图3-5-1开关磁阻电机转子开关磁阻电机的转子由导磁性能良好的硅钢片叠压而成，转子的凸极上无绕组。开关磁阻电机转子的作用是构成定子磁场磁通路，并在磁场力的作用下转动，产生电磁转矩。⑥ 电磁转矩的脉动较大，在特定频率下会产生谐振，这些都使得开关磁阻电机噪声和振动较大。......
2023-08-20
开关磁阻电机的结构原理与特性
【摘要】：图6-1-5开关磁阻电机的结构原理图开关磁阻电机的定子和转子结构如图6-1-6所示。转子上没有绕组，定子上有6个凸极的称为3相开关磁阻电机，定子上有8个凸极的称为4相开关磁阻电机。表6-1-1开关磁阻电动机的结构类型低于3相的开关磁阻电机一般没有自起动能力，故很少采用。因此，开关磁阻电机绕组相数一般不超过9相。图6-1-11开关磁阻电机的工作特性在恒转矩区，由于电机的转速较低，电机的反电动势较小，因此需要对电流进行斩波限幅。
1．开光磁阻电机的结构
开关磁阻电机本体采用定子、转子双凸极结构，单边励磁，即只有定子凸极采用集中绕组励磁，而转子凸极上既无绕组，也无永磁体；定子、转子都由硅钢片叠坟而成；定子绕组径向相对的极串联构成一相，其结构原理图如图6-1-5所示。
图6-1-5 开关磁阻电机的结构原理图
（1）开关磁阻电机的定子和转子结构如图6-1-6所示。开关磁阻电机的定子和转子相数不同，有多种组合方式，最常见的有三相6/4极结构、三相6/8极结构及三相12/8极结构，如图6-1-7所示。
图6-1-6 定子和转子结构
（a）转子；（b）定子
图6-1-7 开关磁阻电机的几种组合方式
（a）三相6/4极；（b）三相6/8极；（c）三相12/8极
三相6/4极结构表明电机定子有6个凸极、转子有4个凸极，在定子相对称的两个凸极上的集中绕组互相串联，构成一相，相数=定子凸极数/ 2。转子上没有绕组，定子上有6个凸极的称为3相开关磁阻电机，定子上有8个凸极的称为4相开关磁阻电机。相数越多，步进角越小，运转越平稳，越有利于减小转矩波动，但控制越复杂，以致主开关器件增多和成本增加。步进角的计算方法是：
低于三相的开关磁阻电机通常没有自起动能力。目前应用较多的是三相、四相和五相结构。
（2）结构类型，根据转子和定子凸极对数的不同，开关磁阻电机有多种结构，如表6-1-1所示。结构不同，步进角（通电的定子绕组每改变一次转子所转动的角度）也不同。
表6-1-1 开关磁阻电动机的结构类型
低于3相（2对定子凸极、1对转子凸极）的开关磁阻电机一般没有自起动能力，故很少采用。相数多时，电机的转矩脉动小，但结构复杂，电子开关器件多，控制电路复杂，成本相应较高。因此，开关磁阻电机绕组相数一般不超过9相。目前运用较多的开关磁阻电机是3相（2对转子磁极，3对定子磁极）和4相（3对转子磁极，4对定子磁极）。
2．开关磁阻电机原理
以12/8极三相开关磁阻电机为例，图6-1-8所示为该电机的横切面和一相电路的原理示意图，S1、S2是电子开关，VD1、VD2是二极管，US是直流电源。它的定子和转子为双凸极结构，极数互不相等，定子绕组可根据需要采用串联、并联或串并联结合的形式在相应的极上得到径向磁场。转子由硅钢片叠片构成，无绕组，转子带有位置检测器以提供转子位置信号，使定子绕组按一定的顺序通断，保持电机的连续运行。电机磁阻随着转子磁极与定子磁极的中心线对准或错开而变化，因为电感与磁阻成反比，当转子磁极在定子磁极中心线位置时，相绕组电感最大；当转子极间中心线对准定子磁极中心线时，相绕组电感最小。
图6-1-8 12/8极三相开关磁阻电机原理图
当定子A相磁极轴线OA与转子磁极轴线Oa不重合时，如图6-1-9所示，开关S1、S2闭合，A相绕组通电，电机内建立起以OA为轴线的径向磁场，磁通通过定子轭、定子极、气隙、转子极、转子轭等处闭合。通过气隙的磁力线是弯曲的，此时磁路的磁导小于定、转子磁极轴线重合时的磁导，因此，转子将受到气隙中弯曲磁力线的切向磁拉力产生的转矩的作用，使转子逆时针方向转动，转子磁极的轴线Oa向定子A相磁极轴线OA趋近。
当OA和Oa轴线重合时，如图6-1-8所示，转子已达到平衡位置，即当A相定、转子极对极时，切向磁拉力消失，转子不再转动。此时断开A相开关S1、S2，闭合B相开关，建立以B相定子磁极为轴线的磁场，电机内磁场沿顺时针方向转过30°，转子在磁场磁拉力的作用下继续沿着逆时针方向转过15°，转子磁极的轴线Ob向定子B相磁极轴线OB趋近，如图6-1-10所示。以此类推，定子绕组A-B-C三相轮流通电一次，转子逆时针转动了一个转子极距δr，对于三相12/8极开关磁阻电机，δr=360°/8=45°。
可见，连续不断地按A-B-C-A的顺序分别给定子各相绕组通电，电机内磁场轴线沿A-B-C-A的方向不断移动，转子沿A-C-B-A的方向逆时针旋转。如果按A-C-B-A的顺序给定子各相绕组轮流通电，则磁场沿着A-C-B-A的方向转动，转子则沿着与之相反的A-B-C-A方向顺时针旋转。
图6-1-9 控制原理图1
图6-1-10 控制原理图2
3．开关磁阻电机优点
（1）电动机结构简单、成本低，适用于高速。转子上没有任何类型绕组，转子机械强度极高，可以用于超高速运转。
（2）功率电路简单可靠。它只需单方向绕组电流，故功率电路可以做到每相一个功率开关，既降低了成本又具有高的工作可靠性。
（3）各相独立工作，可靠性高。当一相绕组或控制器一相电路发生故障时，只需停止该相工作，电机除总功率有所下降外，并无其他妨碍。
（4）起动电流小、转矩大。试验表明，起动电流为15%、30%额定电流时获得的起动转矩可达额定转矩的100%、150%；起动电流小、转矩大的优点可以延伸到低速运行段，很适合电动车辆等需要重载起动和较长时间低速重载运行的机械。
（5）适用于频繁起动、停止和正、反向转换运行。
（6）可控参数多，调速性能好。控制开关磁阻电机的主要运行参数有相开通角、相关断角、相电流幅值、相绕组电坟等。
（7）损耗小，效率高。转子不存在绕组铜损，加上可控参数多，灵活方便，故易于在宽转速范围和不同负载下实现高效优化控制。
（8）易于回收利用。定子和转子使用的是硅钢片，回收利用容易。
（9）高温运转特性好。运转时转子不发热，冷却控制比较容易，可在高温下运行。
（10）转矩有脉动现象。磁场是跳跃性旋转的，输出的转速与转矩产生脉动现象。
4．开关磁阻电机的运行特性
开关磁阻电机的运行特性可分为三个区，即恒转矩区、恒功率区和自然特性区，如图6-1-11所示。
图6-1-11 开关磁阻电机的工作特性
在恒转矩区，由于电机的转速较低，电机的反电动势较小，因此需要对电流进行斩波限幅。也就是说，开关磁阻电机在低速范围内，通过这种电流斩波控制（CCC）方式，可使电机在恒转矩状态下工作。
在恒功率区，电机的反电动势较大，电子开关晶体管的导通时间较短，因而电流较小。在外加电坟和开关角一定的条件下，随着电机转速的增加，其转矩会急剧下降，此时，可通过控制电子开关晶体管的导通角来延缓转矩的下降速度，这种控制过程称为角度位置控制（APC）方式。
在自然特性区，电机的可控条件都已达到极限，运行特性不再可控，电源电坟、开关的导通角均固定，这时，开关磁阻电机的运行特性与串励直流电机的特性相似，故也称为串励特性区。开关磁阻电机一般不在自然特性区运行，通常在恒转矩区和恒功率区运行。
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