開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的分析與研究

王愛(ài)花，謝海良

（漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南漯河 462000）

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)（Switched Reluctance Motor Drives，SRD）同時(shí)具有交流變頻調(diào)速和直流調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和運(yùn)行性能都明顯優(yōu)于以上兩種調(diào)速系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于家用電器、航空航天、電子、機(jī)械及電動(dòng)車(chē)輛等領(lǐng)域。作為SRD核心的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)（Switched Reluctance Motor，SRM）是一種具有廣闊應(yīng)用前景的電機(jī)，它啟動(dòng)電流低，調(diào)速范圍寬，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且堅(jiān)固，具有較高的系統(tǒng)可靠性。

1 SRD的結(jié)構(gòu)

SRD 主要由5部分組成，分別是SRM、電流檢測(cè)器、位置檢測(cè)器、功率變換器、控制器，如圖1所示。

圖1 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)框圖

SRM 是SRD 的執(zhí)行部件和動(dòng)力輸出機(jī)構(gòu)，它負(fù)責(zé)完成控制者下達(dá)的控制指令，最終將系統(tǒng)的電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能輸出，是SRD 中機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的部件，也是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件之一。

功率變換器把蓄電池的直流電能以合適的方式轉(zhuǎn)換后提供給SRM。因?yàn)镾RM 繞組的電流是單向的，所以功率變換器不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且相繞組與主開(kāi)關(guān)器件采用的是簡(jiǎn)單的串聯(lián)連接方式，避免了直接短路故障現(xiàn)象。功率變換器主電路的結(jié)構(gòu)形式由供電電壓、電動(dòng)機(jī)相數(shù)以及主開(kāi)關(guān)器件的種類(lèi)所決定，它是SRD 能量傳輸?shù)耐ǖ溃苯佑脕?lái)驅(qū)動(dòng)SRM，因此功率變換器是影響SRD 性?xún)r(jià)比的主要因素之一。

SRD 系統(tǒng)通過(guò)控制器對(duì)SRM 運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制。控制器對(duì)電流和位置檢測(cè)器的反饋信息，速度指令和速度反饋信號(hào)進(jìn)行綜合處理后，控制功率變換器中主開(kāi)關(guān)器件的通斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)SRM 運(yùn)行狀態(tài)的控制。因?yàn)镾RM 的運(yùn)行狀態(tài)取決于控制器，所以控制器的優(yōu)劣將會(huì)直接影響到其運(yùn)行性能。

位置檢測(cè)器用來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置以及提供速度信號(hào)。電流檢測(cè)器用來(lái)檢測(cè)系統(tǒng)的電流信號(hào)并提供電流信息來(lái)完成電流斬波控制或采取相應(yīng)的保護(hù)措施以防止出現(xiàn)過(guò)電流現(xiàn)象。

2 SRM的結(jié)構(gòu)

SRM 的結(jié)構(gòu)和工作原理與傳統(tǒng)的交直流電機(jī)有很大的區(qū)別，如圖2所示為三相6/4極SRM 的模型，定轉(zhuǎn)子都由硅鋼片疊壓成凸極結(jié)構(gòu)，定子為集中繞組，轉(zhuǎn)子無(wú)繞組。

圖2 三相6/4極SRM模型

根據(jù)定、轉(zhuǎn)子齒數(shù)的不同可以有各種結(jié)構(gòu)，表1列出了SRM 幾種常見(jiàn)的定、轉(zhuǎn)子極數(shù)組合方案。增加相數(shù)可以減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和降低電磁噪聲，但其控制、結(jié)構(gòu)也隨之變得復(fù)雜，成本有所增加，目前三相6/4極和四相8/6極結(jié)構(gòu)的SRM 技術(shù)較為成熟，應(yīng)用較多。

表1 SRM常見(jiàn)的定、轉(zhuǎn)子極數(shù)組合方案

3 SRM的工作原理

如圖3所示為四相（8/6）極SRM 結(jié)構(gòu)原理圖，為便于分析，圖中只畫(huà)出A相的繞組及其電路。SRM 的運(yùn)行遵循磁通沿磁阻最小路徑閉合的原理，凸極轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動(dòng)到最小磁阻位置時(shí)，其主軸線與磁場(chǎng)的軸線重合。當(dāng)定子A—A＇極勵(lì)磁時(shí)，a—a＇向著與A—A＇軸線重合的位置轉(zhuǎn)動(dòng)，A相勵(lì)磁繞組的電感達(dá)到最大。若把此時(shí)圖3中定、轉(zhuǎn)子位置作為起始位置，按照D—A—B—C的次序給相繞組通電，轉(zhuǎn)子即逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；反之，若按照B—A—D—C的次序給相繞組通電，轉(zhuǎn)子即順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。由此可見(jiàn)，相繞組通電的順序決定了SRM 的轉(zhuǎn)向，電流方向與SRM 轉(zhuǎn)向無(wú)關(guān)。

圖3 四相8/6極SRM結(jié)構(gòu)原理圖

4 SRM的主要參數(shù)

SRM 每一轉(zhuǎn)繞組通斷次數(shù)NP為：

當(dāng)SRM 以轉(zhuǎn)速n（r/min）轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其總的切換頻率為：

則SRM 的同步轉(zhuǎn)速為：

式中：fph為每相繞組開(kāi)關(guān)頻率，Zr為轉(zhuǎn)子極數(shù)，m為電機(jī)相數(shù)。

由此可見(jiàn)，SRM 的轉(zhuǎn)速取決于電流的切換頻率，或者說(shuō)取決于每相繞組的開(kāi)關(guān)頻率。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)SRM 的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、工作原理以及主要參數(shù)的必要分析研究，對(duì)SRM 所具有的低啟動(dòng)電流、寬調(diào)速范圍、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)有了更深的了解，為SRM 的設(shè)計(jì)、改進(jìn)和推廣應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。