CN201754571U - 新型开关磁阻电机伺服系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种新型开关磁阻电机伺服系统,它含有开关磁阻电机、位置检测器、功率变换器和控制器,所述功率变换器的输入端与电源连接,其输出端分别与所述开关磁阻电机和电流检测器的输入端连接,所述开关磁阻电机与所述位置检测器的输入端连接,所述电流检测器和位置检测器均与所述控制器的输入端连接,所述控制器的输出端与所述功率变换器连接,所述控制器的输入端还与速度给定信号连接。所述开关磁阻电机含有凸极定子和凸极转子,定子和转子的极数不相等;所述定子电磁线圈为集中绕组,径向相对的两个绕组串联在一起构成“一相”,所述转子仅由叠片构成。本实用新型在宽广转速和功率范围内均具有高输出和高效率,适用于频繁起停及正反向转换运行。

Description

新型开关磁阻电机伺服系统

[0001] 一.技术领域:

[0002] 本实用新型涉及一种电机驱动系统,特别是涉及一种新型开关磁阻电机伺服系 统。

[0003] 二 .背景技术:

[0004] 随着经济的发展,各种能耗越来越高,电机作为各行各业都需要的设备,其用量越 来越大,消耗的能源越来越多,降低电机的能耗是人们所必须面对的问题。

三.实用新型的内容:

[0005] 本实用新型的目的:克服现有技术的不足,提供一种结构简单、安装维修方便、工 作安全可靠且具有低速输出扭矩大的新型开关磁阻电机伺服系统。

[0006] 本实用新型的技术方案:一种新型开关磁阻电机伺服系统,含有开关磁阻电机、位 置检测器、电流检测器、功率变换器和控制器,所述功率变换器的输入端与电源连接,其输 出端分别与所述开关磁阻电机和电流检测器的输入端连接,所述开关磁阻电机的输出端与 所述位置检测器的输入端连接,所述电流检测器和位置检测器的输出端均与所述控制器的 输入端连接,所述控制器的输出端与所述功率变换器连接,所述控制器的输入端还与速度 给定信号连接。

[0007] 所述开关磁阻电机含有凸极定子和凸极转子,并且,所述定子和转子的极数不相 等;所述定子电磁线圈为集中绕组,并且,径向相对的两个绕组串联在一起构成“一相”,所 述转子仅由叠片构成。

[0008] 所述开关磁阻电机为三相、四相或五相径向单齿式结构。所述功率变换器含有三 组电机相绕组,并且,每一电机相绕组分别设置有可控开关元件和续流二极管。

[0009] 所述控制器包括操作电路、调节器电路、工作逻辑电路、传感器电路、保护电路、 信号输出电路和状态显示电路;所述位置检测器为光电器件、霍尔元件或电磁线圈。

[0010] 本实用新型的有益效果:

[0011] 1.本实用新型是一种典型的单边单励机电能量转换装置,和原有的电机驱动系统 相比具有高密度、高效率、轻量化、低成本和宽调速的优点。

[0012] 2.本实用新型电机结构简单、适宜在恶劣条件下可靠运行。SR电机的突出优点是 转子上没有任何形式的绕组,亦无需采用永磁体构成转子磁极,因此最大速度不受限制,可 达lOOOOOr/min,也无高温退磁之忧。定子线圈为集中绕组,端部短而牢固。所以电机易于 冷却,适用于各种恶劣、高温甚至强振动环境。

[0013] 3.本实用新型转矩方向与定子绕组电流方向无关,只需要单向的电流励磁,因此 可以减少功率变换器的开关器件数,降低系统成本。另外,SR电机调速系统中每个功率开 关器件均直接与绕组串联,从根本上避免了直通短路现象。从而简化了控制保护单元的要 求,既降低了成本,又具有高的可靠性。从控制结构上看,各相绕组相互独立工作,所以系统 可以缺相运行,容错能力强,适宜在如航天飞机、电动汽车等特殊场合作为起动机或驱动系 统使用。[0014] 4.本实用新型可控参数多,调速性能好。控制SR电机调速系统的主要参数有四 个:开通角、关断角、相电流幅值和相绕组电压。可控参数多,意味着控制灵活方便。采用不 同控制方法和参数值,不仅能使系统工作于最佳状态(如出力最大、效率最高等),而且使 之实现各种不同的功能和特定的特性曲线。如使电机具有完全相同的四象限运行(正转、 反转、电动、制动)能力,并具有高起动转矩和串励电动机的负载能力曲线。

[0015] 5.本实用新型在宽广的转速和功率范围内均具有高输出和高效率,适用于频繁起 停及正反向转换运行,推广后具有较好的经济效益。

四.附图说明:

[0016] 图1为新型开关磁阻电机伺服系统的结构原理示意图;

[0017] 图2为图1中SR电机的工作原理图;

[0018] 图3为图1中功率交换器的电路原理图。

五.具体实施方式:

[0019] 实施例:参见图1-图3,图中,新型开关磁阻电机伺服系统含有开关磁阻电机、位 置检测器、电流检测器、功率变换器和控制器,功率变换器的输入端与电源连接,其输出端 分别与开关磁阻电机和电流检测器的输入端连接,开关磁阻电机的输出端与位置检测器的 输入端连接,电流检测器和位置检测器的输出端均与控制器的输入端连接,控制器的输出 端与功率变换器连接,控制器的输入端还与速度给定信号连接。

[0020] 开关磁阻电机简称SR电机,它本实用新型的执行元件,它遵循磁通总是要沿着磁 导最大的路径闭合的“磁导最大原理”。所以,SR电机一般采用凸极定子和凸极转子形成, 如图2所示,即所谓双凸极型结构,并且定、转子极数(简称极数)不相等。定子装有简单 的集中绕组,一般径向相对的两个绕组串联构成“一相”,转子仅由叠片构成。SR电机按相 数分,有单相、两相、三相、四相和多相;按气隙方向分,有轴向式、径向式结构和径向一轴向 混合式结构。低于几相的SR电机一般没有自起动能力。相数多,有利于减小转矩波动,但 导致结构复杂、主关器件多、成本增高。一般来说,工业用SR电机多采用图2表示的三相、 四相和五相径向单齿式结构。

[0021] 功率变换器是本实用新型的运行时所需能量的供给者,是连接电源和电机绕组的 开关部件。SR电机的功率变换器主电路的结构形式与供电电压、电机相数及主开关器件的 种类有关。图3所示为三相SR电机的的功率变换器的主电路。图中A、B、C为电机相绕 组,T1 一 T6为各对应相的可控开关元件,D1-D6为对应的续流二极管。

[0022] 控制器是本实用新型的决策和指挥机构,它综合处理位置检测器、电流检测器所 提供的转子位置、速度和电流等反馈信息及外部输入的命令,然后通过分析处理,决定控制 策略,向功率变换器发出一系列执行命令,实现对SR电动机运行状态的控制。控制电路一 般应包括下列几个部分:

[0023] (1)操作电路:接受外部指令信号,如起动、转速、转向信号。这种外部信号可以是 来自手动操作,也可来自其它自动化元件。

[0024] (2)调节器电路:将给定量与被控量相比较,并按规定算法计算出控制参数的调 节量。如当转速低于给定值时调节加大绕组电流值。[0025] (3)工作逻辑电路:决定控制电路的工作逻辑,如正反转相序逻辑、高低速控制方

式等ο

[0026] (4)传感器电路:检测系统工作中的有关物理量,如转速、角位移、电流和电压等。

[0027] (5)保护电路:当系统工作时某些物理量达不到或超过允许值时,采用相应的保 护措施,如过电流保护,过载保护等。

[0028] (6)信号输出电路:用于直接控制各被控量,如控制功率开关器件的导通与关断寸。

[0029] (7)状态显示电路:用于指示系统工作参数和状况,如指示电动机转速、指示故障 保护情况等。

[0030] 构成控制器的硬件结构目前有两种形式:一种是全部采用数字电路和线性电路构 成;另一种则以单片微机为核心构成,微机信息的处理功能大部分由软件完成。位置检测器 是转子位置及速度信号的提供者,它及时向控制器提供定、转子齿极间实际相对位置的信 号和转子运行速度的信号,使控制器能正确地决定绕组的导通和关断时刻。位置检测通常 采用光电器件、霍尔元件或电磁线圈进行。采用无位置检测器的位置检测方法是SRD的发 展方向,对降低系统成本、提高系统可靠性有重要的意义。

[0031] 图2所示为一台典型四相(8/6)SR电机的横截面和其中一相电路的原理示意图。 它的定子上有八个齿极(即NS = 8),每个齿极上绕着一个线圈,直径方向上相对的两个齿 极上的线圈串联组成一相绕组。转子沿圆周有六个均勻分布的齿极(极Nr = 6),齿极上没 有线圈。定、转子间有很小的气隙。S1和S2是电子开关,VD1和VD2是续流二极管,E是直流 电源。

[0032] SR电机调速系统整体工作过程如下:控制器接收起动命令信号,在检测系统状态 一切正常的情况下,根据位置检测器提供的各相定子齿极与转子齿极相对位置的信息,按 起动逻辑给出相应的输出信号。例如,在图2中定子A相齿极轴线AA'与转子齿极1的轴 线1Γ不重合的情况下,应使功率变换器中控制A相绕组的开关元件S1和S2导通,A相绕 组通电,而B、C和D三相绕组都不通电。电机内建立起以AA'为轴线的磁场,磁通通过气隙 的磁感应线是弯曲的。此时,磁路的磁导小于定、转子齿极轴线AA'和11'重合时的磁导, 转子受到气隙中弯曲磁感应线的切向磁拉力所产生转矩的作用,使转子逆时针方向转动, 转子齿极1的轴线11'向定子齿极AA'趋近。当轴线AA'和轴线11'重合,即A相定、转 子齿对齐时,切线方向的磁拉力消失,转子停止转动,此时称转子达到稳定平衡位置。与此 同时,B相定子齿极轴线BB'与转子齿极轴线22'的相对位置与图2中A相的情况相同。 此时,控制器根据位置检测器提供的位置信息,命令断开A相开关S1和S2并合上对应的B 相开关,使A相绕组断开的同时B相绕组通电。如此类推,当定子绕组按A-B-C-D的顺序轮 换导电一周时,转子逆时针方向转过一个转子极距(τ, = 2π/Ν,)本例中Nr = 2n/Nr, 故、=π/3机械角度。显然,改变通电相电流的方向并不影响转子的旋转方向。在多相 电机实际运行中,也常出现两相或多相以上绕组同时导通的情况。

[0033] 由于SR电机的转向与绕组电流方向无关,所以使得功率变换器电路能够充分简 化。在图2中,当主开关SpS2接通时,A相绕组从直流电源E吸收电能,而当S1, S2断开时, 绕组电流通过续流二极管VDpVD2,将剩余能量回馈给电源。因此,SR电机具有能量回馈的 特点,系统效率高。

Claims (5)

  1. 一种新型开关磁阻电机伺服系统,含有开关磁阻电机、位置检测器、电流检测器、功率变换器和控制器,其特征是:所述功率变换器的输入端与电源连接,其输出端分别与所述开关磁阻电机和电流检测器的输入端连接,所述开关磁阻电机的输出端与所述位置检测器的输入端连接,所述电流检测器和位置检测器的输出端均与所述控制器的输入端连接,所述控制器的输出端与所述功率变换器连接,所述控制器的输入端还与速度给定信号连接。
  2. 2.根据权利要求1所述的新型开关磁阻电机伺服系统,其特征是:所述开关磁阻电机 含有凸极定子和凸极转子,并且,所述定子和转子的极数不相等;所述定子电磁线圈为集中 绕组,并且,径向相对的两个绕组串联在一起构成“一相”,所述转子仅由叠片构成。
  3. 3.根据权利要求2所述的新型开关磁阻电机伺服系统,其特征是:所述开关磁阻电机 为三相、四相或五相径向单齿式结构。
  4. 4.根据权利要求1-3任一项所述的新型开关磁阻电机伺服系统,其特征是:所述功率 变换器含有三组电机相绕组,并且,每一电机相绕组分别设置有可控开关元件和续流二极 管。
  5. 5.根据权利要求4所述的新型开关磁阻电机伺服系统,其特征是:所述控制器包括操 作电路、调节器电路、工作逻辑电路、传感器电路、保护电路、信号输出电路和状态显示电 路;所述位置检测器为光电器件、霍尔元件或电磁线圈。
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