yùn)行控制靈活，在有制動單元及制動功率滿足要求的情況下，起停及正反轉(zhuǎn)切換可達(dá)每小時幾百次以上。

5.缺相與過負(fù)載時仍可工作：出現(xiàn)電源缺相、電動機(jī)或控制器任一相出現(xiàn)故障時，開關(guān)磁阻調(diào)速電機(jī)輸出功率減小，但仍然可以運(yùn)行，當(dāng)系統(tǒng)超過額定負(fù)載120% 以上時，轉(zhuǎn)速只會下降，而不會燒毀電動機(jī)和控制器。

6.功率器件控制錯誤不會引起短路：開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的上下橋臂功率器件和電機(jī)的繞組串聯(lián)，不存在發(fā)生功率器件控制錯誤導(dǎo)致短路而燒毀的現(xiàn)象， 變頻器的主電路上下橋臂直接串聯(lián)，存在由于干擾或?qū)ㄥe誤導(dǎo)致母線直接短路的可能性。

然而，上帝是公平的，目前的電機(jī)都是優(yōu)缺點(diǎn)并存，任何一種電機(jī)都無法取代其它所有類型的電機(jī)，開關(guān)磁阻電機(jī)也具有以下缺點(diǎn)：

1.轉(zhuǎn)矩脈動：開關(guān)磁阻電機(jī)工作在脈沖供電方式中，瞬時轉(zhuǎn)矩脈動大，轉(zhuǎn)速很低時，步進(jìn)狀態(tài)明顯，而且由于其本身的非線性，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩控制困難。盡管目前研究SRD直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)等文章較多，但仍難以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的精確控制，在伺服等精密控制場合，SRD與其它類型電機(jī)相比不具有優(yōu)勢。

2.噪聲：開關(guān)磁阻電機(jī)相繞組輪流導(dǎo)通，徑向力導(dǎo)致定子變形，換相時更明顯，電機(jī)噪聲大，減小振動和噪聲是重要的研究課題，很多科研人員正在從電磁參數(shù)設(shè)計和調(diào)速方法以及電機(jī)結(jié)構(gòu)幾方面進(jìn)行研究加以改進(jìn)，但現(xiàn)在與其它電機(jī)相比，仍然噪聲偏大。

3.位置檢測器：位置檢測器使得結(jié)構(gòu)簡單的開關(guān)磁阻電機(jī)變得遜色，降低了系統(tǒng)可靠性，因此探索實(shí)用的無位置檢測器的檢測方案是十分有必要的。目前國內(nèi)外研究較多的是用定子繞組的瞬態(tài)電感信息來實(shí)現(xiàn)無位置檢測器方案，但距實(shí)際應(yīng)用還待進(jìn)一步深入研究。