开关磁阻电机教育课件
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开关磁阻电 机
开关磁阻电机发展历史
开关磁阻电机的最早文献却可追溯到1838年，英格兰学者Davidson 制造了一台用以推动蓄电池机车的驱动系统。
70年代左右，英国Leeds大学步进电机和磁阻电机研究小组首创了 一台现代开关磁阻电机的雏形。
1980年，Lawrenson及其同事在ICEM会议上，发表著名论文“开 关磁阻调速电动机”，系统地介绍了他们的工作成果，阐述了SR电 机的原理及设计特点，在国际上奠定了现代SR电机的地位，这也标 志着SRD正式得到国际认证。
2.1 SRD传动系统 2.1.1 SRD传动系统的组成
电源
功率变换器
SR电动机
负载
控制信号
电流检测 位置检测 控制器
2.1.1 SRD传动系统的组成
SR电动机定、转子实际结构
SR电动机定、转子实际结构
工作机理
开关磁阻电机的工作机理基于磁通总是沿磁导最大的路 径闭合的原理。
当定、转子齿中心线不重合、磁导不为最大时，磁场就 会产生磁拉力，形成磁阻转矩，使转子转到磁导最大的 位置。
磁阻电动机是利用磁阻最小原理，也就是磁通 总是沿磁阻最小的路径闭合，利用磁引力拉动转子 旋转。
下面通过图示来说明转子的工作原理，下面是磁阻电动机的正视图，定子六 个齿极上绕有线圈，径向相对的两个线圈是连接在一起的，组成一“相”， 该电机有3相，结合定子与转子的极数就称该电机为三相6 / 4结构。在下图标 注的A、B、C相线圈仅为后面分析磁路带来方便，并不是连接三相交流电。
为了使转子继续转动，在转子转到30度前已切断A相电源在30度接通B相电源， 磁通从最近的转子齿极通过转子铁芯，见下左图，于是转子继续转动。中间 图是转子转到40度的图，右面图是转到50度的图，磁力一直牵引转子转到60 度为止。
在转子转到60度前切断B相电源在60度时接通C相电源，磁通从最近的转子 齿极通过转子铁芯，见下左图。转子继续转动，中间图是转子转到70度的 图，右面图是转到80度的图，磁力一直牵引转子转到90度为止。
转速的计算
设：定子绕组为m相，定子齿数 Ns=2m，转子齿数为Nr。
当定子绕组轮流通电一次时，转子转过一个转子齿距。这 样定子需轮流通电 Nr次转子才转过一周，故电机转速 n(r/min)与相绕组电压的开关频率 fph之间的关系为
在下面有一组磁阻电动机运转原理动画的截图，从中我们将看到磁阻电动机是如何转 动起来的，图中红色的线圈是通电线圈，黄色的线圈没有电流通过；通过定子与转子 的深蓝色线是磁力线；把转子启动前的转角定为0度。
从左面图起，A相线圈接通电源产生磁通，磁力线从最近的转子齿极通过转子铁芯， 磁力线可看成极有弹力的线，在磁力的牵引下转子开始逆时针转动；中间图是转子转 了10度的图，右面图是转到20度的图，磁力一直牵引转子转到30度为止，到了30度转 子不再转动，此时磁路最短。
B
D'
2 定子上空间相对的两
VD1
1
3'
个极上的线圈串联或
并联构成一相绕组
Es
C
2
Fra Baidu bibliotek
2' C '
3 定子集中绕阻、绕组
VD2
3
1'
为单方向通电
D
B'
4 转子上无绕组
S2
A'
5 最常见的组合为6/4
极，8/6极或12/8极。
2.1.2 运行原理：磁阻最小原理
磁通总要沿着磁阻最小路径闭合，一定形状的铁心 在移动到最小磁阻位置时，必定使自己的轴线与主 磁场的轴线重合
向线圈供电的开关是用开关晶体管进行的，下面就是三相线圈与开关晶体管 的连接示意图，BG1、BG2、BG3是三个开关晶体管，分别控制三相线圈A、 B、C的电流通断，三极管旁边并联的二极管是用来续流的。
由于电机靠磁阻工作，跟磁通方向无关，即跟电流方向无关，故在上面运行图中没有 标明磁力线的方向。 A、B、C各相线圈轮流通电视乎简单，实际情况要复杂些，线圈切断电源后产生的自 感电流不会立即消失，要提前关断电源进行续流；为加大力矩相邻相线圈有电流的时 间会有部分重合；调节电动机的转速、转矩也要调整开关时间，各相线圈开通与关断 时间与转子定子间的相对位置直接相关，故电机还装有转子位置检测装置为准时开关 各相线圈电流提供依据，何相线圈何时通断必须根据转子转到的位置与控制参数决定。
A-A’ 通电 ⃗ 1-1‘ 与A-A’重合 B-B’ 通电 ⃗ 2-2‘ 与B-B’重合 C-C’ 通电 ⃗ 3-3‘ 与C-C’重合 D-D’ 通电 ⃗ 1-1‘ 与D-D’重合
依次给A-B-C-D绕组通电，转 子逆励磁顺序方向连续旋转
电机原理演示
下面通过一个开关磁阻电动机原理模型来介绍工作原理。
电机的定子铁芯有六个齿极， 由导磁良好的硅钢片冲制。
电机的转子铁芯有四个齿极， 由导磁良好的硅钢片冲制。
由于定子与转子都有凸起的齿极，这种形式也称为双凸极结 构。在定子齿极上绕有线圈（定子绕组），用来向电机提供工 作磁场。在转子上没有线圈，这是磁阻电机的主要特点。
在讲电动机工作原理时常用通电导线在磁场中 受力来解释电动机旋转的道理，磁阻电机转子上没 有绕组，那是靠什么力推动转子转动呢？
当向定子各相绕组中依次通入电流时，电机转子将一步 一步地沿着通电相序相反的方向转动。
如果改变定子各相的通电次序，电机将改变转向。但相 电流通流方向的改变是不会影响转子的转向的。
一、开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor)
1. 结构特点
S1
A
1 定子和转子均为凸极 结构；
当转子转到90度前切断C相电源，转子在90度的状态与前面0度开始时一样，重 复前面过程，接通A相电源，转子继续转动，这样不停的重复下去，转子就会不 停的旋转。这就是磁阻电动机的工作原理。 由于是运用了利用磁阻最小原理，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。
从此，世界上大批学者投入到SR电机的研究领域。
到日前为止，在SRD系统的开发研制方面，英国一直处于国际领先 地位。除英国外，美国、中国、加拿大、印度、韩国等国家也都开 展了SRD系统的研究工作。
通过20多年的研究和改进，SRD的性能不断提高，目前已能在数百 瓦到数百千瓦的功率范围内使其性能不低于其他形式的电机。
开关磁阻电机发展历史
开关磁阻电机的最早文献却可追溯到1838年，英格兰学者Davidson 制造了一台用以推动蓄电池机车的驱动系统。
70年代左右，英国Leeds大学步进电机和磁阻电机研究小组首创了 一台现代开关磁阻电机的雏形。
1980年，Lawrenson及其同事在ICEM会议上，发表著名论文“开 关磁阻调速电动机”，系统地介绍了他们的工作成果，阐述了SR电 机的原理及设计特点，在国际上奠定了现代SR电机的地位，这也标 志着SRD正式得到国际认证。
2.1 SRD传动系统 2.1.1 SRD传动系统的组成
电源
功率变换器
SR电动机
负载
控制信号
电流检测 位置检测 控制器
2.1.1 SRD传动系统的组成
SR电动机定、转子实际结构
SR电动机定、转子实际结构
工作机理
开关磁阻电机的工作机理基于磁通总是沿磁导最大的路 径闭合的原理。
当定、转子齿中心线不重合、磁导不为最大时，磁场就 会产生磁拉力，形成磁阻转矩，使转子转到磁导最大的 位置。
磁阻电动机是利用磁阻最小原理，也就是磁通 总是沿磁阻最小的路径闭合，利用磁引力拉动转子 旋转。
下面通过图示来说明转子的工作原理，下面是磁阻电动机的正视图，定子六 个齿极上绕有线圈，径向相对的两个线圈是连接在一起的，组成一“相”， 该电机有3相，结合定子与转子的极数就称该电机为三相6 / 4结构。在下图标 注的A、B、C相线圈仅为后面分析磁路带来方便，并不是连接三相交流电。
为了使转子继续转动，在转子转到30度前已切断A相电源在30度接通B相电源， 磁通从最近的转子齿极通过转子铁芯，见下左图，于是转子继续转动。中间 图是转子转到40度的图，右面图是转到50度的图，磁力一直牵引转子转到60 度为止。
在转子转到60度前切断B相电源在60度时接通C相电源，磁通从最近的转子 齿极通过转子铁芯，见下左图。转子继续转动，中间图是转子转到70度的 图，右面图是转到80度的图，磁力一直牵引转子转到90度为止。
转速的计算
设：定子绕组为m相，定子齿数 Ns=2m，转子齿数为Nr。
当定子绕组轮流通电一次时，转子转过一个转子齿距。这 样定子需轮流通电 Nr次转子才转过一周，故电机转速 n(r/min)与相绕组电压的开关频率 fph之间的关系为
在下面有一组磁阻电动机运转原理动画的截图，从中我们将看到磁阻电动机是如何转 动起来的，图中红色的线圈是通电线圈，黄色的线圈没有电流通过；通过定子与转子 的深蓝色线是磁力线；把转子启动前的转角定为0度。
从左面图起，A相线圈接通电源产生磁通，磁力线从最近的转子齿极通过转子铁芯， 磁力线可看成极有弹力的线，在磁力的牵引下转子开始逆时针转动；中间图是转子转 了10度的图，右面图是转到20度的图，磁力一直牵引转子转到30度为止，到了30度转 子不再转动，此时磁路最短。
B
D'
2 定子上空间相对的两
VD1
1
3'
个极上的线圈串联或
并联构成一相绕组
Es
C
2
Fra Baidu bibliotek
2' C '
3 定子集中绕阻、绕组
VD2
3
1'
为单方向通电
D
B'
4 转子上无绕组
S2
A'
5 最常见的组合为6/4
极，8/6极或12/8极。
2.1.2 运行原理：磁阻最小原理
磁通总要沿着磁阻最小路径闭合，一定形状的铁心 在移动到最小磁阻位置时，必定使自己的轴线与主 磁场的轴线重合
向线圈供电的开关是用开关晶体管进行的，下面就是三相线圈与开关晶体管 的连接示意图，BG1、BG2、BG3是三个开关晶体管，分别控制三相线圈A、 B、C的电流通断，三极管旁边并联的二极管是用来续流的。
由于电机靠磁阻工作，跟磁通方向无关，即跟电流方向无关，故在上面运行图中没有 标明磁力线的方向。 A、B、C各相线圈轮流通电视乎简单，实际情况要复杂些，线圈切断电源后产生的自 感电流不会立即消失，要提前关断电源进行续流；为加大力矩相邻相线圈有电流的时 间会有部分重合；调节电动机的转速、转矩也要调整开关时间，各相线圈开通与关断 时间与转子定子间的相对位置直接相关，故电机还装有转子位置检测装置为准时开关 各相线圈电流提供依据，何相线圈何时通断必须根据转子转到的位置与控制参数决定。
A-A’ 通电 ⃗ 1-1‘ 与A-A’重合 B-B’ 通电 ⃗ 2-2‘ 与B-B’重合 C-C’ 通电 ⃗ 3-3‘ 与C-C’重合 D-D’ 通电 ⃗ 1-1‘ 与D-D’重合
依次给A-B-C-D绕组通电，转 子逆励磁顺序方向连续旋转
电机原理演示
下面通过一个开关磁阻电动机原理模型来介绍工作原理。
电机的定子铁芯有六个齿极， 由导磁良好的硅钢片冲制。
电机的转子铁芯有四个齿极， 由导磁良好的硅钢片冲制。
由于定子与转子都有凸起的齿极，这种形式也称为双凸极结 构。在定子齿极上绕有线圈（定子绕组），用来向电机提供工 作磁场。在转子上没有线圈，这是磁阻电机的主要特点。
在讲电动机工作原理时常用通电导线在磁场中 受力来解释电动机旋转的道理，磁阻电机转子上没 有绕组，那是靠什么力推动转子转动呢？
当向定子各相绕组中依次通入电流时，电机转子将一步 一步地沿着通电相序相反的方向转动。
如果改变定子各相的通电次序，电机将改变转向。但相 电流通流方向的改变是不会影响转子的转向的。
一、开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor)
1. 结构特点
S1
A
1 定子和转子均为凸极 结构；
当转子转到90度前切断C相电源，转子在90度的状态与前面0度开始时一样，重 复前面过程，接通A相电源，转子继续转动，这样不停的重复下去，转子就会不 停的旋转。这就是磁阻电动机的工作原理。 由于是运用了利用磁阻最小原理，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。
从此，世界上大批学者投入到SR电机的研究领域。
到日前为止，在SRD系统的开发研制方面，英国一直处于国际领先 地位。除英国外，美国、中国、加拿大、印度、韩国等国家也都开 展了SRD系统的研究工作。
通过20多年的研究和改进，SRD的性能不断提高，目前已能在数百 瓦到数百千瓦的功率范围内使其性能不低于其他形式的电机。