开关磁阻电动机的基本工作原理

伺服与控制

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描述

开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor :SRM)是继直流电机、无刷直流电机(BLDC)之后发展起来的一种调速电机类型。 英、美等国家对开关磁阻电机的研究起步较早,并已取得显著效果,产品功率等级从数w直到数百kw,广泛应用于家用电器、航空、航天、电子、机械及电动车辆等领域。

开关磁阻电动机的基本工作原理

所谓开关磁阻电动机是指电动机各相磁路的磁阻随转子位置而变,因此电动汽车电机的磁场能量也将随转子的位置而变,由此可以以磁能为媒介变换为机械能。这样才能以相序循环供电才能保持转子持续一个方向的旋转,输出机械能。所以说,应该有一个可控制的开关电路,它根据转子的位置来合理地、周期地导通和关断各相电路,实现转子以一定的方向连续旋转,输出机械能。

它遵循磁通量总是沿着磁导最大的路径闭合的原理,产生磁拉力形成转矩-磁阻性质的电磁转矩。因此,它的结构原则是转子旋转时磁路的磁阻要尽可能大的变化,所以开关磁阻电动机采用双凸极结构,并且定子、转子极数不同。

可控开关电路即变换器,它和电源及电动机绕组一起构成功率主电路。而位置检测器是开关磁阻电动机的重要特征部件,它实时检测转子的位置,有序、有效地控制变换器工作。

开关磁阻电动机转矩一转速特性曲线如图4-29所示。

开关磁阻

由图4-29曲线可以看出,当电动机转速低于基速ωb时,电感L很小,此时噪持开通角θon和关断角θoff不变,电动机工作在恒转矩区,这时采用电流斩波控制。如图4-29中第1段曲线。

在(ωb,ωsc)工作区,当电动机电感增加到一定值时,峰值电流上升受到限制,以转子位置角θ作为系统的控制参数,采用角度控制方式,如图4-29中第2段曲线。

在高速工作区ω》ωsc,临界速度ωsc、θon和θoff达到它们的极限值后,保持电动汽车电机相电压U、开通角θ和关断角θoff固定不变,其特性与串励直流电动机特性相似,采用电压斩波控制方式,如图4-29中第3段曲线。SRM定子上有集中绕组,转子上没有绕组,结构紧凑牢固,适合于高速运行。电动机起动力矩大,起动电流小,具有较高的功率密度和转矩惯量比,动态响应快,在广泛的转速范围内效率都比较高,而且可以方便地实现四象限控制。这些特点使开关磁阻电动机很适合于电动车的各种工况下运行,是电动汽车电动机中极具潜力的机种。菲亚特公司的菲亚特500就是开关磁阻电动机驱动。将高性能的永磁材料应用于开关磁阻电动机本体,是对电动机结构的有力改进。电动机由此克服了传统SRM中存在的换流较慢、能量利用率较低的缺点,增加了电动机的比功率密度。电动机转矩较大,这一点极有利于它在电动汽车中的应用。

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