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開關磁阻電機適用於什麽場合?和步進電機的區別

文章出處:貝斯特官網(HDB)電機 人氣:462發表時間:2021-01-07

開關磁阻電動機有兩個基本特征: 1)開關性, 開關磁阻電動機必須工作在一種連續的開關模式; 2)磁阻性, 開關磁阻電機為雙凸極可變磁阻電機, 它的結構原則是轉子旋轉時磁路的磁阻要有盡可能大的變化。其實常用的永磁電機由於轉子上嵌入了永磁體,也造成了轉子凸級磁阻變化,因而永磁電機的轉矩中也包含了磁阻轉矩,但是磁阻轉矩在永磁電機中占比不大,所以一般忽略了這種轉矩成分。 


開關磁阻電機工作原理

    開關磁阻電機是利用轉子磁阻不均勻而產生轉矩的電機,又稱反應式同步電動機,其結構及工作原理與傳統的交、直流電動機有很大的區別。它不依靠定、轉子繞組電流所產生磁場的相互作用而產生轉矩,而是依靠“磁阻最小原理”產生轉矩,即:“磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉合,從而產生磁拉力,進而形成磁阻性質的電磁轉矩”和“磁力線具有力圖縮短磁通路徑以減小磁阻和增大磁導的本性”。
    開關磁阻電機的磁阻隨著轉子凸極與定子凸極的中心線對準或錯開而變化,因為電感與磁阻成反比,當轉子凸極和定子凸極中心線對準時,相繞組電感最大,磁阻最小,當轉子凹槽和定子凸極中心線對準時,相繞組電感最小,磁阻最大。下麵以三相 12/8 極開關磁阻電機為例進行說明,圖 2 表示該電機的一相電路的原理示意圖, S1、S2 是電子開關,D1、D2 是二極管,E 是電源。
開關磁阻電機適用於什麽場合?和步進電機的區別
    假設開關磁阻電機轉子在圖示位置時,開關 S1、S2 合上, A 相繞組通電,該相通過直流電源 E 進行勵磁,電機內將建立起以 OA 為軸線的徑向磁場,磁通通過定子軛、定子極、氣隙、轉子極、轉子軛等處閉合。通過氣隙的磁力線是彎曲的,此時磁路的磁阻大於定、轉子磁極軸線重合時的磁阻,因此,轉子將受到氣隙中彎曲磁力線的切向磁拉力產生的轉矩的作用,使得轉子磁極的軸線 Oa 向定子 A 相磁極軸線 OA 運動,並受到該方向的力矩作用,即逆時針方向。等Oa運動到與OA軸線重合,磁阻最小,A相將不再產生轉矩,此時應換一相導通,比如B相,則轉子將逆時針轉動另一個步進角。如果連續不斷地按 A-B-C的順序分別給繞組通電,則電機轉子會逆著勵磁順序以順時針方向連續旋轉。反之,依次給C-B-A相通電,則電機會順時針方向轉動。開關磁阻電機的轉向與相繞組的電流方向無關,隻取決於相繞組通電的順序。

開關磁阻電機特點
    開關磁阻電機在近20年來日益得到關注,正是因為其特點明顯,優點與缺點同樣突出,先說說優點。
    1.係統效率高、節能效果好:在寬廣的調速和功率範圍內,開關磁阻電機整體比異步電動機變頻調速係統效率高,在低速或輕載工作的狀態下效率能夠高10% 以上;與齒輪電機減速、二級皮帶輪減速、電磁調速等係統相比,開關磁阻調速電機節電效果更明顯。
    2.起動轉矩大,起動電流小:開關磁阻電機係統從電源側吸收較少的電流,在電動機側可得到較大的起動轉矩,起動轉矩達額定轉矩的200% 時、起動電流僅為額定電流的30%,比之交流電動機的300% 電流獲得100% 的轉矩的性能,優勢非常明顯,特別適合於那些需要重載起動、負載變化明顯、頻繁起停的場合。
    3.調速範圍廣,低速下可長期運行。由於開關磁阻電機效率高,在低速下的溫升程度比額定工況時要低,不存在變頻調速低速運行下電動機發熱問題。此外,開關磁阻電機最高轉速不會像交流電動機那樣受極數的限製,可以靈活地設定最高轉速。
    4.電機可頻繁起停,頻繁正、反轉:開關磁阻電機四象限運行控製靈活,在有製動單元及製動功率滿足要求的情況下,起停及正反轉切換可達每小時幾百次以上。
    5.缺相與過負載時仍可工作:出現電源缺相、電動機或控製器任一相出現故障時,開關磁阻調速電機輸出功率減小,但仍然可以運行,當係統超過額定負載120% 以上時,轉速隻會下降,而不會燒毀電動機和控製器。
    6.功率器件控製錯誤不會引起短路:開關磁阻電機調速係統的上下橋臂功率器件和電機的繞組串聯,不存在發生功率器件控製錯誤導致短路而燒毀的現象, 變頻器的主電路上下橋臂直接串聯,存在由於幹擾或導通錯誤導致母線直接短路的可能性。

    然而,上帝是公平的,目前的電機都是優缺點並存,任何一種電機都無法取代其它所有類型的電機,開關磁阻電機也具有以下缺點:
    1.轉矩脈動:開關磁阻電機工作在脈衝供電方式中,瞬時轉矩脈動大,轉速很低時,步進狀態明顯,而且由於其本身的非線性,導致轉矩控製困難。盡管目前研究SRD直接轉矩控製技術等文章較多,但仍難以實現轉矩的精確控製,在伺服等精密控製場合,SRD與其它類型電機相比不具有優勢。
    2.噪聲:開關磁阻電機相繞組輪流導通,徑向力導致定子變形,換相時更明顯,電機噪聲大,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設計和調速方法以及電機結構幾方麵進行研究加以改進,但現在與其它電機相比,仍然噪聲偏大。

    3.位置檢測器:位置檢測器使得結構簡單的開關磁阻電機變得遜色,降低了係統可靠性,因此探索實用的無位置檢測器的檢測方案是十分有必要的。目前國內外研究較多的是用定子繞組的瞬態電感信息來實現無位置檢測器方案,但距實際應用還待進一步深入研究。


開關磁阻電機和步進電機的區別
兩種電機的應用領域不同,步進電機是可以通過開環控製實現對步進電機的運行位置進行精準控製,開關磁阻電機主要應用於調速控製
開關磁阻電動機和步進電機的唯一區別是:SRM的開通和關斷角是可以控製的; 而步進電機是固定的。
    1、開關磁阻電動機有較大的電動機利用係數,可以是感應電動機利用係數的1.2~1.4倍。
    2、電動機的結構簡單,轉子上沒有任何形式的繞組;定子上隻有簡單的集中繞組,端部較短,沒有相間跨接線。因此,具有製造工序少、成本低、工作可靠、維修量小等特點。
    3、開關磁阻電動機的轉矩與電流極性無關,隻需要單向的電流激勵,理想上公率變換電路中每相可以隻用一個開關元件,且與電動機繞組串聯,不會像PWM逆變器電源那樣,存在兩個開關元件直通的危險。所以,開關磁阻電動機驅動係統SED線路簡單,可靠性高,成本低於PWM交流調速係統。
    4、開關磁阻電動機轉子的結構形式對轉速限製小,可製成高轉速電動機,而且轉子的轉動慣量小,在電流每次換相時又可以隨時改變相匝轉矩的大小和方向,因而係統有良好的動態響應。
    5、SRD係統可以通過對電流的導通、斷開和對幅值的控製,得到滿足不同負載要求的機械特性,易於實現係統的軟啟動和四象限運行等功能,控製靈活。又由於SRD係統是自同步係統運行,不會像變頻供電的感應電動機那樣在低頻時出現不穩定和振蕩問題。
    6、由於SR開關磁阻電動機采用了獨特的結構和設計方法以及相應的控製技巧,其單位處理可以與感應電動機相媲美,甚至還略占優勢。SRD係統的效率和功率密度在寬廣的速度和負載範圍內都可以維持在教導水平。
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