开关磁阻电机

1、2021-7-231 重庆理工大学重庆理工大学 电气工程与自动化系电气工程与自动化系 第第6章章 1 磁阻同步电动机磁阻同步电动机 磁阻电动机是一种转子上没有装设励磁绕组的凸极同步电动磁阻电动机是一种转子上没有装设励磁绕组的凸极同步电动 机，它依靠直轴和交轴两条磁路上磁阻不等而产生电磁转矩，机，它依靠直轴和交轴两条磁路上磁阻不等而产生电磁转矩， 所以称为磁阻同步电动机。所以称为磁阻同步电动机。 对凸极转子，且当对凸极转子，且当XdXd时，即使转子上不装设励磁绕组，时，即使转子上不装设励磁绕组， 也会存在电磁功率和对应的电磁转矩，其大小为也会存在电磁功率和对应的电磁转矩，其大小为 2021-7-

2、232 重庆理工大学重庆理工大学 电气工程与自动化系电气工程与自动化系 第第6章章 2 由上式可见，电磁转矩与功角由上式可见，电磁转矩与功角的关系是按的关系是按(sin2)规律变化规律变化 的。当的。当= 0度时，转矩等于零；度时，转矩等于零；= 45度时，转矩最大；度时，转矩最大；= 90 度时，转矩又会变为零，这种情况可由下图来说明。度时，转矩又会变为零，这种情况可由下图来说明。 2021-7-233 重庆理工大学重庆理工大学 电气工程与自动化系电气工程与自动化系 第第6章章 3 上图上图a是磁阻电动机的空载情况，不计机械损耗时，电机产生的电磁转矩是磁阻电动机的空载情况，不计机械损耗时，电

3、机产生的电磁转矩 TM0，故定子磁场轴线与磁极轴线重合（即，故定子磁场轴线与磁极轴线重合（即 = 0），磁力线不发生扭弯。），磁力线不发生扭弯。 当电动机加上负载时，转子直轴将落后于定子旋转磁场轴线当电动机加上负载时，转子直轴将落后于定子旋转磁场轴线 角，如图角，如图b所所 示示 ( 图中图中= 45 )，由图可见，这个磁场被扭歪了。由于，由图可见，这个磁场被扭歪了。由于磁通具有使其所经路磁通具有使其所经路 径的磁阻为最小的性质径的磁阻为最小的性质，从而力图使转子直轴方向与定子磁场轴线取得一致，从而力图使转子直轴方向与定子磁场轴线取得一致, 因此产生与定子旋转磁场同转向的磁阻转矩因此产生与定子

4、旋转磁场同转向的磁阻转矩 TM ，和负载转矩相平衡。，和负载转矩相平衡。 当当 角增大到角增大到 90时，由图时，由图c 可见，气隙磁场又对称分布，其合成转矩又变可见，气隙磁场又对称分布，其合成转矩又变 成零。成零。 2021-7-234 重庆理工大学重庆理工大学 电气工程与自动化系电气工程与自动化系 第第6章章 4 磁阻同步电动机只存在电枢反应磁场，故又称为磁阻同步电动机只存在电枢反应磁场，故又称为 反应式同步电动机。反应式同步电动机。 电磁功率和电磁转矩的最大值为：电磁功率和电磁转矩的最大值为： 2021-7-235 重庆理工大学重庆理工大学 电气工程与自动化系电气工程与自动化系 第第6章

5、章 5 磁阻电动机一般靠实心转子的感应磁阻电动机一般靠实心转子的感应 涡流并借助于铝或铜所起笼型绕组涡流并借助于铝或铜所起笼型绕组 的作用起动。当转子接近同步速时，的作用起动。当转子接近同步速时， 借助凸极效应产生的磁阻转矩，转借助凸极效应产生的磁阻转矩，转 子会自动拉入同步。子会自动拉入同步。 磁阻电动机转子上既无励磁绕组磁阻电动机转子上既无励磁绕组 也没有集电环而使得结构简单，工也没有集电环而使得结构简单，工 作可靠，在控制系统、自动记录装作可靠，在控制系统、自动记录装 置、电钟等需要保持恒速的场合获置、电钟等需要保持恒速的场合获 得了广泛的应用。得了广泛的应用。 可以看出，电机可以看出，

6、电机Xd比比Xq的数值愈大，则的数值愈大，则TMmax的数值也愈大。的数值也愈大。 为了增大为了增大 Xd比比Xq的比值，转子常采用如下图所示的钢片和非的比值，转子常采用如下图所示的钢片和非 磁性材料（如铝、铜）相间镶嵌的结构，其中铝或铜部分可起磁性材料（如铝、铜）相间镶嵌的结构，其中铝或铜部分可起 到笼型绕组的作用使电机起动。在电机正常运行时，由于交轴到笼型绕组的作用使电机起动。在电机正常运行时，由于交轴 磁路多次跨过非磁性区域，遇到的磁阻很大，对应的磁路多次跨过非磁性区域，遇到的磁阻很大，对应的 Xq很小。很小。 2021-7-236 重庆理工大学重庆理工大学 电气工程与自动化系电气工程与

7、自动化系 第第6章章 6 8.4 开关磁阻电动机开关磁阻电动机 Switched Reluctance Motor（SRM） 开关磁阻电动机（开关磁阻电动机（SRM）是近些年发展的新型）是近些年发展的新型 调速电机，结构简单结实、调速范围宽且性能调速电机，结构简单结实、调速范围宽且性能 好，现已广泛用在工业、航空业和家用电器各好，现已广泛用在工业、航空业和家用电器各 个领域。主要有：排风机、空调、洗衣机、电个领域。主要有：排风机、空调、洗衣机、电 动车、各种搬运机器。动车、各种搬运机器。 2021-7-237 重庆理工大学重庆理工大学 电气工程与自动化系电气工程与自动化系 第第6章章 7 -

8、定转子双凸极结构定转子双凸极结构 - 定子各极上绕有集中线圈定子各极上绕有集中线圈 - 转子上无绕组，无永磁铁，仅有叠转子上无绕组，无永磁铁，仅有叠 片叠压而成片叠压而成 - 按照按照“磁阻最小化原理磁阻最小化原理”，产生磁，产生磁 阻电磁转矩阻电磁转矩 - 按转子位置给定子绕组逐次供电，按转子位置给定子绕组逐次供电， 以便旋转以便旋转 开关磁阻电机的结构开关磁阻电机的结构 2021-7-238 重庆理工大学重庆理工大学 电气工程与自动化系电气工程与自动化系 第第6章章 8 电机的定子铁芯有六个齿极，由导磁良好的硅钢片电机的定子铁芯有六个齿极，由导磁良好的硅钢片 冲制。冲制。 开关磁阻电机的原

9、理开关磁阻电机的原理 2021-7-239 重庆理工大学重庆理工大学 电气工程与自动化系电气工程与自动化系 第第6章章 9 电机的转子铁芯有四个齿极，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。 与普通电机一样，转子在定子内自由转动。与普通电机一样，转子在定子内自由转动。 2021-7-2310 重庆理工大学重庆理工大学 电气工程与自动化系电气工程与自动化系 第第6章章 10 由于定子与转子都有凸起的齿极，这种形式也称为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。双凸极结构。 2021-7-2311 重庆理工大学重庆理工大学 电气工程与自动化系电气工

10、程与自动化系 第第6章章 11 在定子齿极上绕有线圈（定在定子齿极上绕有线圈（定 子绕组），用来向电机提供子绕组），用来向电机提供 工作磁场。在转子上没有线工作磁场。在转子上没有线 圈，这是磁阻电机的主要特圈，这是磁阻电机的主要特 点。在讲电动机工作原理时点。在讲电动机工作原理时 常用通电导线在磁场中受力常用通电导线在磁场中受力 来解释电动机旋转的道理，来解释电动机旋转的道理， 磁阻电机转子上没有线圈，磁阻电机转子上没有线圈， 那是靠什么力推动转子转动那是靠什么力推动转子转动 呢？磁阻电动机是利用磁阻呢？磁阻电动机是利用磁阻 最小原理，也就是磁通总是最小原理，也就是磁通总是 沿磁阻最小的路径闭

11、合，利沿磁阻最小的路径闭合，利 用磁引力拉动转子旋转。用磁引力拉动转子旋转。 2021-7-2312 重庆理工大学重庆理工大学 电气工程与自动化系电气工程与自动化系 第第6章章 12 下面通过图示来说明转下面通过图示来说明转 子的工作原理，下面是子的工作原理，下面是 磁阻电动机的正视图，磁阻电动机的正视图， 定子六个齿极上绕有线定子六个齿极上绕有线 圈，径向相对的两个线圈，径向相对的两个线 圈是连接在一起的，组圈是连接在一起的，组 成一成一“相相”，该电机有，该电机有3 相，结合定子与转子的相，结合定子与转子的 极数就称该电机为三相极数就称该电机为三相6 / 4结构。在下图标注的结构。在下图标

12、注的 A、B、C相线圈仅为后相线圈仅为后 面分析磁路带来方便，面分析磁路带来方便， 并不是连接三相交流电。并不是连接三相交流电。 2021-7-2313 重庆理工大学重庆理工大学 电气工程与自动化系电气工程与自动化系 第第6章章 13 在下面有一组磁阻电动机运转原理动画的截图，从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；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；把转子启动通过定子与转子的深蓝色线是磁力线；把转子启动

13、前的转角定为前的转角定为0度。度。 2021-7-2314 重庆理工大学重庆理工大学 电气工程与自动化系电气工程与自动化系 第第6章章 14 从左面图起，从左面图起，A相线圈接通电源产生磁通，磁力线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；有弹力的线，在磁力的牵引下转子开始逆时针转动； 中间图是转子转了中间图是转子转了10度的图，右面图是转到度的图，右面图是转到20度的度的 图，磁力一直牵引转子转到图，磁力一直牵引转子转到30度为止，到了度为止，到了30度转度转 子不再

14、转动，此时磁路最短。子不再转动，此时磁路最短。 2021-7-2315 重庆理工大学重庆理工大学 电气工程与自动化系电气工程与自动化系 第第6章章 15 为了使转子继续转动，在转子转到为了使转子继续转动，在转子转到30度前已切断度前已切断 A相电源在相电源在30度接通度接通B相电源，磁通从最近的转相电源，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。中间图是转子转到转动。中间图是转子转到40度的图，右面图是转度的图，右面图是转 到到50度的图，磁力一直牵引转子转到度的图，磁力一直牵引转子转到60度为止。度为止。 2021-7-231

15、6 重庆理工大学重庆理工大学 电气工程与自动化系电气工程与自动化系 第第6章章 16 在转子转到在转子转到60度前切断度前切断B相电源在相电源在60度时接通度时接通C相电相电 源，磁通从最近的转子齿极通过转子铁芯，见下左图。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，中间图是转子转到转子继续转动，中间图是转子转到70度的图，右面图度的图，右面图 是转到是转到80度的图，磁力一直牵引转子转到度的图，磁力一直牵引转子转到90度为止。度为止。 2021-7-2317 重庆理工大学重庆理工大学 电气工程与自动化系电气工程与自动化系 第第6章章 17 当转子转到当转子转到90度前切断

16、度前切断C相电源，转子在相电源，转子在90度的度的 状态与前面状态与前面0度开始时一样，重复前面过程，接通度开始时一样，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，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。接受开关控制，故称为开关磁阻电动机。 2021-7-2318 重庆理工大学重庆

17、理工大学 电气工程与自动化系电气工程与自动化系 第第6章章 18 转子每转一个齿距角，定子每相通断工作一个周期转子每转一个齿距角，定子每相通断工作一个周期 如何确定每相通断时间：如何确定每相通断时间：位置检测位置检测 其转子转速为其转子转速为 r ph N f n 60 2021-7-2319 重庆理工大学重庆理工大学 电气工程与自动化系电气工程与自动化系 第第6章章 19 开关磁阻电机的驱动系统开关磁阻电机的驱动系统 2021-7-2320 重庆理工大学重庆理工大学 电气工程与自动化系电气工程与自动化系 第第6章章 20 n不对称半桥线路不对称半桥线路 主电路：主电路： 2021-7-232

18、1 重庆理工大学重庆理工大学 电气工程与自动化系电气工程与自动化系 第第6章章 21 n双绕组功率变换器双绕组功率变换器 2021-7-2322 重庆理工大学重庆理工大学 电气工程与自动化系电气工程与自动化系 第第6章章 22 - 电气及机械结构简单、坚固，制造工艺简单（可媲美电气及机械结构简单、坚固，制造工艺简单（可媲美 于感应电机）于感应电机） - 需要专门的驱动电路，也因此容易实现多功能需要专门的驱动电路，也因此容易实现多功能 - 损耗主要产生在定子端，因此驱动系统的效率高（相损耗主要产生在定子端，因此驱动系统的效率高（相 对于感应电机）对于感应电机） - 电机的制作成本低，因此其经济性

19、能好电机的制作成本低，因此其经济性能好 - 起动转矩大，低速性能好起动转矩大，低速性能好 - 调速范围宽调速范围宽(可工作于达几万可工作于达几万rpm转速）转速）) - 在宽领域内的调速范围内，控制灵活，易于实现各种在宽领域内的调速范围内，控制灵活，易于实现各种 转矩速度特性转矩速度特性 - 可四象限运行，具有再生制动能力可四象限运行，具有再生制动能力 - 噪音，振动大（缺点）噪音，振动大（缺点） 开关磁阻电机的特点开关磁阻电机的特点 2021-7-2323 重庆理工大学重庆理工大学 电气工程与自动化系电气工程与自动化系 第第6章章 23 类比与特点类比与特点 2021-7-2324 重庆理工

20、大学重庆理工大学 电气工程与自动化系电气工程与自动化系 第第6章章 24 功能功能 将电脉冲信号转换成转角或转速信号。将电脉冲信号转换成转角或转速信号。 转角转角 脉冲信号的个数；脉冲信号的个数； 转速转速 n 脉冲信号的频率。脉冲信号的频率。 用途用途 高精度的角度控制。高精度的角度控制。 分类分类 按定子相数不同：三相、四相、五相、六相等；按定子相数不同：三相、四相、五相、六相等； 按转子材料不同：永磁式、磁阻式（反应式）。按转子材料不同：永磁式、磁阻式（反应式）。 1. 基本结构基本结构2. 工作原理工作原理 与电源、负载、与电源、负载、 环境等因素无关环境等因素无关 9.3 步进电动机

21、步进电动机 2021-7-2325 重庆理工大学重庆理工大学 电气工程与自动化系电气工程与自动化系 第第6章章 25 1 4 2 3 1. 定子定子 2. 转子转子 一、基本结构一、基本结构 U1 U2 V1 V2 W2 W1 三相磁阻式步进三相磁阻式步进 电动机原理图电动机原理图 2021-7-2326 重庆理工大学重庆理工大学 电气工程与自动化系电气工程与自动化系 第第6章章 26 步进电动机的典型结构步进电动机的典型结构 U2 U1 W2 W1V1 V2 2021-7-2327 重庆理工大学重庆理工大学 电气工程与自动化系电气工程与自动化系 第第6章章 27 二、工作原理二、工作原理 一

22、拍一拍 从一次通电到另一次通电。从一次通电到另一次通电。 步距角步距角 每一拍转子转过的角度。每一拍转子转过的角度。 (1) m 相单相单 m 拍运行（三相单三拍运行）拍运行（三相单三拍运行） (2) m 相双相双 m 拍运行（三相双三拍运行）拍运行（三相双三拍运行） (3) m 相单双相单双 2m 拍运行（三相单双六拍运行）拍运行（三相单双六拍运行） 2021-7-2328 重庆理工大学重庆理工大学 电气工程与自动化系电气工程与自动化系 第第6章章 28 1 4 2 3 1 4 2 3 1 4 2 3 1 4 2 3 U1 U2 V1 V2 W2 W1 1. m 相单相单 m 拍运行（三相单

23、三拍运行）拍运行（三相单三拍运行） 通电顺序：通电顺序： U 相相V 相相W 相相U 相。相。 U 相通电相通电 1 4 2 3 U1 U2 V1 V2 W2 W1 1 4 2 3 V 相通电相通电 U1 U2 V1 V2 W2 W1 W 相通电相通电 1 4 2 3 1 4 2 3 一步一步两步两步 三步三步 步距角：步距角： = 30 2021-7-2329 重庆理工大学重庆理工大学 电气工程与自动化系电气工程与自动化系 第第6章章 29 2. m 相双相双 m 拍运行（三相双三拍运行）拍运行（三相双三拍运行） 通电顺序：通电顺序： UV 相相VW 相相WU 相。相。 1 4 2 3 U1

24、 U2 V1 V2 W2 W1 UV 相通电相通电 1 4 2 3 1 4 2 3 U1 U2 V1 V2 W2 W1 VW 相通电相通电 1 4 2 3 1 4 2 3 U1 U2 V1 V2 W2 W1 WU 相通电相通电 1 4 2 3 步距角：步距角： = 30 1 4 2 3 1 4 2 3 2021-7-2330 重庆理工大学重庆理工大学 电气工程与自动化系电气工程与自动化系 第第6章章 30 3. m 相单双相单双 2m 拍运行拍运行 (三相单双六拍运行）三相单双六拍运行） 通电顺序：通电顺序：UUV VVW W WU U。 1 4 2 3 U1 U2 V1 V2 W2 W1 1 1 4 2 3 U1 U2 V1 V2 W2 W1 2 1 4 2 3 U1 U2 V1 V2 W2 W1 3 1 4 2 3 U1 U2 V1 V2 W2 W1 4 1 4 2 3 U1 U2 V1 V2 W2 W1 5 1 4 2 3 U1 U2 V1 V2 W2 W1 6 1 4 2 3 步距角：步距角： =