開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)分析

開關(guān)磁阻電機(jī)是一種機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，它將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。與根據(jù)洛倫茲力定律進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的直流電機(jī)相比，在開關(guān)磁阻電機(jī)中，由于可變磁阻原理進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。磁阻被定義為流向磁場(chǎng)的阻力。它的電氣當(dāng)量是阻止電流流動(dòng)的電阻。在磁場(chǎng)中，我們將磁場(chǎng)的流動(dòng)定義為通量，但在電場(chǎng)中電荷的流動(dòng)被定義為電流。由于磁場(chǎng)的特性，磁極在磁阻電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子上形成。這些磁極之間的相互作用導(dǎo)致電機(jī)旋轉(zhuǎn)。為了改變磁極，使用了使用電力電子設(shè)備的開關(guān)電路。因此，使用了術(shù)語切換。

開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)是一種基于磁阻調(diào)節(jié)原理的電動(dòng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)相對(duì)于永磁同步電機(jī)較為簡(jiǎn)單。其主要結(jié)構(gòu)組成包括定子、轉(zhuǎn)子、開關(guān)電容電路以及控制電路。

定子：開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的定子通常為三相繞組，由三個(gè)相互平衡的線圈構(gòu)成，它們被固定在電機(jī)的內(nèi)部并布置在120度的相位差上。

轉(zhuǎn)子：開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒有永磁體，通常采用帶有開關(guān)電容電路的鐵芯轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子由鐵心和銅線圈構(gòu)成。鐵心上布置有若干個(gè)開關(guān)電容器，通過開關(guān)電容電路實(shí)現(xiàn)控制轉(zhuǎn)子的磁阻。

開關(guān)電容電路：開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)通過開關(guān)電容電路來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的磁阻調(diào)節(jié)。在轉(zhuǎn)子上的開關(guān)電容電路一般由多個(gè)電容器、多個(gè)電感和多個(gè)開關(guān)器件組成，通過對(duì)這些元器件的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子磁阻大小和位置的調(diào)節(jié)。

控制電路：開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的控制電路采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和先進(jìn)的控制算法來實(shí)現(xiàn)控制?？刂齐娐房梢愿鶕?jù)需要對(duì)轉(zhuǎn)子的磁阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的控制。

開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（Switched Reluctance motor Drive system， SRD）主要由開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)（Switched Reluctance Motor， SRM）、功率變換器、檢測(cè)單元和控制器等部分組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

其中，SRM負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，是一種雙凸極結(jié)構(gòu)電機(jī)，轉(zhuǎn)子既無繞組也無永磁體，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、容錯(cuò)能力強(qiáng)，可應(yīng)用于超過500℃的航空航天、高粉塵等較為惡劣的環(huán)境，以及電動(dòng)汽車、高速主軸和飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)等可靠性要求較高的場(chǎng)合；功率變換器負(fù)責(zé)對(duì)電源提供的能量進(jìn)行轉(zhuǎn)換后提供給SRM，在SRD中占據(jù)重要地位，其性能直接決定SRD的性能；電流檢測(cè)和位置檢測(cè)分別為系統(tǒng)提供運(yùn)行時(shí)必要的電流和位置信息；控制器根據(jù)給定信號(hào)以及檢測(cè)環(huán)節(jié)反饋的電流和位置信息，決定功率變換器開關(guān)管的導(dǎo)通關(guān)斷狀態(tài)。

盡管SRD整體可靠性較高，但復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境和運(yùn)行工況也會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生故障。首先，電機(jī)過載運(yùn)行或操作不當(dāng)會(huì)使繞組過電流、老化，導(dǎo)致匝間短路、相間短路或開路等故障；同時(shí)，電機(jī)在制造加工過程中工藝水平受限可能會(huì)導(dǎo)致氣隙偏心。功率變換器中的半導(dǎo)體器件在低速運(yùn)行時(shí)，由于長時(shí)間工作在斬波狀態(tài)，容易出現(xiàn)開路或短路故障。

另外，SRD運(yùn)行時(shí)通常需要進(jìn)行位置檢測(cè)和電流檢測(cè)等，由此而引入的各種傳感器在潮濕、過熱、粉塵等惡劣環(huán)境下容易出現(xiàn)信號(hào)延遲或缺失等故障，降低系統(tǒng)魯棒性，影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。

從以上分析可以看出，在SRD各組成部分中，電機(jī)本體、功率變換器和各類傳感器在系統(tǒng)運(yùn)行過程中均可能出現(xiàn)相應(yīng)的故障，引起系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，甚至導(dǎo)致嚴(yán)重事故。因此，為了進(jìn)一步提高SRD可靠性，保障電力拖動(dòng)系統(tǒng)在故障狀態(tài)下不至于癱瘓，最大程度降低故障引起的人員和設(shè)備損傷，非常有必要對(duì)SRD的可靠性進(jìn)行研究。

總之，開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，主要由定子、轉(zhuǎn)子、開關(guān)電容電路和控制電路組成。其轉(zhuǎn)子上的開關(guān)電容電路通過控制電路實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子的磁阻調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的控制。