開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)適用于什么場(chǎng)合?和步進(jìn)電機(jī)的區(qū)別
開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)基本特征: 1)開(kāi)關(guān)性, 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)必須工作在一種連續(xù)的開(kāi)關(guān)模式; 2)磁阻性, 開(kāi)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(shí)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(jí)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。
開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)工作原理
開(kāi)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(dòng)機(jī),其結(jié)構(gòu)及工作原理與傳統(tǒng)的交、直流電動(dòng)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(chǎng)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(kāi)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(duì)準(zhǔn)或錯(cuò)開(kāi)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(duì)準(zhǔn)時(shí),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(duì)準(zhǔn)時(shí),相繞組電感最小,磁阻最大。下面以三相 12/8 極開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)為例進(jìn)行說(shuō)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(kāi)關(guān),D1、D2 是二極管,E 是電源。
假設(shè)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子在圖示位置時(shí),開(kāi)關(guān) S1、S2 合上, A 相繞組通電,該相通過(guò)直流電源 E 進(jìn)行勵(lì)磁,電機(jī)內(nèi)將建立起以 OA 為軸線的徑向磁場(chǎng),磁通通過(guò)定子軛、定子極、氣隙、轉(zhuǎn)子極、轉(zhuǎn)子軛等處閉合。通過(guò)氣隙的磁力線是彎曲的,此時(shí)磁路的磁阻大于定、轉(zhuǎn)子磁極軸線重合時(shí)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(dòng),并受到該方向的力矩作用,即逆時(shí)針?lè)较?。等Oa運(yùn)動(dòng)到與OA軸線重合,磁阻最小,A相將不再產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,此時(shí)應(yīng)換一相導(dǎo)通,比如B相,則轉(zhuǎn)子將逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)另一個(gè)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(huì)逆著勵(lì)磁順序以順時(shí)針?lè)较蜻B續(xù)旋轉(zhuǎn)。反之,依次給C-B-A相通電,則電機(jī)會(huì)順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)向與相繞組的電流方向無(wú)關(guān),只取決于相繞組通電的順序。
開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)特點(diǎn)
開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)在近20年來(lái)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(shuō)說(shuō)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(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)整體比異步電動(dòng)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(jí)皮帶輪減速、電磁調(diào)速等系統(tǒng)相比,開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電機(jī)節(jié)電效果更明顯。
2.起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大,起動(dòng)電流?。洪_(kāi)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(dòng)機(jī)側(cè)可得到較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩,起動(dòng)轉(zhuǎn)矩達(dá)額定轉(zhuǎn)矩的200% 時(shí)、起動(dòng)電流僅為額定電流的30%,比之交流電動(dòng)機(jī)的300% 電流獲得100% 的轉(zhuǎn)矩的性能,優(yōu)勢(shì)非常明顯,特別適合于那些需要重載起動(dòng)、負(fù)載變化明顯、頻繁起停的場(chǎng)合。
3.調(diào)速范圍廣,低速下可長(zhǎng)期運(yùn)行。由于開(kāi)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(shí)要低,不存在變頻調(diào)速低速運(yùn)行下電動(dòng)機(jī)發(fā)熱問(wèn)題。此外,開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)最高轉(zhuǎn)速不會(huì)像交流電動(dòng)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(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)四象限運(yùn)行控制靈活,在有制動(dòng)單元及制動(dòng)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(shí)幾百次以上。
5.缺相與過(guò)負(fù)載時(shí)仍可工作:出現(xiàn)電源缺相、電動(dòng)機(jī)或控制器任一相出現(xiàn)故障時(shí),開(kāi)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(guò)額定負(fù)載120% 以上時(shí),轉(zhuǎn)速只會(huì)下降,而不會(huì)燒毀電動(dòng)機(jī)和控制器。
6.功率器件控制錯(cuò)誤不會(huì)引起短路:開(kāi)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(cuò)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(cuò)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(wú)法取代其它所有類型的電機(jī),開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)也具有以下缺點(diǎn):
1.轉(zhuǎn)矩脈動(dòng):開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)工作在脈沖供電方式中,瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大,轉(zhuǎn)速很低時(shí),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(chǎng)合,SRD與其它類型電機(jī)相比不具有優(yōu)勢(shì)。
2.噪聲:開(kāi)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(shí)更明顯,電機(jī)噪聲大,減小振動(dòng)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(jì)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(cè)器:位置檢測(cè)器使得結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的開(kāi)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(wú)位置檢測(cè)器的檢測(cè)方案是十分有必要的。目前國(guó)內(nèi)外研究較多的是用定子繞組的瞬態(tài)電感信息來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)位置檢測(cè)器方案,但距實(shí)際應(yīng)用還待進(jìn)一步深入研究。
兩種電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域不同,步進(jìn)電機(jī)是可以通過(guò)開(kāi)環(huán)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行位置進(jìn)行精準(zhǔn)控制,開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)主要應(yīng)用于調(diào)速控制
開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的唯一區(qū)別是:SRM的開(kāi)通和關(guān)斷角是可以控制的; 而步進(jìn)電機(jī)是固定的。
1、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)有較大的電動(dòng)機(jī)利用系數(shù),可以是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)利用系數(shù)的1.2~1.4倍。
2、電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,轉(zhuǎn)子上沒(méi)有任何形式的繞組;定子上只有簡(jiǎn)單的集中繞組,端部較短,沒(méi)有相間跨接線。因此,具有制造工序少、成本低、工作可靠、維修量小等特點(diǎn)。
3、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電流極性無(wú)關(guān),只需要單向的電流激勵(lì),理想上公率變換電路中每相可以只用一個(gè)開(kāi)關(guān)元件,且與電動(dòng)機(jī)繞組串聯(lián),不會(huì)像PWM逆變器電源那樣,存在兩個(gè)開(kāi)關(guān)元件直通的危險(xiǎn)。所以,開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)SED線路簡(jiǎn)單,可靠性高,成本低于PWM交流調(diào)速系統(tǒng)。
4、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)形式對(duì)轉(zhuǎn)速限制小,可制成高轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī),而且轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小,在電流每次換相時(shí)又可以隨時(shí)改變相匝轉(zhuǎn)矩的大小和方向,因而系統(tǒng)有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
5、SRD系統(tǒng)可以通過(guò)對(duì)電流的導(dǎo)通、斷開(kāi)和對(duì)幅值的控制,得到滿足不同負(fù)載要求的機(jī)械特性,易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟啟動(dòng)和四象限運(yùn)行等功能,控制靈活。又由于SRD系統(tǒng)是自同步系統(tǒng)運(yùn)行,不會(huì)像變頻供電的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)那樣在低頻時(shí)出現(xiàn)不穩(wěn)定和振蕩問(wèn)題。
6、由于SR開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)采用了獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法以及相應(yīng)的控制技巧,其單位處理可以與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相媲美,甚至還略占優(yōu)勢(shì)。SRD系統(tǒng)的效率和功率密度在寬廣的速度和負(fù)載范圍內(nèi)都可以維持在教導(dǎo)水平。
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