5.4開關(guān)磁阻型電動機
    1．開關(guān)磁阻電動機的性能
    開關(guān)磁阻電動機是一種新型調(diào)速電動機，調(diào)速系統(tǒng)兼具直流、交流兩類調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點，是繼變頻調(diào)速系統(tǒng)、無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的最新一代無極調(diào)速系統(tǒng)。它的結(jié)構(gòu)簡單，在電動機的轉(zhuǎn)子上，沒有滑環(huán)、繞組等轉(zhuǎn)子導體和永久磁鐵等。開關(guān)磁阻電動機的定子和轉(zhuǎn)子都是凸極結(jié)構(gòu)，只在電動機的定子上安裝有簡單的集中勵磁繞組，勵磁繞組的端部較短，沒有相間跨接線，磁通量集中于磁極區(qū)，通過定子電流來勵磁。各組磁路的磁阻隨轉(zhuǎn)子位置不同而變化，轉(zhuǎn)子的運轉(zhuǎn)是依靠磁引力來運行，轉(zhuǎn)速可以達到15000 r/min，在較寬的轉(zhuǎn)速范圍和較寬的轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)效率可以達到85%～93%，比三相感應(yīng)電動機要高，其轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速特性好，在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速可靈活控制，調(diào)速控制較簡單，并可實現(xiàn)四象限運行。有較高的啟動轉(zhuǎn)矩和較低的啟動功率，開關(guān)磁阻電動機功率密度高，結(jié)構(gòu)簡單堅固，可靠性好，但轉(zhuǎn)矩脈動大，控制系統(tǒng)較復雜，工作噪聲大，體積比同樣功率的感應(yīng)式電動機要大一些。
    現(xiàn)如今，開關(guān)磁阻電動機的應(yīng)用和發(fā)展取得了明顯的進步，己成功地應(yīng)用于電動車驅(qū)動、通用工業(yè)、家用電器和紡織機械等各個領(lǐng)域，功率范圍從10w到5 MW，最大速度高達100000 r/min。
    2．開關(guān)磁阻電動機的結(jié)構(gòu)
    開關(guān)磁阻電動機的定子和轉(zhuǎn)子采用凸極結(jié)構(gòu)，定子和轉(zhuǎn)子都是由硅鋼片疊片組成的。開關(guān)磁阻電動機的定子和轉(zhuǎn)子極數(shù)不同，有多種組合方式，最常見的有四相8/6結(jié)構(gòu)和三相6/4結(jié)構(gòu)。其中，三相開關(guān)磁阻電動機的定子上有6個凸極，轉(zhuǎn)子上有4個凸極，這就是三相6/4結(jié)構(gòu)。四相開關(guān)磁阻電動機的定子上有8個凸極，轉(zhuǎn)子上有6個凸極。在定子相對稱的兩個凸極上的集中繞組互相串聯(lián)，構(gòu)成一相，但在轉(zhuǎn)子上沒有任何繞組。因此，定子上有6個凸極的為三相開關(guān)磁阻電動機，定子上有8個凸極的為四相開關(guān)磁阻電動機，如此類推，由于開關(guān)磁阻電動機的定子凸極數(shù)量不同，形成不同極數(shù)的開關(guān)磁阻電動機。開關(guān)磁阻電動機的結(jié)構(gòu)方案見表6。

    如圖50 （a）所示為三相6/4凸極結(jié)構(gòu)的開關(guān)磁阻電動機的定子和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)剖面示意圖，圖50 （b）所示為三相12/8凸極雙繞組結(jié)構(gòu)的開關(guān)磁阻電動機的定子和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)剖面示意圖，圖50（c）所示為四相8/6凸極結(jié)構(gòu)的開關(guān)磁阻電動機的定子和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)剖面示意。

    3．開關(guān)磁阻電動機的工作原理
    如圖51所示是三相開關(guān)磁阻電動機的剖面，從圖51中可以看出如果按A、B、C、A的順序向定子繞組輪流通電時，定子便產(chǎn)生按順序變換的磁場，此時，電動機的轉(zhuǎn)子就會連續(xù)不斷逆時針地轉(zhuǎn)動。如果反過來按，A'、C'、B'、A'改變定子繞組通電順序時，開關(guān)磁阻電動機轉(zhuǎn)子就可以改變轉(zhuǎn)動的方向。圖51的三相開關(guān)磁阻電動機定子的凸極數(shù)為6個，轉(zhuǎn)子的凸極數(shù)為4個，當A、B、C三相輪流通電一次時，轉(zhuǎn)子共轉(zhuǎn)1/2步進角。如果改變電流的大小，則可改變電動機轉(zhuǎn)矩的大小進而改變電動機的轉(zhuǎn)速。如果控制在轉(zhuǎn)子極離開定子極通電，即可產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反的制動轉(zhuǎn)矩。

    4．開關(guān)磁阻電動機的特點
    1）開關(guān)磁阻電動機的優(yōu)點
    開關(guān)磁阻電動機傳動系統(tǒng)綜合了感應(yīng)電動機傳動系統(tǒng)和直流電動汽車電動機傳動系統(tǒng)的優(yōu)點，是這些傳動系統(tǒng)的有力競爭者，其主要優(yōu)點如下：
    （1）高啟動轉(zhuǎn)矩、低啟動電流。經(jīng)試驗結(jié)果表明，開關(guān)磁阻電動機在巧％的額定電流時，即可獲得100％的額定轉(zhuǎn)矩，而且還可以延伸到低速運行段，恒轉(zhuǎn)矩的調(diào)速范圍可達到1:30。而一般直流電動機在100％的額定電流時可獲得100％的額定轉(zhuǎn)矩，感應(yīng)電動機在300%額定電流時，才能獲得100％的額定轉(zhuǎn)矩。用低啟動電流即可獲得高的啟動轉(zhuǎn)矩，并且沒有啟動沖擊電流，是開關(guān)磁阻電動機的最大特點。開關(guān)磁阻電動機具有較高的功率密度，其效率和輸出功率又可以在寬廣的轉(zhuǎn)速和負載范圍內(nèi)保持較高的水平實現(xiàn)高效優(yōu)化調(diào)節(jié)控制，其系統(tǒng)效率可以達到85％以上，具有明顯的節(jié)能效果，比不調(diào)速電動機的效率還要高，非常適合混合動力汽車的驅(qū)動要求，這對采用電池作為動力能源的混合動力汽車具有很大的吸引力和實用性。
    （2）高效率、低損耗、耐溫。開關(guān)磁阻電動機的調(diào)速系統(tǒng)效率非常高，電流的幅值、轉(zhuǎn)矩的方向及大小都能得到控制，可以實現(xiàn)軟啟動和四象限運轉(zhuǎn)，控制起來靈活、方便，具有其他調(diào)速系統(tǒng)難以達到的水平。開關(guān)磁阻電動機系統(tǒng)在運行時電動機繞組通電狀態(tài)的改變與電動機轉(zhuǎn)子位置變化相同步，所以不會產(chǎn)生失步現(xiàn)象。開關(guān)磁阻電動機的可控參數(shù)多，動態(tài)響應(yīng)快，因此在寬轉(zhuǎn)速范圍運行區(qū)內(nèi)和不同負載的條件下，也不會發(fā)生在變頻器供電時三相異步電動機在低頻時易發(fā)生的不穩(wěn)定的振蕩現(xiàn)象和永磁電動機因受高溫影響而出現(xiàn)的失磁現(xiàn)象。
    開關(guān)磁阻電動機的轉(zhuǎn)子從結(jié)構(gòu)上就不存在銅損，在運轉(zhuǎn)時繞組電阻損耗和鐵損都只出現(xiàn)在定子上，這樣電動機的散熱比較容易，另一方面在轉(zhuǎn)子上沒有繞組和永磁體，轉(zhuǎn)子允許的最高溫度大大高于其他類型的電動機。
    （3）電動機結(jié)構(gòu)簡單，適用于高速運轉(zhuǎn)，開關(guān)磁阻電動機的轉(zhuǎn)子只是一段疊片鐵芯，上面沒有任何形式的繞組，轉(zhuǎn)子慣量低，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)快，轉(zhuǎn)子的機械強度高，對轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速限制少，可在15000～50000 r/min以上超高轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)，可以有更大的調(diào)速范圍，還不存在因高速和高溫引起的退磁現(xiàn)象，這是開關(guān)磁阻電動機的突出特點。
    定子上也只有結(jié)構(gòu)簡單的集中繞組，轉(zhuǎn)子、定子都是大齒槽結(jié)構(gòu)，繞組端部短而且牢固。它的結(jié)構(gòu)比通常認為最簡單的籠型感應(yīng)電動機的結(jié)構(gòu)還要簡單，可靠性高，絕緣結(jié)構(gòu)簡單，制造簡便，便于維修，這也是開關(guān)磁阻電動機的突出特點。
    （4）電動機的功率電路簡單。一般感應(yīng)電動機繞組需要通過雙向電流，因此，為它供應(yīng)電流的PWM變頻器的功率電路每相都需要兩個功率開關(guān)。而開關(guān)磁阻電動機轉(zhuǎn)矩方向與電流方向無關(guān)，只需要單方向繞組電流，為它供應(yīng)電流的功率電路每相只需要一個功率開關(guān)。因此，功率開關(guān)和輔助器件少，電路結(jié)構(gòu)簡單，開關(guān)磁阻電動機功率變換器系統(tǒng)中的保護電路可以簡化，從而提高了功率變換器系統(tǒng)的可靠性，并適用于在頻繁啟、停、變速和制動的工況下工作。另外在開關(guān)磁阻電動機的功率開關(guān)器件直接與電動機定子繞組相串聯(lián)，完全避免了在感應(yīng)電動機和直流無刷電動機驅(qū)動系統(tǒng)的逆變器中，上下兩個開關(guān)同時導通而形成直通短路引起功率開關(guān)器件被燒毀的現(xiàn)象發(fā)生。
    （5）可靠性好。一般感應(yīng)電動機是在各相繞組和磁路共同作用下產(chǎn)生一個圓形磁場，電動機才能正常運轉(zhuǎn)，如果其中有一相電路發(fā)生故障時感應(yīng)電動機就不能正常運轉(zhuǎn)以致燒毀，開關(guān)磁阻電動機各相的定子繞組和磁路互相獨立，各相電路單獨為本相繞組供電，并且各自在一定的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，一般也是獨立工作。當開關(guān)磁阻電動機的一相繞組和磁路或控制器的一相電路發(fā)生故障時，只需停止該相工作，電動機仍然可以繼續(xù)運轉(zhuǎn)，只是減少了電動機的輸出總功率，無其他影響，是一種可靠性極高的系統(tǒng)。
    （6）良好的適應(yīng)性，成本低。開關(guān)磁阻電動機加速時間和減速時間，可以自動與負載相適應(yīng)，還可以根據(jù)使用條件來設(shè)定。瞬時斷電時不跳閘，能夠自動恢復以前的運行狀杰。由于其結(jié)構(gòu)簡單牢固，轉(zhuǎn)子上沒有任何形式的繞組，更能夠適應(yīng)在潮濕、多粉塵的惡劣環(huán)境條件下工作，結(jié)構(gòu)特性好，制造成本低，不需要進行維護等。
    2）開關(guān)磁阻電動機的缺點
    （1）轉(zhuǎn)矩有脈動現(xiàn)象。從工作原理可知，S開關(guān)磁阻電動機轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是由一系列脈沖轉(zhuǎn)矩疊加而成的，由于雙凸極結(jié)構(gòu)和磁路飽和非線性的影響，合成轉(zhuǎn)矩不是一個恒定轉(zhuǎn)矩，而有一定的諧波分量，這影響了開關(guān)磁阻電動機低速運行性能。目前只可以在不太寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，使開關(guān)磁阻電動機的脈動降低到交流感應(yīng)電動機的水平，但要在寬率較大的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)部都能控制脈動在小的范圍內(nèi)，限于開關(guān)磁阻電動機系統(tǒng)有高的非線性特性，實際控制中是非常困難的。
    （2）振動與噪聲。開關(guān)磁阻電動機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩有脈動現(xiàn)象，另外還有單邊磁拉力的作用，使電動機產(chǎn)生振動與噪聲，有時功率變換器的開關(guān)頻率也會產(chǎn)生噪聲，一般開關(guān)磁阻電動機的噪聲要超過其他類型的電動機。
    （3）控制系統(tǒng)復雜。開關(guān)磁阻電動機的控制系統(tǒng)相對于其他電動機的控制系統(tǒng)復雜一些，包括位置檢測器和電流檢測器等控制總成，開關(guān)磁阻電動機、位置檢測器和電流檢測器等的引線比其他電動機要多，使得控制和接線更復雜。
    （4）脈沖電流的影響。開關(guān)磁阻電動機的相電流是脈沖電流，這就會對為它供電的直流電源產(chǎn)生很大的脈沖電流，因此，功率變換器的直流電流一側(cè)的電流波動也較大，所以在直流母線上需要裝置一個很大的濾波電容器。
    上述缺點通過對混合動力汽車電動機進行精心設(shè)計，采取適當措施，并從控制角度考慮采用合理策略可以得到改進。

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