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    起重電機之開關磁阻電機及其拓撲結構技術分析

    發布時間:2022-09-18 23:30:00 點擊:    

     
     

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    引言

    起重電機、YZR起重電機,YZB起重電機專業生產廠家無錫宏達電機2022年9月18日訊  開關磁阻電機是一種新型的特種電機,是融合了電力電子技術、電機學、自動控制原理、傳感器檢測等多門學科的機電一體化系統。它具有本體結構簡單,控制方式靈活,機械特性硬,溫升低等特點,特別適合于電氣傳動系統,它的調速性能可以媲美直流調速系統,同時由于容錯能力強,適于惡劣環境下工作的特點,使得它在采礦、紡織、造紙等行業異軍突起。
    開關磁阻電機是一種無刷、單勵、雙凸極(其定子和轉子都是凸極式齒槽結構,均由普通硅鋼片疊壓而成)、轉子上既無繞組也無永磁的電機,定子極上有集中繞組,空間徑向相對的定子齒上的兩個繞組通過串聯或并聯的方式構成一相的兩個磁極。它通過勵磁定子極吸引轉子實現轉動。開關磁阻電機在機械上有點粗糙,可以實現高速、無故障運行,且易于大規模生產。
    本文從傳統的開關磁阻電機結構特點出發,針對新型開關磁阻電機國內外發展情況,對新型開關磁阻電機及其拓撲結構進行綜述,分析了新型開關磁阻電機及其拓撲技術特點及工作原理。這些文獻提出的新型開關磁阻及其拓撲結構在一定程度上提高開關磁阻電機單位電流輸出轉矩、解決少相開關磁阻電機自啟動問題、輔助檢查電機轉子位置、提高電機效率、擴展電機功能等方面做出研究,并得出相關結論。對開展開關磁阻電機進一步深入研究有著重大意義。

    1

    傳統開關磁阻電機結構特點

    SRM的運動是由定、轉子間氣隙磁阻的變化產生的。當定子繞組通電時,產生一個單相磁場,其分布要遵循“磁阻最小原則”,即磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合。因此,當轉子軸線與定子磁極的軸線不重合時,便會有磁阻力作用在轉子上并產生轉矩使其趨于磁阻最小的位置,即兩軸線重合位置,這類似于磁鐵吸引鐵質物質的現象。開關磁阻電機就是屬于這一類型的電機。
    開關磁阻電動機是雙凸極可變磁阻電動機,其定、轉子的凸極均由普通硅鋼片疊壓而成。轉子既無繞組也無永磁體,定子極上有集中繞組,徑向相對的兩個繞組串聯構成一個兩極磁極,稱為“一相”。相數多,步距角小,利于減小轉矩脈動,但是其結構復雜,而且主開關器件增多,成本高。
    如圖1所示,這是一種典型的單相開關磁阻電動機。從圖上看得出,定子有兩個極,而轉子也只有兩個極。單相開關磁阻電機主要應用于高速領域。如圖2所示,這是一種兩相開關磁阻電動機的模型。
    很容易看出,定子有兩對定子極,轉子有一對轉子極。顯然,這種形式的單相電機和兩相電機結構簡單,在對齊位置(定、轉子磁極中心線對齊)和不對齊位置(定子極與轉子槽中心線對齊)都不具備自起動能力,同時也存在一定的轉矩“死區”。
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    三相電動機是最常見的開關磁阻電動機,如圖3、4所示。三相電動機是具備正反方向自起動能力最少相數的常規結構SR電動機。三相6/8極轉子步進角比6/4極小,有利于減小轉矩波動,但是降低了對齊位置與不對齊位置電感比率,導致控制器伏安容量增加,由于開關頻率上升,也使鐵心損耗增大。
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    與三相電動機相比,四相電動機的起動性能要好得多,轉矩波動也小,但電動機和控制器的成本都有所增加。常見的四相8/6極SR電動機,如同5所示,每轉有24個步距,步進角15°。此外,還有四相8/10極結構,每轉40個步距,步進角為9°。研究表明,8/10極結構的電動機電感比率要比8/6極低,如圖6所示。
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    采用五相(圖7)或更多相數的開關磁阻電動機的目的是為了獲得更平滑的電磁轉矩,降低轉矩波動,另外一個優點是可獲得穩定的開環工作狀態(無位置傳感器),但其缺點也是很明顯,電動機和控制器的成本和復雜性大大提高。多相開關磁阻電動機一般都采用短磁路的結構。除了上述常規結構形式外,還有盤式結構、滾動轉子結構和直線式等特種開關磁阻電動機。圖8為7相開關磁阻電機結構示意圖。
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    2

    新型開關磁阻電機及其拓撲結構


    迄今為止,國內外的專家已經實現了很多種開關磁阻電機的設計,本節將主要的敘述幾種特殊結構開關磁阻電機的設計理念:
    文獻[1]中實現了一個新的單相混合開關磁阻電動機,該電機采用磁阻轉矩和永磁轉矩相結合的驅動方式,同時電機中體現的齒槽轉矩是有利于減少轉矩脈動。該電機不同之處在于,電機通過在磁通量集中的地方用安裝廉價的鐵氧體磁鐵的方式來實現特定位置高齒槽轉矩并靈活的塑造齒槽轉矩特性。
    電機轉子的專門的設計對減少渦流損耗起動一定的效果,原型電機結構及磁路方向如圖9所示,電機可由一個兩相不對稱半橋變換器控制。
    該電機有四個磁阻磁極和兩個PM磁極組成。以磁通量匯集的形式安裝有四個矩形永磁體,轉子極在接近表面的地方有一個翼縫或是小槽,它的功能類似于一個階梯轉子極的結構,能夠實現電機的自啟動。
    設計的這種結構電機只在逆時針方向旋轉。電機的工作原理如下:當轉子是在處于定子磁極的非開槽部分與PM磁極對齊的情況下,如圖1所示,如果能夠提供一個消磁電
    流,那么電機將通過正向的磁阻轉矩和正向的永磁定位轉矩被拉到與磁阻磁極一致的位置上。在這期間,齒槽轉矩是負的。當轉子與磁阻磁極一致的位置時,電流應該為零。正向的齒槽轉矩將繼續拉動轉子磁極直到與永磁磁極對齊的位置,重復這樣的過程,就會得到一個穩定的操作過程。
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    該電機驅動系統與現有的電機驅動系統相比,能夠實現低成本的應用。文獻通過有限元模型來分析和預測電機的性能,結果表明電機驅動系統能夠實現電機自啟動,并有較好的運行效果。
    文獻[2]提出一種交流/直流轉換器控制技術和帶有反應電樞繞組的高速單相磁阻發電機技術。直流到交流的脈寬調制轉換器提供了相位角度控制,該技術能控制系統在較寬的調速范圍獲得高的功率因數,同時可以保持轉換器和發電機具有比較低的伏安數。
    圖10為這種帶有八個定子齒和四個轉子齒的發電機結構和32/16結構的開關磁通發電機結構示意圖。勵磁繞組F和電樞繞組A位于同一定子槽內,在簡單的轉子上沒有繞組。文獻同時提出一種PWM控制方式,通過控制發電機寬范圍的功率因數實現最小的kVA容量。
    發電機的輸出直流電壓被三個獨立的參數所控制:勵磁磁場,輸出軸速度和轉換器相位角。在高速電機應用中這是一個很大的優勢,因為對于不同的速度,在最佳功率因數的條件下,去控制所輸出電壓具有較高靈活性
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    文獻[3]中設計一個嵌入式永磁式反向磁通電機。反向磁通電機是一個雙凸極永磁定子的電機。定子集中繞組上的永磁磁鏈與轉子的極性反向。其結構簡單,適合大批量生產。該電機具有低自感和互感,具有較低的電氣時間常數和高容錯轉矩特性。
    然而,其結構存在明顯的永磁磁鏈和齒槽轉矩。磁鏈會降低電機功率密度和電機的磁阻轉矩能力。齒槽轉矩也會產生轉矩脈動從而導致振動和噪聲,對于電機的性能是不利。文獻同時提出改進的反向磁通電機新設計結構。這種新型反向磁通電機有永磁且平行于定子磁力線,因此很難被消磁。
    圖11比較了嵌入式磁鋼型與傳統型的反向磁通電機結構區別。為了能夠證明所提出的反向磁通電機的性能,設計了多個使用了大量的永磁通,具有相同規格的反向磁通電機(例如轉子和定子的直徑,鐵芯長度和繞組匝數)。
    嵌入式反向磁通電機的磁鐵有大約54g,而傳統型的磁鐵為90g。永磁材料為燒結釹鐵硼,為了獲得一個合理的磁導率系數,定轉子氣隙設計為0.5mm,采用二維有限元法,仿真結果表明嵌入式反向磁通電機能有效地提高轉矩能力和小齒槽轉矩。
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    文獻[4]中,提出了一種具有鋸齒形極表面的開關磁阻電機,其定轉子齒結構如圖12所示。相對于平面齒結構,電機設計增加了最大電感和最小電感的比率。它作為一種增強轉矩/體積比的概念已被引起注意。
    具有鋸齒電機能夠獲得的最大轉矩是在它們額定電流的條件下來比較傳統開關磁阻電機轉矩的。相關文獻認為由于當在極表面裝有齒后可以增加有效的氣隙面積,所以轉矩的增加范圍可以通過增加最大電感來實現。
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    單相開關磁阻電機在定轉子齒重合部分會產生轉矩,但不能自啟動,同時轉矩脈動比多相SRM的正轉矩要大。
    文獻[5]為了單相開關磁阻電機自啟動,提出了一種自啟動裝置的設計過程,該裝置可以在停機狀態,使得電機轉子停在一個固定的位置。電機通過在定子齒的角上,安裝一個永磁體,通過永磁體的磁阻轉矩,把電機停止旋轉轉子吸引到固定位置。其結構如圖13所示。
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    文獻[6]中,提出了一種通過六開關管逆變器驅動一個星形連接環形繞組的開關磁阻電動機。該結構電機的設計目的在于減少傳統開關磁阻電機功率器件,降低電機控制器的制造成本。電機為三相繞組結構,不同與傳統的開關磁阻電機繞組的定子齒集中繞組,繞組繞在定子軛部。
    電機工作時,需要兩相繞組同時導通,共同產生閉合磁場,磁通路徑經過電機定轉子氣隙,產生磁阻轉矩。其繞組工作導通時序與無刷直流電機類似。當電機只有一相導通時,磁路沿著電機軛部進行閉合,磁通不經過定轉子氣隙,電機不產生電磁轉矩。
    圖14為電機的繞組結構圖和電機驅動功率電路。功率電路采用三相H橋結構,有六個功率管組成,這種結構有利于功率管的集成與封裝,可以用通用的IPM或三相H橋集成功率模塊。該系統的改進能夠提高系統的硬件可靠行,降低制造工藝。
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    文獻[7]針4/2兩相開關磁阻電機轉子進行了改進,在電機轉子上添加了鋁制材料的導電面,原型樣機實現規格為400W,7500r/min。
    文獻表明鋁制材料的導電面在高速下能改善轉矩特性,提高輸出功率、提高傳動效率,在高速下,性能的改進是由于降低了對齊電感,提供更好的初始電流響應。在低轉速下,鋁制材料的導電面可以改善電感的變化率和轉矩。
    典型的4/2開關磁阻電機結構如圖15所示,圖16為電機轉子改進方案示意圖。
    該機有四個集中繞組S1至S4安裝在定子極上,結構相對的兩個繞組連接是串聯或并聯構成一相繞組,使每個線圈的磁動勢加強。兩相繞組,1相和2相,是機械垂直的。
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    文獻表明鋁制轉子導電面的添加提高了兩相開關磁阻電機的性能,轉子導電面的價值是在高速下很明顯,在這種情況下,增加導電面是一種低成本的性能改善。
    文獻[8]介紹了一種永磁磁通控制開關磁阻電機,如圖17所示。電機為三相12/10結構,繞組結構與傳統的12/10開關磁阻電機結構類似,該電機在電機定子齒中嵌入了永磁體,永磁體的長度貫穿了整個磁極,永磁體的磁極方向按照兩兩相對或兩兩相向的排列方式。
    電機定子永磁體的加入,改變了電機定子轉子及氣隙的磁通方式和磁密大小,電機通過對繞組電流的控制,利用電機磁飽和原理,對永磁體的磁路進行影響,已達到改善電機輸出轉矩的目的。
    同時由于永磁體的介入,使得電機具有永磁電機的定位轉矩,為了降低電機永磁體定位轉矩對電機的影響,文獻提出了兩種電機轉子齒形優化方案,一種在電機轉子齒中間對電機轉子齒錯開一定的角度,一種是電機轉子采用變齒寬結構,這兩結構對降低永磁體帶來的定位力,提高電機性能有較好的效果。
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    文獻[9]中提出新型結構的單相開關磁阻電機。電機定子有8個齒,轉子有4個齒,其中定子齒分為主繞組齒和輔助繞組齒,主繞組齒上有電機工作電樞繞組,為電機提供工作磁通。輔助繞組齒相對主繞組齒機械位置相差45°位置角,同時輔助繞組齒上只有一對齒上有輔助繞組,用來檢測電機轉子位置。
    該電機結構如圖18所示。由于傳統單相開關磁阻電機沒有啟動能力,輔助繞組同時可以輔助電機在停止的時候,把電機的轉子吸引到特定位置,讓電機具有自起動能力。同時輔助繞組還能夠在電機主繞組關斷時吸收一部分能量,是的電機主繞組的電流續流時間變短。
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    文獻[10]提出新型嵌入永磁體單相開關磁阻電機,該電機有一相繞組構成,定轉子都有兩個齒,為了提高單相開關磁阻電機輸出轉矩性能,在電機軛部嵌入了兩塊永磁體,永磁的磁場方向為切向方向,兩塊永磁的磁極方向相同。同時提出斜面結構的電機轉子,這種結構設計能夠解決單相開關磁阻電機的無法自起動問題。電機結構如圖19所示。
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    文獻[11]提出了一種高速兩相開關磁阻電機,電機轉子采用變氣隙弧面結構,電機輸出功率1.6kW,額定工作轉速10000r/min,電機定子為四極兩相結構,電機轉子只有兩個齒。
    為了實現兩相開關磁阻電機自起動,文獻對電機轉子形狀進行優化,采用變氣隙弧面結構,如圖20所示。由于變氣隙弧面結構的存在,使得電機轉子在旋轉過程中,電機磁路磁阻變化范圍大大變寬,通過優化設計可以把兩相繞組的電感變化區進行重疊,從而實現自起動能力。
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    文獻[12]提出了一種新型E型結構兩相開關磁阻電機,電機定子由兩個E型鐵心構成,每個鐵心有3個齒,形成E型結構,中間的齒寬為兩邊齒寬的兩倍,電機的繞組在E型齒的兩邊齒上,采用集中繞組形式,中間的大齒沒有繞組,轉子有10個齒,均勻分布。
    其結構如圖21所示。電機定子E型結構中間大齒對電機磁路起到輔助作用,當繞組通電時,通過輔助大齒,構成短磁路結構。
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    綜上所述,開關磁阻電機轉子及其簡單、既無永磁鋼又無繞組,很強的高溫環境適應能力。開關磁阻電機問世以來在世界各國特別是發達國家得到廣泛應用。美國、英國、法國、日本、德國、瑞士等發達國家先后將開關磁阻電機應用于電動汽車、紡織、油田、航天航空、工業自動化及家用電器等各行各業領域。

    3

    結語

    第一代開關磁阻電機在小功率范圍的效率比高效變頻調速感應電動機低,第二代開關磁阻電機的效率已全面超過了高效變頻調速感應電動機。更難得的是,開關磁阻電機在寬廣的速度和功率范圍內都能保持較高的效率,這是變頻調速感應電動機難以比擬的。
    本文新型開關磁阻電機及其拓撲結構技術進行了綜述,文獻在單位電流輸出轉矩、解決少相開關磁阻電機自啟動、輔助檢查電機轉子位置、提高電機效率、降低電機轉矩波動等方面進行研究。
    同時,可以看出兩相開關磁阻電機是開關磁阻電機繞組形式較為簡單電機形式,適用于高速或環境惡劣的工作場合。兩相開關磁阻電機的功率器件少及控制策略易實施,其制造工藝和研制成本低,使得該種電機已成為國內外研究的熱點。
     
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