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切换式磁阻马达
发布时间:2022-11-12 21:11:20 浏览:[]次

  切换式磁阻马达(switched reluctance motor)简称SRM,是用转子磁阻不平均产生的磁阻力矩而旋转的马达,属于磁阻马达。切换式磁阻马达的电源是接到定子的绕组(和直流有刷马达接到转子绕组的情形不同)。因为电源不用接到旋转部分,在机械设计上大为简化,但需要设计切换系统,配合各绕组位置提供对应的电流,在电机设计上比较复杂。电子设备可以精准的进行时序的切换,因此有助于使用切换式磁阻马达。切换式磁阻马达的主要缺点是其转矩涟波。目前已有些控制技术可以限制低速时的转矩涟波。有些文献认为切换式磁阻马达属于步进马达,有些则认为不算步进马达。


  切换式磁阻马达也可以当成发电机使用。会配合转动情况,依序将负载接到对应的线圈,以和旋转的电流同步。因为其转子是可磁化材料组成的开槽圆柱组成,这类的发电机转速可以比传统的发电机还快。此应用下的SRM是指切换式磁阻电机(Switched Reluctance Machine),也有些会称为SRG(切换式磁阻发电机)。此组态可以做为电动机及发电机,在启动原动机时不需要额外的启动马达,格外方便。


历史


  第一个切换式磁阻马达的专利是美国的W.H.Taylor在1838年提出

  切换式磁阻马达的运作原理是在1970年代左右提出,在1980年代起也由Peter Lawrenson等人继续扩充。当时有些专家认为此技术不可行,而实际应用也会受到限制,部分原因可能是因为控制技术还不成熟、没有适合的应用场合,以及产量过低导致的高成本。


运作原理


  切换式磁阻马达有场绕组,类似直流电动机的定子绕组。不过其转子没有永久磁铁,也没有线圈。转子是由软磁性材料(多半会是叠层材料)制成的凸极转子(有突出的磁极)。若定子绕组上有通电,转子不平衡的磁阻会使转子旋转,设法对正最近的定子。为了使转子旋转,会利用电子控制系统侦测转子位置,并且在转子接下来要经过的定子绕组上激磁,使定子磁场“带领”转子前进。切换式磁阻马达不像直流有刷马达,用整流子来切换电流,切换式磁阻马达利用电子的位置感测器来感测转子的角度,再透过固态电子器件来切换定子绕组,因此可以进行脉波时序以及脉波整形的动态控制,这和异步电动机原理有些相似,但仍有不同。异步电动机的定子也是依旋转磁场来进行激磁,但切换式磁阻马达中,转子的激磁是固定的,且转子的旋转和旋转磁场同步,但在异步电动机中,转子的旋转和旋转磁场存在滑差,转子会略为落后旋转磁场。切换式磁阻马达因为没有滑差,可以精确的知道转子位置,让马达可以低速步进前进。


简易切换

  若定子线圈A0和A1激磁,转子会对正这些线圈。只要转子对正这些线圈,定子就可以先将这些线圈消磁,再将定子线圈B0和B1激磁,转子会往前进,再对正新激磁的线圈B。接下来线圈B会消磁,线圈C激磁……。若要反转,将上述激磁和消磁的线圈顺序相反即可。不过重载或/及高加速度(或减速度)都可能会使此顺序不稳定,例如跳过一步等,此时转子会转到错误的角度,例如突然反转一步再恢复正常转动。


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正交


  另一个比较稳定的系统是正交(quadrature)切换。在任一时间会有两组线圈激磁。一开始是A0和A1形成的线圈激磁,接着是是B0和B1形成的线圈激磁,将转子推往线圈A和B之间。接着A的磁极会消磁,转子会对正到线圈B,接下来是BC、C和CA,完成一次旋转。若将此顺序颠倒,即可使马达反转。


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  正交切换的运转更稳定,其占空比是1/2,比简易切换的1/3要高。


控制


  切换式磁阻马达的控制系统需要提供顺序的脉波讯号给电源电路,以激磁对应的定子线圈。这可以用机电装置(例如整流子)进行,也可以用简单的类比或数位计时电路进行。


  许多的控制器中都采用可编程逻辑控制器(PLC),不是早期的机电装置。可以用微控器来进行准确的相位激磁计时功能。也可以有软件的缓冲启动器,减少需要的硬件。也可以用反馈回路来强化控制系统。


电路


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  最常见驱动切换式磁阻马达的方式是使用非对称桥式转换器(asymmetric bridge converter)。其切换频率是交流马达的十分之一。


  非对称桥式转换器的各相对应切换式磁阻马达的各相。若某一相两侧的开关都导通,该相就会激磁。当电流超过设定值时,开关会切断,能量会储存在马达绕组中,使电流维持同一方向,也会产生所谓的反电动势(BEMF)。反电动势会透过二极管流回电容器,因此此能量可以回收重复使用,提升效率。

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  基本电路也可以再做调整,让电路可以用较少的电子元件进行相同功能,此电路是(n+1)个开关和二极管的组态。


  不论是哪一种组态,都会用电容器来储存BEMF以便利用,也可以限制输入电压的波动,减少电气噪声以及马达产生的噪音。


  若切换式磁阻马达的某一相断路,切换式磁阻马达仍可以继续运转,但力矩较小,若交流马达的某一相断路,就无法转动。


应用


  切换式磁阻马达有用在家电以及车辆上。


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