新款电动汽车构造原理与故障检修
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第三章 电动汽车驱动电动机

第一节 电动机类型

早期开发的混合动力汽车上多采用直流电动机,即使到现在,还有一些电动汽车上仍然使用了直流电动机来驱动,但在新研制的混合动力汽车上已基本不再采用直流电动机。直流电动机的优点是具有优良的电磁转矩控制特性,调速比较方便,控制装置简单,价格低廉;缺点是效率较低、重量大、体积大。

一、直流电动机

1.直流电动机的控制系统

在电源电路上,直流电动机可以采用较少的控制元件,一般用斩波器来控制。最常采用的有IGBT电子功率开关的斩波器,IGBT斩波器是在直流电源与直流电动机之间的一个周期性的通断开关装置。斩波器根据直流电动机输出转矩的需要,脉冲输出和变换直流电动机所需电压从0到最高电压,与直流电动机输出的功率相匹配,来驱动和控制直流电动机运转。IGBT斩波器已经商品化,可供用户选用。

直流斩波控制方式由于体积小、重量轻、效率高、可控制性好,而且根据所选的加速度,能平稳加速到理想的速度,所以该控制方式在电力驱动领域得到了广泛应用。如图3-1所示为用于直流电动机速度控制的一象限直流斩波控制。四象限运行是指用x轴表示电动机转速,y轴表示电流,第一象限就是电动状态。四象限是指正向电动、正向发电、反向电动、反向发电。

图3-1 用于直流电动机速度控制的一象限直流斩波控制

一象限直流斩波控制的工作原理是电流经蓄电池正极输出,经绝缘栅极双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)的集电极C和发射极E,再经电刷进入电动机M的转子,电动机的定子S可以是线圈也可能是永磁体。驾驶人踏下加速踏板时,实际上就是电路在控制IGBT管的门极G的PWM波占空比加大,汽车减速时,若定子S为永磁体,则电动机转为发电机发电,但发出的电流无法经IGBT将电流充入蓄电池。要想在第二象限工作,则可在IGBT的G和E间反加一个大功率二极管,这时电动机再生制动的能量就可以返回蓄电池了。

2.IGBT结构原理与检测

(1)IGBT的结构 IGBT是MOSFET(场效应晶体管)与GTR(功率晶体管)的复合器件。它既有MOSFET易驱动的特点,又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间,可正常工作于几十赫兹的频率范围内,故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。

如图3-2所示,GTR由N、P、N、N四层半导体组成,无SiO2绝缘层;MOSFET由N、P、N、N四层半导体组成,但有SiO2绝缘层;IGBT由N、P、N、N、P五层半导体组成,有SiO2绝缘层。图中黑色箭头代表正电子;白箭头代表负电子。仅有电子流动的为单极性管,有正负电子流动的为双极性管。

图3-2 IGBT等电子元件结构比较

(2)IGBT的工作原理 GTR是指集电极C、基极B、发射极E三个电极,当B、E间通过一个小电流,则在C、E间有大电流流过,是电流放大电流的器件。MOSFET是指漏极D、栅极G、源极S三个极,当G、S间施加一个电压,则在G、S间有大电流流过,是电压放大电流的器件。IGBT是指集电极C、极栅G、发射极E三个极,当G、E间施加一个电压,则在C、E间有大电流流过,是电压放大电流的器件。

IGBT通过栅极驱动电压来控制的开关晶体管,工作原理同MOSFET相似,区别在于IGBT是通过电导调制来降低通态损耗。GTR电力晶体管饱和压降低,载流密度大,但驱动电流也较大。MOSFET驱动功率很小,开关速度快,但导通压降大,载流密度小。IGBT综合了两种器件的优点,驱动功率小而饱和压降低。如图3-3所示为IGBT功率模块。

图3-3 IGBT功率模块

(3)IGBT使用注意事项 由于IGBT模块为MOSFET结构,IGBT的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。由于此氧化膜很薄,其击穿电压一般仅能承受到20~30V,所以因静电而导致栅极击穿是IGBT失效的常见原因之一。因此,使用中要注意以下几点。

① 在使用模块时,尽量不要用手触摸驱动端子部分,当必须触摸模块端子时,要先将人体或衣服上的静电用大电阻接地进行放电后再触摸;在用导电材料连接模块驱动端子时,在配线未接好之前请先不要接上模块,在良好接地的情况下操作。在应用中有时虽然保证了栅极驱动电压没有超过栅极最大额定电压,但栅极连线的寄生电感和栅极与集电极间的电容耦合,也会产生使氧化层损坏的振荡电压。为此,通常采用双绞线来传送驱动信号,以减少寄生电感。在栅极连线中串联小电阻也可以抑制振荡电压。

② 在栅极-发射极间开路时,若在集电极与发射极间加上电压,随着集电极电位的变化,由于集电极有漏电流流过,栅极电位升高,集电极则有电流流过。这时,如果集电极与发射极间存在高电压,则有可能使IGBT发热及至损坏。

③ 在使用IGBT的场合,当栅极回路不正常或栅极回路损坏时(栅极处于开路状态),若在主回路上加上电压,则IGBT就会损坏。为防止此类故障,应在栅极与发射极之间串接一个10kΩ左右的电阻。

④ 在安装或更换IGBT模块时,应十分重视IGBT模块与散热片的接触面状态和拧紧程度。为了减少接触热阻,最好在散热器与IGBT模块间涂抹导热硅脂,安装时应受力均匀,避免用力过度而损坏。

⑤ 一般散热片底部安装有散热风扇,当散热风扇损坏,散热片散热不良时,将导致IGBT模块发热,从而发生故障。因此对散热风扇应定期进行检查,一般在散热片上靠近IGBT模块的地方安装有温度感应器,当温度过高时报警或停止IGBT模块工作。

(4)IGBT管极性测量 判断极性,首先将万用表拨在R×1k挡,用万用表测量时,若某一极与其他两极阻值为无穷大,调换表笔后该极与其他两极的阻值仍为无穷大,则判断此极为栅极G。其余两极再用万用表测量,若测得阻值为无穷大,调换表笔后测量阻值较小,则在测量阻值较小的一次中,红表笔接的为集电极C,黑表笔接的为发射极E。

(5)检测判断IGBT管的好坏 IGBI管的好坏可用指针式万用表的R×1k挡来检测,或用数字式万用表的“二极管”挡来测量PN结正向压降进行判断。检测前先将IGBT管三个引脚短路放电,避免影响检测的准确度;然后用指针式万用表的两支表笔正反测G、E两极及G、C两极的电阻。正常G、C两极与G、E两极间的正反向电阻均为无穷大;内含阻尼二极管的IGBT管正常时,E、C极间均有4kΩ的正向电阻。

最后用指针式万用表的红笔接C极,黑笔接E极,若所测值在3.5kΩ 左右,则所测管为含阻尼二极管的IGBT管,若所测值在50kΩ 左右,则所测IGBT管内不含阻尼二极管。对于数字式万用表,正常情况下,IGBT管的C、E极间正向压降约为0.5V。

综上所述,内含阻尼二极管的IGBT管检测,除红黑表笔连接C、E阻值较大,反接阻值较小外,其他连接检测的读数均为无穷大。测得IGBT管三个引脚间电阻均很小,则说明该管已击穿损坏,维修中IGBT管多为击穿损坏。若测得IGBT管三个引脚间电阻均为无穷大,说明该管已开路损坏。

二、交流电动机

1.三相异步感应电动机的结构(图3-4)

图3-4 三相异步感应电动机的结构

三相异步感应电动机有鼠笼式异步感应电动机(简称感应电动机)和绕线式异步感应电动机两种。鼠笼式感应电动机是应用最广泛的电动机。

三相异步感应电动机的定子和转子由更薄的硅钢片叠成,两端采用铝盖封装,在转子和定子之间没有相互接触的部件,结构简单,运行可靠,经久耐用,价格低廉,被众多电动汽车所采用。

2.三相异步感应电动机的控制系统

电动汽车上,一般采用发电机或动力电池组作为电源,三相异步感应电动机不能直接使用直流电源。另外,三相异步感应电动机具有非线性输出特性,因此,在采用三相异步感应电动机时,需要应用逆变器中的功率半导体变换器件,将直流电变换为频率和幅值都可以调节的交流电,来实现对三相异步感应电动机的控制。在混合动力汽车上,根据混合动力汽车的结构不同,通常功率电路有交-直-交变频器系统、交-交变频器系统、直-交逆变器系统。

在装有交流发电机的混合动力汽车上,根据动力系统结构模型的要求,可采用如图3-5(a)、(b)所示的变频器。如图3-5(c)所示的变频器普遍应用在电动汽车上。

图3-5 交流电动机调速系统功率电路的基本形式

三、永磁电动机

1.永磁电动机的种类

按永久磁铁在永磁电动机上的布置,可以将永磁电动机分为内部永磁型磁性转子(IPM)、表面永磁型磁性转子(SPM)和镶嵌式(混合式)永磁型磁性转子(ISPM)几种结构形式,将永磁磁极按N极和S极顺序排列组成永磁电动机的磁性转子。

(1)内部永磁型磁性转子 内部永磁型磁性转子的磁路结构可分为径向型磁路结构、切向型磁路结构和混合型磁路结构。

永久磁铁的磁路结构形式如图3-6所示。径向型内部永磁转子漏磁小,而且不需要隔离环,但它的每个磁极的有效面积约为切向型内部永磁转子的一半,为了提高径向型内部永磁转子的有效面积,多采用图3-6中5的截面形状。切向型内部永磁转子会因为q轴电枢反应较强,从而减少了有效转矩,可以采用图3-6中8的形式,在转子上开闭口空气槽,可以改善对其转矩的影响。

图3-6 永久磁铁的磁路结构形式

1~5—径向型内部永磁转子结构;6~8—切向型内部永磁转子结构;

9—混合型内部永磁转子结构;10~12—表面永磁型转子结构

(2)表面永磁型磁性转子 表面永磁型转子的应用正在逐渐增多。如图3-7所示为表面永磁型磁性转子电动机的横截面图。

图3-7 表面永磁型磁性转子电动机的横截面图

1—电动机轴;2—转子;3—转子磁体固定环;4—钕-

铁-硼永磁体;5—钕-铁-硼永磁体卡环;6—定子绕组;

7—定子铁芯;8—电动机冷却水套

(3)镶嵌式永磁型磁性转子 如图3-8所示为镶嵌式永磁型磁性转子的结构,这种转子可以用嵌入永久磁铁中的励磁绕组来对磁通量进行控制,从而改变永磁电动机的力学特性。

图3-8 镶嵌式永磁型磁性转子的结构

1—定子绕组;2—励磁绕组;3—永久磁体

2.磁极的数量

一般感应电动机的磁极数量增多以后,电动机在同样的转速下,工作频率随之增加,定子的铜损和铁损也相应增加,将导致功率因数急剧下降。磁阻电动机的磁极数量增多以后,会使电动机输出的最大转矩与最小转矩之间的差值很大,对磁阻电动机的性能影响较大,独立励磁电动机的磁极数量增多以后,将无法达到额定的转矩。而永磁电动机的磁极增加一定数量以后,不仅对电动机的性能没有明显的影响,还可以有效地减小永磁电动机的尺寸和重量。永磁电动机的气隙直径和有效长度,受电动机的额定转矩、气隙磁通密度、定子绕组的线电流密度等参数变化的影响。气隙磁通密度主要受磁性材料磁性的限制,因此需要采用磁能密度高的磁性材料。另外,在气隙磁通密度相同的条件下,增加磁极的数量,就可以减小电动机磁极的横截面面积,从而减小电动机转子铁芯的直径。如图3-9所示为四极永磁铁芯与十六极永磁转子铁芯的尺寸比较,减小电动机的重量、增加磁通密度、改进磁路结构,是提高永磁电动机性能和效率的主要途径,后者的截面面积要小于前者,因此可减弱电枢反应和提高电动机的转速。

图3-9 四极永磁转子铁芯与十六极永磁转子铁芯的尺寸比较

3.永磁材料

永磁电动机的永磁材料种类很多,如KS-磁钢、铁氧体、锰铝碳、铝镍钴和稀土合金等。铁氧体价格低廉,而且去磁特性接近一条直线,但铁氧体的磁能很低,使得永磁电动机的体积增大,结构很笨重。目前主要采用稀土合金永磁材料来制造永磁电动机的磁极,它的能量密度远远超过其他永磁材料制成的磁极。钕-铁-硼(Nd-Fe-B)稀土合金的磁能积最高,有最高的剩磁和矫顽力,加工性能好,资源广泛,应用发展最快,是目前最理想的永磁材料,而且相对价格也比较低。磁极的磁性材料不同,电动机的磁通量密度也不同,磁通量密度大时,永磁电动机的体积和重量都将减小。采用钕-铁-硼(Nd-FeoB)稀土合金永磁材料时,由于其在高温时磁性会发生不可逆的急速衰退,以致完全失去磁性,因此,用钕-铁-硼稀土合金永磁材料制成的永磁电动机的工作温度必须控制在150℃ 以下,一般在电动机上要采取强制冷却。钕-铁-硼稀土合金永磁材料要比钐-钴(Sm-Co)稀土合金永磁材料具有更好的力学性能,价格也比较便宜。稀土合金永磁材料在制造中都必须进行适当加固,否则不能承受高速运转时的作用力。

4.永磁无刷直流电动机

(1)永磁无刷直流电动机的结构 永磁无刷直流电动机(图3-10)可以看作是一台用电子换向装置取代机械换向的直流电动机,永磁无刷直流电动机主要由永磁电动机本体、转子位置传感器和电子换向电路组成。无论是结构或控制方式,永磁无刷直流电动机与传统的直流电动机都有很多相似之处:用装有永磁体的转子取代有刷直流电动机的定子磁极;用具有多相绕组的定子取代电枢;用由固态逆变器和轴位置检测器组成的电子换向器取代机械换向器和电刷。

图3-10 永磁无刷直流电动机

(2)永磁无刷直流电动机的控制系统 永磁无刷直流电动机具有很高的功率密度和宽广的调速范围。永磁无刷直流电动机的控制系统较为复杂,有多种控制策略,采用方波电流(实际上方波为顶宽不小于120°的矩形波)的永磁无刷直流电动机的控制则比较容易,驱动效率也最高。方波电动机可以比正弦波电动机产生大15%左右的电功率,由于磁饱和等因素的影响,三相合成产生的恒定电磁转矩是一种脉动电磁转矩。永磁无刷直流电动机实际上是一种隐极式同步电动机,在正常运行时电枢电流磁动势与永磁磁极的磁动势在空间位置相差90°电角度。在高速运行时通过“弱磁调速”的技术来提速。

永磁无刷直流电动机的基本控制系统由直流电源、电容器、三相绝缘栅双极晶体管逆变器、永磁无刷直流电动机(PMBDC)、电动机转轴位置检测器(PS)、逻辑控制单元120°导通型脉宽调制信号(PWM)发生器驱动电路和其他一些电子器件共同组成。

转轴位置检测器检测转轴位置的信号,经过位置信号处理,将信号输送到逻辑控制单元,码盘检测电动机的转速,经过速度反馈单元和速度调节器对电动机的运行状态进行判别,将信号输送到逻辑控制单元,经过逻辑控制单元计算后,将控制信号传送到PWM发生器。

电流检测器按照闭环控制方式,将反馈电流进行综合,经过电流调节器调控,也将电流信号输入PWM发生器。

由转轴位置检测器根据转角θ和速度调节器,对电动机的运行状态进行判别,共同发出转子位置的信号DA、DB、DC,以及电流检测器对电流的调控信号,共同输入PWM发生器后,产生脉宽调制的信号,通过自动换流来改变定子绕组的供电频率和电流的大小,控制逆变器的功率开关元件的导通规律。如图3-11所示,逆变器的功率开关由上半桥开关元件S1~S3和下半桥开关元件S4~S6组成,在同一时刻只有处于不同桥臂上的一个开关元件IGBT被导通(例如S1和S6),电动机的电磁转矩T与开关元件导的电流成正比。

图3-11 永磁无刷直流电动机控制策略

5.永磁磁阻同步电动机

(1)永磁磁阻同步电动机的结构 永磁磁阻同步电动机是将永久磁铁取代他励同步电动机的转子励磁绕组,将磁铁插入转子内部,形成同步旋转的磁极。电动机的定子与普通同步电动机两层六极永磁磁阻同步电动机的定子和转子一样,如图3-12所示,转子上不再用励磁绕组、集电环和电刷等来为转子输入励磁电流,输入定子的是三相正弦波电流,这种电动机称为永磁磁阻同步电动机。

图3-12 不同层数的永磁磁阻同步电动机的转子

永磁磁阻同步电动机具有高效率(达97%)和高比功率(远远超过1kW/kg)的优点。输出转矩与转动惯量比都大于相类似的三相感应电动机。在高速转动时有良好的可靠性,平稳工作时电流损耗小,永磁磁阻电动机在材料的电磁、磁极数量、磁场衰退等多方面的性能都优于其他种类的电动机,工作噪声也低。

在同步电动机的轴上装置转子位置传感器和速度传感器,它们产生的信号是驱动控制器的输入信号。永磁磁阻同步电动机具有功率密度高、调速范围宽、效率高、性能更加可靠、结构更加简单、体积小的优点。与相同功率的其他类型电动机相比较,更加适合作为EV、FCEV和混合动力汽车的驱动电动机。

永磁磁阻电动机为了增加电动机的转矩,采用增加q轴磁阻与d轴磁阻之差来获得更大的磁阻转矩,因此采用多层的转子结构,有单层、双层、3层和10层等,用于优化转子结构。转子的层数增加,LqLd也增大,但增加层数超过3层,LqLd变化不大,一般为2~3层。

(2)永磁磁阻同步电动机的控制系统 永磁磁阻同步电动机采用了带有矢量变换电路的逆变器系统来控制,其控制系统由直流电源、电容器、三相绝缘栅双极晶体管(IGBT)逆变器、永磁同步电动机(PSM)、电动机转轴位置检测器(PS)、速度传感器、电流检测器、驱动电路和其他一些元件等共同组成。微处理器控制模块中包括乘法器、矢量变换电路、弱磁控制器、转子位置检测系统、速度调节系统、电流控制系统、PWM发生器等主要电子器件,PWM逆变器的作用是将直流电经过脉宽调制变为频率及电压可变的交流电,电压波形有正弦波或方波。

① 转子位置检测器根据检测转子磁极的位置信号和矢量变换电路发出的控制信号,共同通过电流分配信号发生器来对转子位置信号进行调节,产生电流分配信号,将信号分别输入A、B乘法器中。

② 速度传感器、速度变换电路和速度调节器,对电动机的运行状态进行判别和处理,将电动机的运行状态信号分别输入A、B乘法器中。

③ 控制驱动器采用不同的控制方法,由电流分配信号发生器和速度调节器对系统提供信号,经过乘法器逻辑控制单元的计算后产生控制信号,并与电流传感器输入的电流信号,共同保持转子磁链与定子电流之间的确定关系,将电流频率和相位变换信号分别输入各自独立的电流调节器中,然后输出到PWM发生器中,控制逆变器换流IGBT开关元件的通断,完成脉宽调制,为永磁同步电动机提供正弦波形的三相交流电,同时控制定子绕组的供电频率、电压和电流的大小,使永磁同步电动机产生恒定的转矩和对永磁同步电动机进行调速控制。

④ 系统的给定量是转子转速的大小,系统可以根据不同的给定速度运行,调速范围宽,调速精度也较高。根据电动机转子位置检测器测得的转子的正方向转角θ位置的信号DA、DB、DC,使分别属于上桥臂和下桥臂的两个开关元件导通,而且只有在下桥臂的开关元件受控于PWM状态时,电动机处于电动状态运转。

根据电动机转轴位置检测器得到的转子反方向转动的信号DA′、DB′、DC′时,分别属于上桥臂和下桥臂的6个开关元件按周期规律交替导通,在每个周期中每个开关元件轮流导通工作60°电角度,PWM处于脉宽调制状态时,电动机处于发电状态运转。永磁磁阻同步电动机的控制系统如图3-13所示。

图3-13 永磁磁阻同步电动机的控制系统

(3)永磁磁阻同步电动机的机械特性 永磁磁阻同步电动机在牵引控制中采用矢量控制方法,在额定转速以下恒转矩运转时,使定子电流相位领先一个β角,这样,一方面可增加电动机的转矩,另一方面由于β角领先产生的弱薄作用,使电动机额定转速点增高,从而增大了电动机在恒转矩运转时的调速范围,如β角继续增加,电动机将运行在恒功率状态。永磁磁阻同步电动机能够实现反馈制动。如图3-14所示为永磁磁阻同步电动机的力学特性曲线。

图3-14 永磁磁阻同步电动机的力学特性曲线

四、开关磁阻电动机

电动汽车热门的主驱电动机——开关磁阻电动机(swtched relutmce motor,SRM)及其控制调速系统具有免维护、控制简捷便利、启/制动性能好、较佳的动态运行性能和稳态精度、运行效率高、可靠性优异、环境适应性强、成本低等特点,正快速普及至家用电器、工矿机械、自动化设备、电子工程、航空、航天及电动车辆等国民经济中的各个领域。

1.结构

开关磁阻电动机硅钢片叠压带绕组的定子磁极和“齿槽”形的转子磁极有不同的极对数。定子极数与转子齿槽数不能相等,又必须相近。只有两者相近,才能加大定子相绕组电感随转角变化的平均变化率,这是提高电动机输出的重要条件。定子绕组可配置为三相、四相、五相等多种类型,定子绕组的组数与其类型相对应。相数较大,其转矩脉动则较小。图3-15为拆解的开关磁阻电动机的定转子。

图3-15 拆解的开关磁阻电动机的定转子

图3-16为8/6极SRM的定转子透视图,用4种色彩表示绕组,绕组连接成四相。当前,开关磁阻电动机的定子磁极数和转子齿极数的差值必须有规律,以四相(8/6)结构和三相(12/8)结构应用较多。

图3-16 8/6极SRM的定转子透视图

2.原理

开关磁阻电动机不同于由电磁感应作用产生转矩的传统交直流电动机,它由磁路中定转子间气隙磁阻变化的原理产生转矩-磁阻转矩。开关磁阻电动机是因励磁绕组通断状态的变换皆受开关控制而得名。如图3-17所示为定转子8/6极的开关磁阻电动机的横截面,其中定子直径方向上一对磁极绕组形成一相电路。

图3-17 8/6极的开关磁阻电动机的横截面

开关磁阻电动机运行原理:磁通总是要沿着磁阻最小的路径闭合,转子磁极与定子磁极主轴线相重合时,即是磁阻最小位置,于是就促使转子向最小磁阻的位置转移,励磁绕组依次通电,产生旋转转矩,从而形成旋转的磁场。如图3-18所示的转矩作用,类同于励磁的电磁铁吸引铁磁物质而产生拉动转子转动的现象。

图3-18 最小磁阻原理及产生的旋转转矩θ—定转子磁极中心线的夹角

图3-19中,S1、S2是电子开关,D1、D2为二极管,U是直流电源。定转子磁极对数的差异,使电动机磁路的磁阻随着定转子磁极中心线的重合或错位的不同角度而变化。磁阻反比于电感量,当定转子磁极的中心线相重叠时,相绕组电感量最大,这段磁路有最小的磁阻;而当定子磁极的中心线与转子两极间(相当于“槽”)的中心线对准时,该段磁路磁阻最大,相绕组电感量最小。正因如此,SRM也被称为可变磁阻电动机。

图3-19 一对磁极通电的情况

图3-19中仅标出A相励磁绕组及其供电电路。 “磁阻最小原理”揭示,磁通会沿着磁阻最小途径闭合,转子的凸极中心轴线与励磁定子凸极磁场轴线相重合时,磁路有最小磁阻。亦即通电的一组励极对产生的磁通会追逐到最近的磁导体闭合磁通,由于磁通总是沿磁阻最小的路径闭合而产生力矩,将转子由0°旋转到10°,实现最小磁阻。当A-A′极励磁时,转子a-a′向定子A-A′轴线重合的位置转动,这时A相励磁绕组的电感量L最大。若以图3-19定转子的相对位置作为起始态,依次给D→A→B→C相绕组通电,转子即会逆着励磁顺序以逆时针方向连续转动;相反,若依次给B→A→D→ C相通电,则电动机即会沿顺时针方向转动。故依次对A-A′、B-B′、C-C′、D-D′按顺序变换绕组正负极通电,即可控制形成一个固定转向的旋转磁场。完整的相位变换,使采用简单的开关变换电路便可实现转向的变换。其顺序是,A-A′相绕组通电→a-a′与A-A′重合;B-B′相绕组通电→b-b′与B-B′重合;C-C′相绕组通电→c-c′与C-C′重合;D-D′相绕组通电→a-a′与D-D′重合;电动机转子便会逆励磁顺序方向连续旋转。

当向A~D各相绕组依次通电流时,电动机转子会逐步沿着逆励磁顺序方向连续旋转。若改变各相绕组通电的顺序,电动机将改变旋转方向。但是,绕组相电流通电的方向,并不会影响转子旋转的方向。亦即开关磁阻电动机的转向与相绕组电流方向无直接关联,而仅取决于各相绕组通电的顺序。

励磁供电回路的每个开关晶体管皆并联一个二极管用来续流。当主开关器件S1、S2导通时,A相绕组从直流电源U吸收电能,而当S1、S2断开时,绕组电流经续流二极管D1、D2继续流通,并回馈电能给电源U。图3-20为6/4极三相SRM的供电回路,图中配置的电容器用以抑制电源电压的波动和由此所引起的电动机电磁噪声。

图3-20 6/4极三相SRM的供电回路

开关磁阻电动机使电动机无需受三相交流电的局限,而采用多相的旋转磁场。当然,简单的开关电路基于复杂精准的控制系统,多相位的变换也需要精准的转子位置信息才能实现。开关磁阻电动机回避了三相交流电动机极对数越少转速越高、极对数越多旋转转矩越大的特性,实现了转矩与转速同步,能在较宽范围内按需求提供转速,不受制于负载。

开关磁阻电动机传动的一大特色是具有再生作用。如图3-21所示,在转矩T的发电机工作段,电动机反过来向系统馈送能量,呈发电机状态。

图3-21 定转子不同相对位置的电感电流和转矩

转矩和励磁绕组的电感对转子位置角θ的变化率呈正比关系。只有当绕组电感随转子位置角增大时,给绕组通电才能产生正向电动转矩;而当电感随转子位置角变化下降时,若绕组中仍有电流,则将产生制动转矩。必须注意:相绕组关断后,因电感的延迟作用电流不能突变为0,为防止绕组电流延续到负转矩区(制动转矩),必须在绕组电感开始下降前,提前关断绕组。

3.开关磁阻电动机调速系统的组成

开关磁阻电动机的调速控制原理是通过控制加至SRM绕组端的电流脉冲的幅度、宽度及其与转子相对位置的导通角、关断角来实现的,从而控制开关磁阻电动机转矩大小与方向,成为一种新型的无级调速驱动系统,广为应用。

正是因为开关磁阻电动机是一类机电一体化的产品,实际现场使用,电动机无法直接连接一个简单的交流或直流电源来驱动负载工作,必须和驱动控制部分不可分割地联系在一起,形成一个系统。开关磁阻电动机调速系统(SRD),由开关磁阻电动机、功率变换器、控制器和位置检测器等几部分组成,也有把功率变换器和控制电路合称为控制器的,而转子位置检测器一般总是装置在电动机的非输出轴一侧。如图3-22所示为SRM及其简化的SRD系统。如图3-23所示为可供调速控制的SRD系统。

图3-22 SRM及其简化的SRD系统

图3-23 可供调速控制的SRD系统