开关磁阻电动机原理演示文稿

设：定子绕组为m相，定子齿数 Ns=2m，转子齿数为Nr。
当定子绕组换流通电一次时，转子转过一个转子齿
距。这样定子需切换通电 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 f之间的关系
为
f
n 60
Nr
(5-10)
f Nrn 60
(5-11)
给定子相绕组供电的功率变换器输出电流脉动频率
i Ust
Lk
r
Lt
(5-1(9i)0)
式中
LKLmi n L(11)
这时的电流主要用于产生电磁转矩，因此这一段电流的大小直 接影响电动机的出力。
从5-19可以看出， 开关磁阻电机的 负载电流与许多 参数有关，其中 属于可控的因素 是导通角α1，不 同 α1的可能形成
不同的电流波形。 如图 5-26所示。
位置 θ的变化率有关：当电感随 θ角的增大而增大时 为正，当电感随 θ角的增大而减小时为负。
旋转电势引起的压降为正表示吸收电功率， 产生驱动转矩，输出机械功
当旋转电势引起的压降为负则表示是发出电 功率，产生制动转矩
所以在开关磁阻电机中，为获得较大的有效 转矩应避免产生制动转矩，在绕组电感开始
随转子位置角 θ的增大而减少时应尽快使绕
组中电流衰减到零，这点十分重要。
在开关磁阻电机中，电磁转矩的调节主要 是通过控制功率开关的开、关时刻，即开
关元件的导通角 α1和截止角α2 来实现的
设在图 5-24中 的 I 区 内 触 发 导 通 功
率 开 关 (α1<θ1)；在 II 区内关断功率开 关 (θ1<α1<θ3)。在这种情况下，相电流
由于开关磁阻电机的转矩是靠定、转子的凸极效应产生，与绕组中 所通电流极性无关，因此每相绕组中通入的可以是单方向的电流(脉 冲)，无须交变。这样不但可使控制每相电流的功率开关元件数量减 少一半，而且可以避免一般电压型逆变器中最危险的上、下桥臂元 件直通的故障，不但显著降低控制装置的成本，而且大大提高了系 统的安全可靠性。
α 图5-26 不同 1 时相电流波形
(3)第三段 t2tt3(2 3)
在反向电压－Us的作 用 下 绕 组 磁 链 开 始 线
性 下 降，电 流 也 逐 渐 减小。
由于在这一区间仍是 L/，续0流电流仍产生电
动转矩，说明在这一阶段电机中的磁场储能有一 部分转化为有用的机械能从电机轴上输出，而另 一部分转化为电能回馈给了电容器。
则为
wk.baidu.comfD
mNr n 60
(5-12)
优点
开关磁阻电机由于转子上没有绕组，定子线圈的端部又很短，不但 制造方便，而且线圈的发热量小且容易散热，从而电磁负荷可以提 高，电机利用系数可达异步电机利用系数的 1.4倍，电机制造成本 大为降低。
由于转子上无线圈，转动惯量小，具有较高的转矩/惯量比，所以特 别适合于高速运行。
不足
开关磁阻电机的主要问题是它产生的电磁 转矩脉动较大，振动与噪声较严重，此外 功率开关元件关断时还会在电机定子绕组 端部及开关器件上产生较高的电压尖峰。
为了解决这些问题已设计出不同的控制方 案，图 5-23为一种较为常用的四相开关磁 阻电机功率电路形式。
图5-23 四相开关磁阻电动机原理接线图
这时在反压及旋转电势的作用下相电流以较快的
速率下降，其规律可表达为
i 2 max U st
LK
L
rt
(5-22)
(4)第四段 t3tt1(34)
在这个区段由于L/，0 而没有旋转电势存在，
相电流不产生电磁转矩，只在外界反向电压－
基本结构
定子和转子均为凸极结构 定子和转子的齿数不等，转子齿数一般比定
子少两个 定子齿上套有集中线圈，两个空间位置相对
的定子齿线圈相串联，形成一相绕组 转子由铁心叠片而成，其上无绕组
如图5-22所示
图5-22 开关磁阻电动机的基本结构
工作机理
开关磁阻电机的工作机理与磁阻(反应)式步进电动机 一样，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。
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。
转速的计算
i Us t
通过合理选择导L m通in 角 α1使相电流在进入有效工
作段时就达到足够大的数值，这是开关磁阻电机 控制电磁转矩的主要办法。
(2)第二段 t1 t t2(12)
这段期间 L在不断增大，因而相绕组中出现了旋转电势压降，绕 组中电流不能继续直线上升，甚至可能出现下降。求得这段期 间电流关系式为：
的波形将如图 5-25所示，它可以分为五 段。
图5-25 电动机工作时的相电流波形
电流特性
(1)第一段 0tt1(1 1)
在t=0(θ=α1 )时，功率开关导通，相绕组开始通
电。但在这段区间由于电感小且 L，/故 无0旋
转电势，所以在这阶段中相电流作线性增长，上 升速率较快。如不计电阻影响，由式5-15可得
图5-24 相绕组电感变化规律
转矩特性
当开关磁阻电机由图 5-23所示的电源供电时，如果 电动机匀速旋转，可得 Us Ld d tiiR i( 5r- 1L5)
式中，等号右边第一项为平衡绕组中变压器电势的压降； 第二项为电阻压降； 第三项为旋转电势所引起的压降，它只有在
电感随转子位置而变时才存在，其方向与电感随转子
二、开关磁阻电动机的运行分 析
开关磁阻电动机依靠定转 子的凸极效应产生电磁转 矩，其机理可以用相绕组
电感 L随转子位置变化的
关系来说明。
如果忽略电机磁路饱和的 影响，则相绕组电感与电 流大小无关；如不计磁场 边缘扩散效应，则相绕组
电感随转子位置 θ的变化 规律 L(θ)将如图 5-24所示，
近似为一梯形波。
开关磁阻电动机原理演示文稿
一、开关磁阻电动机的工作原 理
关磁阻电动机传动系统(简称 SRD系统) 是最近20年来开发成功的一种新型电气传 动系统，它由开关磁阻电动机(简称 SR电 机或 SRM)、功率变换器、转子位置检测 器和控制器所组成，如图 5-21所示。
图5-21 开关磁阻电动机传动系统结构