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偏磁式磁阻电机大体原理
偏磁式磁阻电机大体原理
——偏磁电机之一
朱正风(ZhengFengZHU)
偏磁式磁阻电机(简称偏磁电机),是磁阻电机的改良。
其原始结构是在磁阻电机基础上,仅仅通过改良绕组,把每相绕组一分为二,别离作为励磁型偏磁绕组和驱动绕组而成。
偏磁绕组通直流,驱动绕组用交流驱动。
在此基础上再把励磁绕组去除,把定子铁芯稍作改变,用永磁偏磁替代励磁,即是永磁型偏磁电机了。
磁路混合式磁阻电机和单凸极磁阻电机别离都是偏磁电机中的一种典型结构。
一、概述
磁阻电机(又称反映式电机),一般被以为脉振大、效率低、驱动复杂,因此不象直流电机、异步电机、同步电机那样普遍应用,由于笔者对步进电机相对加倍熟悉,以下的磁阻电机主要以步进电机为例。
开关磁阻电机等一般磁阻电机就看成大步距角步进电机考虑。
近几十年来,开发无刷直流电机的同时,也进展了开关磁阻电机。
但到目前为止对磁阻电机的研究还不够深切,理论还不够完善,性能指标也不够理想。
相较直流电机单相力矩的表达式:
M=CmIBScosθ
式中:
Cm:
力矩系数
I:
电流
B:
磁通密度
S:
线框面积
θ:
线框平面与磁力线交角
若使电流I为两相以上正弦交流电,通入相应两相以上绕组,式中力矩波动能够消除;再把定、转子位置、关系互逆,就成为同步电机了。
多相正弦交流电,奠定了旋转磁场理论,能够解释直流电机、同步电机、异步电机等三大类电机的原理。
相对恒稳磁场与旋转磁场间的彼此作用,是上述三类电机的大体特点。
磁阻电机作为第四类电机,一直是以直流脉动电流作为驱动方式,其无脉振持续运转的大体理论尚未成立。
磁路混合式电机,也曾被归类于同步电机,其核心理论至今没有完整解释,结构也不能有重大冲破。
经典磁阻式步进电机理论往往强调其步进原理,重视静力矩,过量地研究从一步过渡到另一步的脉动进程,而恰恰忽略了其持续运转的电机特性。
所以说步进电机的理论,不完全符合电机理论。
步进电机的结构,既使采用调频调压驱动电路,也仅是减小脉振的幅度;传统的光滑、细分驱动,不过是用梯形波取代矩形波,电机低速运行的角速度,始终处于忽快忽慢周期转变状况。
所以虽然磁阻电机结构简单、靠得住、廉价,但仍不受重视。
二、原理
咱们先看看普通步进电机工作状况。
图1以三相磁阻电机为例,(b)为标准电路,(a)为驱动电流波形。
在当前斩波式驱动电路普遍利用的情形下,低速时,电机电流相当于矩形波。
矩形波可用频谱分析为:
直流+基波+3次谐波+5次谐波+……
其中直流成份,保证总磁通始终为单向磁通,是磁阻电机正常工作所必需的。
基波成份,相当于交流电机中,产生旋转磁场的那部份做功能量。
三次、五次等高次谐波成份,是造成电机脉振、发烧的有害成份。
保留直流成份和基波成份,消除谐波成份,磁阻电机就有可能在性能上与其它电机相媲美。
因此,设置偏磁绕组,专门提供直流成份;驱动绕组采用星形对称连接法,利于基波生成,抑制高次谐波。
三、改良
要使这些理论成立,就有必要对磁阻电机传统结构进行一些改革。
具体作法如下:
(一)、改变绕组结构,将每一个绕组都一分为二,改成两个独立绕组,一个为驱动绕组,另一个为偏磁绕组。
以三相电机为例,如图2所示,将各相驱动绕组尾端全数连在一路,并使之空置,首端引出,各为A、B、C端点(相当于三相交流电机的星形接法)。
各相偏磁绕组首、尾串联,引出X、Y两头点。
偏磁绕组的这种接法很类似于三相交流电机里的三角形接法,故也称之为角形联接。
总之可简称为“星--角”联接法。
同理,三相以上的多相电机,“星--角”联接法一样适用。
作为一个实例,曾改制了一台原常州电讯电机厂(后来叫宝马集团)生产的110反映式步进电机,该电机恰好是双线并绕,只需简单将其接线改动后分为两个绕组,接成“星--角”联接后,即可直代替代同尺寸的混合式步进电机,用混合式步进电机的交流驱动电路,原有机械阻尼器能够拆除,运行效果专门好,主要缺点就是发烧大了一点。
(二)、改变铁芯齿的散布状况。
步进电机名称应该叫“电磁谐波减速电机”。
步进电机是由螺线管棘轮步进器进展而来,叫那个名字本不该有异议,但设计上把其当做间歇运动式电机,这就不对了。
从棘轮步进器进展成轴向分相电机,继而到径向分相,无不留下间歇式传动的烙印。
一个间歇式传动机构怎么能实现无脉振的光滑传动呢?
定、转子一样齿数,定子每相只是强行向前移位1/m齿距,转子每一步都在棘轮式跳跃着前进,不但振荡,还出现所谓干与现象。
所以会有一种理论以为,三相电机选齿槽比为就是要削去齿的重叠。
这里提出齿的改良,就是要从头成立一个机械模拟,把跳跃式运动改成持续的齿与齿间的“啮合”运动。
图3就是这种机械模拟,定、转子存在一个齿差K,叫K齿差谐波齿轮模式。
P等于电机每相定子有效工作磁极对数:
K=
2P。
这种结构有利于吸收相切换时的振荡,使之减小到一个传动比的倍数:
i=K/Nr(式中i为传动比,Nr为转子齿数)。
混合式电机也是采用这种模式,混合式电机一对磁极中,有效工作磁极数仅一个,一般K=
P。
经上述两项改良后的电机,称为偏磁式磁阻电机,简称偏磁电机。
偏磁电机与前面所述直流、同步、异步三类电机一样,也具有相对稳恒磁场与旋转磁场间彼此叠加作用的大体特点。
四、偏磁
偏磁的名称来自录音磁头。
录音磁头为了减小失真,改善记录效果,采用偏磁电路;耳机为了提高放音灵敏度,也采用了偏磁电路。
录音磁头的偏磁电路,有直流偏磁与交流偏磁两种形式;耳机的偏磁,有直接偏磁与正交偏磁两种磁路结构。
混合式步进电机采用的就是正交偏磁,其特点是偏磁磁通与驱动磁通,在磁轭内正交通过,各行其道,在极齿上彼此叠加。
实际上混合式电机也是偏磁电机的一种。
偏磁电机采用直接偏磁,偏磁与驱动共用磁路,彼此影响,彼此干扰,只有靠外电路巧妙的连接,才使干扰与影响大体消除。
“星-角”连接法,是其中的一种可行方案。
还有其它接法,后面再作介绍。
偏磁电机也能够利用交流偏磁(类似于串激式电机),利用交流电源或脉动电源工作。
现在开关元件,就可利用双向可控硅一类廉价、简单的驱动元件了。
录音机的交流偏磁原理,偏磁频率必需比纪录频率高一个数量级。
一样,偏磁电机的驱动频率,比交流电源频率低一个数量级。
这种方式仅适用于一些特殊的低速驱动场合。
五、分析
看图2电机偏磁绕组的工作状况。
因为修正后的齿槽,使磁阻按正弦规律转变,理论上,在三相平衡的情形下,不论转子转到什么位置,串联的总电抗老是不变的。
咱们从X,Y端口通入一直流电,也能够证明,不论转子转速如何,偏磁绕组各相感生电势之和接近为零(有关证明可参考交流三相电机三角形接法的理论)。
再考虑驱动绕组采用星形接法,中点空置,所以偏磁绕组工作电流转变时,星形接法能使任意二相感应到的电压相抵消,所以从A,B,C三个端点中任两头间不受影响。
反之驱动绕组任两头口间电压或电流发生转变时,都不会影响X,Y两头(有关证明可参考交流三相变压器主、副方采用“三角形-星形”接法的理论)。
这就是:
“星-角”联接法+磁阻正弦转变规律,在此发生的特殊效用。
对于三相以上电机,分析结果与三相电机一样,在此从略。
若新绕组匝数等于原绕组,偏磁绕组与驱动绕组可采用串联接法如图4所示。
图中开关为电子开关,能够是可控硅、功率三极管、功率场效应管等。
令电流正向流入电机A端口时,写作:
A,流出A端口时,写作:
,(B,C端口类同)。
咱们令开关Ka、Kb'、Kc'通电,Kb、Kc、Ka'不通,现在通电状况写作:
。
类似咱们可写出三相12拍通电的相序如下:
……
(一)、波形
若是图4所示Icc是一恒流源电源,可画出上述三相12拍通电的电流波形图,如图5所示。
图6、图7为三相六拍通电电流波形。
表面上看起来,这似乎只是一个省力不省功的方案。
随着分析的进一步展开,将发觉偏磁电机理论的提出,完善了磁阻电机理论,成倍的降低了视在驱动功率,也同时把系统本钱进一步降低,拓展了其应用范围,把磁阻电机的性能指标提高到接近理想的程度。
从图5看到,驱动相电流是交变的,叠加偏磁相直流后,等效电流波形很象4细分电路的波形。
图8画出传统的标准三相4细分电路波形加以分析。
从图8电流波形看,每次电流的升、降都仅在一相中发生,其它二相等待不变;图5每一个台阶电流的转变,都有二相对称发生,因此电流波形的对称性好,谐波成份小。
图8波形从整体上看,充其量仅是近似梯形波;图5波形看起来就很近似于正弦波,因此基波成份大,谐波成份小。
看起来,三相四细分电路使步进电机每一个工作周期有24个节拍工作,步距是很细了,但细分电路毕竟是从脉动步进这种思维下产生的,再加上磁路的饱和等非线性因素后,实际上的步进仍然是一大步,一小步,快一步,慢一步,摇摇晃晃地往前走。
终究解决不了脉振的问题。
偏磁式电机虽然每一个周期只有12个节拍,但其运行理论是成立在旋转磁场持续运行的电机理论上的,如此才能从根本上改善低速脉振问题。
(二)、阻尼
这里仅从电阻尼的角度来分析。
多相激磁阻尼的作用已为实践所证明。
所谓多相激磁是利用互感、磁阻尼的综合作用来改善阻尼。
图5、6、7、三图别离叠加直流分量后,都等效于永久有+=相激磁。
而图3(a)所示波形,激磁数在1相与2相间转变,因此阻尼忽强、忽弱,实测运行时一大步,一小步。
图8所示细分电路,其激磁也是在1相与2相之间慢慢转变,阻尼也不太稳固。
偏磁电机的反电势能增强阻尼效果。
偏磁电机的电压简化方程式:
式中右边第四项是偏磁磁势产生的反电动势,传统磁阻电机没有这一项。
右边第二项称变压器电势,在磁阻电机中所占比例达一半。
偏磁电机把驱动电流减小一倍,前三项都减小了一半,新增加的第四项使反电势相对增强,补充了第三项反电势太弱小的缺点。
相对壮大的反电势能产生足够的电压反馈,改善电流波形,有效吸收谐波,抑制振荡,阻尼效果相似于同步电机。
在图4所示电路中,若是接入C2电容,考虑到Icc为恒流源,电路能自动使电机工作于调频调压状态,进一步增强阻尼作用,减小脉振。
固然加入C2后,会使过渡进程加长,无益于快速反映。
图4中,接入C1电容能短接3次谐波分量,进一步增强阻尼,减小过冲。
即便不接C1、C2电容,偏磁电机本身阻尼也足够,不需要外加机械阻尼。
(三)、快速
要实现对比,第一要知足均等条件。
普通磁阻电机采用图1单极性六拍驱动方式,偏磁电机接成图4星形双极性驱动方式。
前者阻抗低,电流大,后者阻抗高,驱动电流小,所以前者电压为U时,后者空载电压为;前者采用图1(a)所示六拍驱动方式;后者也用图6(或图7)所示六拍驱动方式。
偏磁电机把直流成份,分解出来,图4所示与驱动部份串联的供电方式,X,Y两头压降仅几伏算了,相对几百伏的电源电压根本不算什么。
图9画出几个等效图,以便进一步分析其电流转变状况。
看图6,每相导通时间有2拍,关断续流时刻只有1拍(如A相的AB-AC-BC;再看图1,每相导通有3拍,关断时刻也有3拍,合起来有6拍。
但图1中电流幅值是I,而图6中单向电流幅值仅是I,当二者绕阻匝数一样时,平均电流转变比率也一样。
后者相电压仅是前者的,照此比较,偏磁电机高频特性只及磁阻电机的,但实测结果,偏磁电机高频特性并非比磁阻电机差。
究其主要原因有3条:
1.从标准三相正弦电流波原理可知,形成旋转磁场的最大有效值,仅为电流幅值的。
偏磁电机用图6所示6拍驱动方式,现在相电流仅需额定相电流的倍,与磁阻电机就可以够等效了。
2.效率不同。
看前面“阻尼”一节的电压方程式右边前三项,是磁阻电机原有成份,第4项是偏磁产生的反电动势(与同步电机是一样的);前3项降低一倍(代表低效率的70%部份),后一项反电动势部份(假设效率能达到90%以上),二者各占一半,平均效率高于80%。
3.绕组接法不同。
从同9中看出,偏磁电机驱动对称性好,每次两相同时切换,中点可浮动,自动协调各相电流、电压,造成良性互动,加速过渡进程。
若偏磁电机采用图7所示通电方式(参看图9等效图),3相归并等效电感是单相电感的倍,与所用电压对应,从此角度即可认定与磁阻电机等效。
再参考上述第2第3层次由,偏磁电机显然占尽优势。
图9中,实线箭头表示绕组电流增加,虚线箭头表示绕组续流。
从图9中看出:
、
两状态,A绕组电流较慢上升,B、C两绕组电流大幅下降、上升对称进行,中点电压上升,有利B、C换相加速进行;
、两状态,C相电流增值较小,A、B相电流大幅下降、上升对称进行,中点电压下降,有利A、B快速切换……。
由于与偏磁绕组间彼此影响,又造成升、降沿完全对称。
由此良性互动的结果,使波形加倍接近正弦波,有利于提升高速效率。
星形接法中点浮空,加速相间电流切换进程,也改善了高速性能。
看图1,原磁阻电机三相六拍驱动方式,利用斩波电路,画出某相高速状态下的实测电流波形,如图10所示。
图10中,启始段电流上升快,因为现在电流小,磁通不大;中间上升慢,是因为转子转向通电一相,磁阻转变引发反电势,阻止电流上升。
反电势正比于那时的相电流,当转速恒按时,又与磁阻转变率成正比。
原磁阻电机磁阻转变呈三角形散布,电流波形尖顶、尖底,造成专门大谐波分量。
以功率步进电机为例,无论如安在电路上想办法,电机效率老是无法达到70%。
偏磁电机则相反,各相邻相电流都能彼此利用,造成良性互动,而且本身结构对称性就好,只要与电路配合,功率步进电机高速段工作效率超过80%。
图7所示六拍方式,高速运行时另有特色。
如采用图4驱动电路时,每相正负驱动元件(如Ka与Ka'),同时切换时(一个导通,另一个关断),原则上必需有足够延时,不然容易产生串流。
如成心造成适当串流,可与偏磁绕组配合,产生升压效果,提升高速性能。
(四)、漏磁
普通磁阻电机,尤其是步进电机,齿数多,齿距小,磁槽漏磁老是不免的。
就连开关磁阻电机如此的每一个磁极仅有一个齿的电机,由于磁极数少(一般每相两极),磁路长而且多采用集中式绕组,单极性驱动,也有大量漏磁。
以三相电机为例,A相通电时,磁通常常跑到较近的B相、C相磁极上去。
漏磁严峻时,漏磁量可达到总磁通的20%,严峻影响电机的矩角特性与输出力矩,也降低了能量转换效率。
偏磁电机的偏磁磁通是各磁极均布的。
驱动绕组常采用双极性驱动形式,每一个通电状态,老是在不该通电的磁极上施加反磁势,应通电的磁极上施加正磁势,达到互补,使电机总磁通量不变。
如此一来就相当于每一个磁极都设有关卡,能正确引导磁通流向,大大减少漏磁机缘。
这也是偏磁电机效率高的一个因素。
六、比较
(一)、与普通磁阻电机比较
偏磁电机从磁阻步进电机改良而来,机械结构相似,固然由于等效同时通电相数增加,静力矩减小了,但输出旋转力矩反而略有提高,力矩脉动大幅下降,低速工作平稳性大大提高,省掉了机械阻尼器,本钱下降,工作靠得住性提高,漏磁减少,能耗下降,调速范围加倍宽广。
以前面提到的110电机为例,同型电机改良后,工作电流仅为原电机的一半,因此驱动电路至少可省钱一半,且矩频特性平坦,未见明显振荡点。
与细分电路相较,大大简化电脑接口的相关电路。
微小型电机的高速效率从不足70%提高到80%以上,噪音大幅下降。
缺点是:
等效通电相数增加后,励磁型偏磁绕组的铜线消耗能量也增加,发烧量提高了。
只有后面所述采用永磁的偏磁电机,那个缺点才能完全克服。
(二)、与同步电机比较
偏磁电机持续运行的理论,与同步电机的旋转磁场理论相同。
偏磁电机与同步电机最大不同的地方,在于转子上没有磁动势。
同步电机转子转动时,其磁动势产生的磁通,顺序地通过定子磁极,引发定子磁极上磁通大、小,方向周期性地转变,套在定子磁极上的定子绕组,因此感生电势。
这一进程,与偏磁电机也有相似的地方。
偏磁电机,当偏磁绕组通入一直流偏磁后,在每一个定子磁极上产生了偏磁磁动势,当转子转动时,使磁路上的磁阻顺序转变,从而也造成了磁通大、小周期性的转变,套在定子磁极上的驱动绕组也一样因此感生电势。
从这一角度动身,偏磁电机上的偏磁绕组,就相当于同步电机上转子的励磁绕组;而偏磁电机上的驱动绕组,就相当于同步电机上的定子绕组。
若是向偏磁绕组通入直流电,由外力带动转子旋转起来,驱动绕组就可以够发出电来了。
假设偏磁绕组与同步电机的转子绕组,产生的磁动势一样。
偏磁电机定子上某一相的磁通量,只可能在转子旋转时,有大、小的区别,而不可能有方向的改变;而同步电机相磁通的转变,既能够有大、小的改变,又能够有方向的改变,如图11所示。
图11(a)表示偏磁电机中某相磁通,仅有大小的转变;(b)表示同步电机中某相磁通,不仅有大小的转变,还有方向的转变。
但二者的周期有所不同。
同步电机磁通一周期的转变如下:
零--正最大值--零--负最大值--零--……
偏磁电机相应有:
最小值--最大值--最小值--最大值--最小值--……
从感生电势的原理可知,其值正比于磁通转变速度。
若是有一同步发电机,其定子相同,转子极齿数与磁阻电机齿槽数相对应,仅把转子上绕组,等效地搬到定子上去,成为偏磁绕组的形式,通入一样的励磁电流,其余不变。
当转速一样时,定子绕组将输出一样的电势,但发出电的频率高了一倍,幅值小了一倍。
若要求一样的周波数,只好采用一半的转速,但现在发出的电势只有原来同步发电机的四分之一。
看起来,偏磁电机与同步电机相较,单位体积的电磁能量密度要低得多。
这是因为磁阻电机是双凸极结构,定子磁极面积少了一半;同步电机转子上原来反向磁极的位置,在磁阻电机上成了一个齿槽,该齿槽不但不能像同步电机上反向磁极那样产生推力,反而还会漏点磁。
因此磁阻电机难于跟同步电机或无刷直流电机在同一领域里竟争,但跟异步电机相较就没有这些问题了,因为异步电机由于磁通密度低,其力矩密度也只有永磁同步电机的1/3到1/4之间。
后面将会谈到的进一步改良的齿槽偏磁型单凸极偏磁电机,电磁力矩能再增加一倍,但力矩仍是只有磁钢装在转子上的永磁电机一半左右。
偏磁电机没有滑环、电刷一类麻烦组件,更不需要在转子上下线(转子不需要动平衡),也不用在转子上贴磁钢,不用担忧磁钢在高速时会飞出来的问题,适用于更高的转速,散热条件好,工艺性好,本钱低。
只要找准其应用处合,偏磁电机的功率密度并非会低于永磁型同步电机或无刷直流电机。
小型同步电机,常常制成永磁转子,永磁电机又常常被制成永磁式步进电机,用于运算机硬盘驱动器、光驱、打印机、影碟机、VCR、洗衣机、空调等家用电器上。
若是采用偏磁电机,不但价钱廉价,加工工艺性好。
另外磁阻式没有动平衡问题,也有利于转速提高。
作为步进电机,磁阻式转子也一样比永磁式转子分齿容易,因此制作小步距角的步进电机,偏磁电机优越性一样突出。
七、驱动
励磁式直流电机,励磁绕组与转子间连接有:
它励、并励、串励、复励。
一样偏磁电机中偏磁绕组与驱动绕组间连接也有:
别离联接、串联、并联、复联。
不同的连接方式,就有不同的驱动电路,适用于不同应用处合。
原则上所有适用于同步电机,混合式步进电机的驱动电路,大体上都适用于偏磁式电机的驱动。
其中图4所示的串联式接法最简单,若是不追求快的反映速度,仅作为一般调速用途,接入C1、C2可进一步提高低速的平稳性。
偏磁电机的特殊驱动电路后面再作介绍。
八、应用
所有磁阻电机,磁阻式步进电机,永磁(或励磁)同步电机、永磁步进电机、混合式步进电机等电性能够应用的场合,都能够用物美价廉的偏磁电机取而代之。
乃至大型同步电机应用的场合,一样能够用偏磁电机取代。
偏磁式电机可利用电子逆变器驱动,也可利用交流电直接驱动,即可电动,又可发电。
偏磁电机可应用于高精尖场合,也可应用于公共化场合;可用于低速精密传动,也可用作高速、超高速驱动(如每分钟几千转,乃至几万转);可作为开环(机控)式运行,也可作闭环(自控)式运行。
随着电子技术的进展,微电脑的进一步普及,驱动电子功率元件水平不断提高,价钱不断下降,调频调速电机的应用面将愈来愈广。
偏磁电机既可作步进运行,又能持续运转,与电脑可组成最佳配合,其应用前景不可限量。
九、总结
偏磁电机原理,是成立在频谱分析法的基础上。
设置偏磁绕组,将直流成份提出,单独励磁,类似于同步电机的励磁电路,如此就把磁阻电机与同步电机等同起来。
偏磁电机是把同步电机的电机理论,应用到磁阻电机里去,从而维持磁阻电机的机械结构,又兼备两种电机全数长处的一种新型电机。
磁阻电机是现今为止最廉价、最简单的一种电机。
经典磁阻电机是成立在电磁铁那种脉动理论基础上,通常应用在步进电机领域,性能并非睬想。
同步电机有很完善的理论基础,有比较理想的性能指标;缺点是结构复杂,靠得住性欠佳。
偏磁电机因此性能、价钱比最佳,单位体积输出力矩比不过同步电机和无刷直流电机,跟异步电机差不多。
偏磁电机既能高速运转,又能步进运行,乃至自锁状态工作,与电脑接口的配合最简单,调速范围最宽广。
偏磁电机的合成磁通,实际上仅是单向磁通,与同步电机双向磁通有所区别。
交流电通入磁阻电机的磁路,起作用的仅是电流量值的大小,与方向无关。
在某种程度上说,比较类似于全波整流电路。
通入交流电后由于“整流”而等效变成双倍频单向脉动电源。
偏磁式电机既能电动,又能发电,与同步电机,直流电机一样,能四象限运行。
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- 偏磁式 磁阻 电机 大体 原理