(1)开关磁阻电动机的性能开关磁阻电动机(SRM)是一种新型电动机,它的结构比其
他任何一种电动机都要简单,在电动机的转子上,没有滑环、绕组等转子导体和永久磁铁等。开关磁阻电动机的定子和转子都是凸极结构,只在电动机的定子上安装有简单的集中励磁绕组,励磁绕组的端部较短,没有相间跨接线,磁通量集中于磁极区,通过定子电流来励磁。各组磁路的磁阻随转子位置不同而变化。转子依靠磁引力来运行,转速可以达到1500r/min。在较宽的转速和转矩范围内效率可以达到85%~93%,比三相感应电动机要高。其转矩转速特性好,在较宽的转速范围内,转矩、转速可灵活控制,调速控制较简单,并可实现四象限运行。有较高的启动转矩和较低的启动功率,开关磁阻电动机功率密度高,结构简单坚固,可靠性好,但转矩脉动大,控制系统较复杂,工作噪声大,体积比同样功率的三相感应电动机要大一些。
(2)开关磁阻电动机的结构开关磁阻电动机的定子和转子采用凸极结构,定子和转子都是由硅钢片叠片组成,开关磁阻电动机的定子和转子极数不同,有多种组合方式,最常见的有四相8/6结构和三相6/4结构。三相开关磁阻电动机的定子上有6个凸极,转子上有4个凸极。四相开关磁阻电动机的定子上有8个凸极,转子上有6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,但在转子上没有任何绕组。因此,定子上有6个凸极的为三相开关磁阻电动机,定子上有8个凸极的为四相开关磁阻电动机,依此类推。由于开关磁阻电动机的定子凸极数量不同,形成不同极数的开关磁阻电动机。开关磁阻电动机的结构方案有多种组合方式,具体见表2-6。
图2-32(a)所示为三相6/4凸极结构的开关磁阻电动机的定子和转子结构剖面示意图,图2-32(b)所示为三相12/8凸极(双绕
构的开关磁阻电动机的定子和转子结构剖面示意图,图2-32(c)为四相8/6凸极结构的开关磁阻电动机的定子和转子结构剖面示意图。
(3)开关磁阻电动机的工作原理图2-33所示为三相开关磁阻电动机的工作原理,可以看出如果按A、B、C、A的顺序向定子绕组轮流通电时,定子便产生按顺序变换的磁场,电动机的转子即连续不断地逆时针转动。如果反过来按A′、C′、B′、A′改变定子绕组通电顺序时,就可以改变开关磁阻电动机转子转动的方向。图2-33中三相开关磁阻电动机定子的凸极数为6个,转子的凸极数为4个,当A、B、C三相轮流通电一次时,转子共转π/2步进角。如果改变电流的大小,则可改变电动机转矩的大小进而改变电动机的转速。如果控制在转子极离开定子极时通电,即可产生与转子旋转方向相反的制动转矩。
(4)开关磁阻电动机的特点中①开关磁阻电动机的优点a.高启动转矩、低启动电流一般直流电动机在100%的额定电流时可获得100%的额定转矩。感应电动机在300%额定电流时
才能获得100%的额定转矩。而试验结果表明,开关磁阻电动机在15%的额定电流时,即可获得100%的额定转矩,而且还可以延伸到低速运行段,恒转矩的调速范围可达到1:30。用低启动电流时可获得高的启动转矩,并且没有启动冲击电流,是开关磁阻电动机的最大特点。开关磁阻电动机具有较高的功率密度,其效率和输出功率可以在相当宽的转速和负载范围内保持较高的水平,实现高效优化调节控制,其系统效率可以达到85%以上,具有明显的节能效果,比不调速电动机的效率还要高,非常适合混合动力汽车的驱动要求,这对采用电池作为动力能源的混合动力汽车具有很大的吸引力和实用性。
b.高效率、低损耗、耐热 开关磁阻电动机系统在运行时电动机绕组通电状态的改变与电动机转子位置变化相同步,所以不会产生失步现象。开关磁阻电动机的可控参数多,动态响应快,因此在宽转速范围运行区内和不同负载的条件下,也不会发生变频器供电时三相异步电动机在低频时易发生的不稳定的振荡现象和永磁电动机因受高温影响而出现的失磁现象。开关磁阻电动机的调速系统效率非常高,电流的幅值、转矩的方向及大小都能得到控制,可以实现软启动和四象限运转,控制起来灵活、方便开关磁阻电动机的转子从结构上就不存在铜耗,在运转时绕组电阻损耗和铁损耗低,而且都只出现在定子上,这样电动机的散热比较容易,另一方面在转子上没有绕组和永磁体,转子允许的最高温度大大地高于其他类型的电动机。
C.结构简单、适于高速运转 开关磁阻电动机的转子只是一段叠片铁芯,上面没有任何形式的绕组,转子惯量低,系统动态响应快,转子的机械强度高,对转子的转速限制少,可在15000~50000r/min以上超高转速下运转,可以有更大的调速范围,还不存在因高速和高温引起的退磁现象,这是开关磁阻电动机的突出特点。
定子上也只有结构简单的集中绕组,转子、定子都是大齿槽结构,绕组端部短而且牢固。它的结构比通常认为最简单的笼型感应电动机的结构还要简单。可靠性高,绝缘结构简单,制造简便,便于维修,这也是开关磁阻电动机的突出特点。
d.功率电路简单 一般感应电动机绕组需要通过双向电流,因此为它供应电流的PWM变频器的功率电路每相都需要两个功率开关。而开关磁阻电动机转矩方向与电流方向无关,只需要单方向绕组电流,为它供应电流的功率电路每相只需一个功率开关,功率开关和辅助器件少,电路结构简单。开关磁阻电动机功率变换器系统中的保护电路可以简化,从而提高了功率变换器系统的可靠性,并适用于在频繁启、停、变速和制动的工况下工作。另外,开关磁阻电动机的功率开关器件直接与电动机定子绕组串联,完全避免了在感应电动机和直流无刷电动机驱动系统的逆变器中,上下两个开关同时导通而形成直通短路引起功率开关器件被烧毁的现象发生。
e.可靠性好 一般感应电动机是在各相绕组和磁路共同作用下产生一个圆形磁场,电动机才能正常运转,如果其中有一相电路发生故障时感应电动机就不能正常运转以致烧毁。开关磁阻电动机各相的定子绕组和磁路互相独立,各相电路单独为本相绕组供电,并且各自在一定的转角范围内产生电磁转矩,一般也是独立工作当开关磁阻电动机的一相绕组和磁路或控制器的一相电路发生故障时,只需停止该相工作,电动机仍然可以继续运转,只是减少了电动机的输出总功率,无其他影响,是一种可靠性极高的系统。
f.良好的适应性、成本低 开关磁阻电动机加速时间和减速时间,可以自动与负载相适应,还可以根据使用条件来设定。瞬时断电时不跳闸,能够自动恢复以前的运行状态。由于结构简单牢固,转子上没有任何形式的绕组,更能够适应在潮湿、多粉尘的恶劣环境条件下工作,结构特性好,制造成本低,不需要进行维护等。
②开关磁阻电动机的缺点
a.转矩有脉动现象 开关磁阻电动机中的磁场是跳跃性旋转的,使开关磁阻电动机输出的转速与转矩产生脉动现象,目前只可以在不太宽的转速范围内,使开关磁阻电动机的脉动降低到交流感应电动机的水平,但要在宽度较大的转速范围内都能控制脉动在小的范围内,限于开关磁阻电动机系统有高的非线性特性,实际控制中是非常困难的。
b.振动与噪声 开关磁阻电动机的转速与转矩有脉动现象，
另外还有单边磁拉力的作用,使电动机产生振动与噪声,有时功率变换器的开关频率也会产生噪声,一般开关磁阻电动机的噪声要超过其他类型的电动机。
C.控制系统复杂 开关磁阻电动机的控制系统相对于其他电动机的控制系统复杂一些,包括位置检测器和电流检测器等控制总成。开关磁阻电动机、位置检测器和电流检测器等的引线比其他电动机要多,使控制和接线更复杂。
d.脉冲电流的影响 开关磁阻电动机的相电流是脉冲电流,因此功率变换器的直流电流一侧的电流波动也较大,所以在直流母线上需要装置一个很大的滤波电容器。
