CN103904854A

CN103904854A - 一种开关磁阻电动机

Info

Publication number: CN103904854A
Application number: CN201210587261.9A
Authority: CN
Inventors: 丁金龙
Original assignee: Beijing China Tex Mechanical & Electrical Engineering Ltd
Current assignee: Nideke (beijing) Transmission Technology Co Ltd
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2014-07-02

Abstract

本发明涉及一种开关磁阻电动机，电动机相数为N，每相有2K个定子凸极，所述N、K均为整数、N>=2、K>=1，所述电动机的定子共有2KN个定子凸极，在圆周上均匀分布；每个定子凸极上都嵌有匝数和线径相同的工作线圈，每相2K个定子凸极的工作线圈连成一相工作绕组；其中，每个定子凸极上都嵌有匝数和线径相同的励磁线圈；每相2K个定子凸极的励磁线圈连成一相励磁绕组；每相中的工作绕组和励磁绕组极性相同；各相励磁绕组并联或者串联在一起，由单独的电源供电，提供恒定的偏置电流。本发明能够在不增加控制系统功率电路容量的情况下，仅对电动机绕组进行改进，实现改善开关磁阻电动机的控制性能，且控制方式更简单，成本低，可靠性高。

Description

一种开关磁阻电动机

技术领域

本发明涉及一种开关磁阻电动机，尤其是涉及一种通过对电机绕组进行改进，实现改善开关磁阻电动机控制性能的开关磁阻电动机。

背景技术

作为一种现代交流电气传动装置，开关磁阻电动机发展很快，国内已有各种功率的成熟产品，在各行各业得到了广泛应用。由于开关磁阻电动机的磁链-电流曲线的非线性特点，导致电动机输出转矩和电流的关系无法用表达式给出，控制方法复杂，控制性能较差。

三相开关磁阻电动机及其一相控制电路基本原理如图1所示。一般，对于N相开关磁阻电动机，其各相磁路对称独立。每相有K对定子凸极，电动机定子的2KN个凸极在圆周上均布。电动机转子有2K（N-1）个凸极，并在圆周上均布。转子极距

其中，K>=1，N>=2。

设θ为众多转子槽与给定相定子凸极中心线间角度差绝对值（即夹角）的最小值，θ是周期函数，周期等于τ_r，转子凸极向给定相定子凸极接近方向运动时，θ值增大，离去时，θ值减小。θ值的范围

转子槽中心线与给定相定子凸极中心线重合时，等于0，转子凸极中心线与给定相定子凸极中心线重合时，等于θ_M。

采用图1所示控制方式的开关磁阻电动机的一相定子凸极中磁链Ψ与绕组电流i以及θ角的关系，如图2所示。由于铁芯具有非线性的磁化特性和磁路存在边缘效应，θ为一般值时，磁链特性比较复杂。Ψ随着i的增加而增加，但i不大时，就已接近饱和值，同时Ψ₁随着θ的增大而增大。

如图2所示，在θ=0时，Ψ=L₀i，此处L₀是不变的电感。由于铁芯具有非线性的磁化特性和磁路存在边缘效应，θ为一般值时，磁链特性比较复杂。从产生电磁转矩的有效磁链Ψ₁=Ψ-L₀i保持θ不变，积分是曲边三角形OKB的面积，表示正常换相通电时该相的有效共磁能（有些文献中也称磁共能，下同）。同时在i不变的条件下，偏导

则为该相产生的电磁转矩。

为了改善上述开关磁阻电动机的控制性能，后来又提出了一种开关磁阻电动机控制系统，如图3所示，该控制装置中采用了向分相控制的电流环的输入增加与电流给定电压信号u₁极性同向的恒定偏置电压u₀的方式，以获得恒定偏置电流I₀，使得开关磁阻电动机运行时定子凸极铁芯中的磁感应强度处于饱和状态，改善了开关磁阻电动机的控制性能，控制性能很接近于直流电动机，有利于开关磁阻电动机各种场合上的使用。

采用图3所示控制方式的开关磁阻电动机的一相定子凸极中磁链Ψ与绕组电流i以及θ角的关系，如图4所示。从图4可见，在i>=I₀后，凸极铁芯中磁感应强度已一直处于饱和状态，有效磁链Ψ₁=Ψ-L₀i虽然随着θ增加而增大，但Ψ₁值已处于饱和值。有效共磁能的增加值正比于i₁=i-I₀，而相绕组的动态电感为电感L₀，数值上比i₀＜I₀时小得多。因此，电动机转子转动时，相绕组上空载感应电势值正比于角速度，与电流i₁=i-I₀无关，同时所产生的相电磁转矩正比于i₁=i-I₀。

但采用图3所示控制方式，需要在原有的控制系统的基础上，通过增大电流给定，给电动机的各相绕组增加偏置电流，这会导致功率开关元件容量增加，成本上升，系统可靠性下降。

发明内容

为了在不增加控制系统功率电路容量的情况改善开关磁阻电动机的控制性能，本发明提出了一种开关磁阻电动机，能够在不增加控制系统功率电路容量的情况下，仅对电动机绕组进行改进，实现改善开关磁阻电动机的控制性能，且控制方式更简单，成本低，可靠性高。

本发明提供了一种开关磁阻电动机，电动机相数为N，每相有2K个定子凸极，所述N、K均为整数、N>=2、K>=1，所述电动机的定子共有2KN个定子凸极，在圆周上均匀分布；每个定子凸极上都嵌有匝数和线径相同的工作线圈，每相2K个定子凸极的工作线圈连成一相工作绕组；其特征在于，每个定子凸极上都嵌有匝数和线径相同的励磁线圈；每相2K个定子凸极的励磁线圈连成一相励磁绕组；每相中的工作绕组和励磁绕组极性相同；各相励磁绕组并联或者串联在一起，由单独的电源供电，提供恒定的偏置电流。

本发明提供的开关磁阻电动机，在不增加控制系统功率电路容量的情况下，仅对电动机绕组进行改进，增加与工作绕组对应的励磁绕组，给励磁绕组增加恒定的偏置电流，使得开关磁阻电动机运行时凸极铁芯中的磁感应强度处于饱和状态，电动机转子上不会因I₀的产生而产生新的平均转矩，实现改善开关磁阻电动机的控制性能；且控制方式更简单，成本低，可靠性高。

附图说明

图1为现有的一种开关磁阻电动机的结构示意图；

图2为图1中开关磁阻电动机的一相定子凸极中磁链-电流曲线示意图；

图3为一种带偏置电流给定的开关磁阻电动机控制系统框图；

图4为采用图3控制系统后开关磁阻电动机的一相定子凸极中磁链-电流曲线示意图；

图5为本发明提供的一种开关磁阻电动机的结构示意图；

图6为本发明的开关磁阻电动机控制系统框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

带励磁绕组的三相开关磁阻电动机的结构如图5所示，该三相电动机的每相有2个定子凸极，每个定子凸极上都嵌有匝数和线径相同的工作线圈，每相2个定子凸极的工作线圈连成一相工作绕组；其中该电动机中的每个定子凸极上都嵌有匝数和线径相同的励磁线圈；每相2个定子凸极的励磁线圈连成一相励磁绕组；每相中的工作绕组和励磁绕组极性相同；各相励磁绕组并联或者串联在一起，由单独的电源供电，提供恒定的偏置电流I₀。

工作绕组由直流电源U供电，功率开关K1、K2的导通和关断实现工作绕组电流控制，D1、D2实现续流。

开关磁阻电动机控制系统框图如图6所示，相对于图3，电流环的电流给定取消了，即取消了图3中的恒定偏置电压信号u₀，图6中的电流环包括电流调节器、脉宽控制器、推动电路、功率逆变电路、电动机相绕组（工作绕组）、电流传感器。转矩给定正比于相电流给定电压u₁。u₁经过电流调节器进行电流调节后发送至脉宽控制器。脉宽控制器在周期一定的条件下将连续的电压变成导通比信号，将导通比信号发送至推动电路。推动电路，对导通比信号进行电气隔离和放大后送至功率逆变电路。功率逆变电路，控制功率开关的通断，改变加于相绕组（工作绕组）上的平均电压，进而改变相绕组（工作绕组）电流i₁；所述电流传感器检测相绕组电流i₁，获得反馈电压u，并将反馈电压u输入到电流调节器上，从而使得反馈电压u接近给定电压u₁。

将上述带励磁绕组的三相开关磁阻电动机推广到N相、并且每相有2K个定子凸极的开关磁阻电动机，N、K均为整数、N>=2、K>=1。此时电动机的定子共有2KN个定子凸极，在圆周上均匀分布；每个定子凸极上都嵌有匝数和线径相同的工作线圈，每相2K个定子凸极的工作线圈连成一相工作绕组，在所述相绕组通电时，该相工作绕组对应的2K个定子凸极的磁性呈N极、S极间隔排列；其中该电动机的每个定子凸极上都嵌有匝数和线径相同的励磁线圈，每相2K个定子凸极的励磁线圈连成一相励磁绕组；每相中的工作绕组和励磁绕组极性相同，在所述相绕组通电时，励磁绕组通电时产生的磁性方向与工作绕组通电时产生的磁性方向相同；励磁绕组由单独的电源供电，提供恒定的偏置电流I₀。该电动机的转子有2K（N-1）个转子凸极，在圆周上均布，极距为

本发明在不增加控制系统功率电路容量的情况下，通过增加与工作绕组对应的励磁绕组，给励磁绕组增加偏置电流I₀，并且偏置电流I₀恒定，使得开关磁阻电动机运行时定子凸极铁芯中的磁感应强度处于饱和状态，电动机转子不会因I₀的产生而产生新的平均转矩（如果开关磁阻电动机定/转子凸极的齿形适当，所产生的瞬时转矩也很接近于零）。

本发明，一相定子凸极中磁链Ψ与绕组电流i（i为工作绕组与励磁绕组电流之和）以及θ角的关系仍可以由图4表示，在i>=I₀后，凸极铁芯中磁感应强度已一直处于饱和状态，有效磁链Ψ₁=Ψ-L₀i虽然随着θ增加而增大，但ψ₁值已处于饱和值。有效共磁能的增加值正比于i₁=i-I₀，而相绕组的动态电感为电感L₀，数值上比i₀＜I₀时小得多。因此，电动机转子转动时，相绕组上空载感应电势值正比于角速度，与电流i₁=i-I₀无关，同时所产生的相电磁转矩正比于i₁=i-I₀。本发明中，由于I₀流过励磁绕组，i₁流过工作绕组，因此减小了功率开关的容量。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种开关磁阻电动机，电动机相数为N，每相有2K个定子凸极，所述N、K均为整数、N>=2、K>=1，所述电动机的定子共有2KN个定子凸极，在圆周上均匀分布；每个定子凸极上都嵌有匝数和线径相同的工作线圈，每相2K个定子凸极的工作线圈连成一相工作绕组；其特征在于，每个定子凸极上都嵌有匝数和线径相同的励磁线圈；每相2K个定子凸极的励磁线圈连成一相励磁绕组；每相中的工作绕组和励磁绕组极性相同；各相励磁绕组并联或者串联在一起，由单独的电源供电，提供恒定的偏置电流。