切換式磁阻馬達

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定子六極,轉子四極开关磁阻电动机的截面,其中定子是集中繞組,轉子是由導磁性材料組成

切換式磁阻馬達(switched reluctance motor)簡稱SRM,是用轉子磁阻不平均產生的磁阻力矩而旋轉的馬達,屬於磁阻馬達。切換式磁阻馬達的電源是接到定子繞組英语windings(和直流有刷馬達接到轉子繞組的情形不同)。因為電源不用接到旋轉部份,在機械設計上大為簡化,但需要設計切換系統,配合各繞組位置提供對應的電流,在電機設計上比較複雜。電子設備可以精準的進行時序的切換,因此有助於使用切換式磁阻馬達。切換式磁阻馬達的主要缺點是其轉矩漣波[1]。目前已有些控制技術可以限制低速時的轉矩漣波[2]。有些文獻認為切換式磁阻馬達屬於步進馬達,有些則認為不算步進馬達[3]

切換式磁阻馬達也可以當成發電機使用。會配合轉動情況,依序將負載接到對應的線圈,以和旋轉的電流同步。因為其轉子是可磁化材料組成的開槽圓柱組成,這類的發電機轉速可以比傳統的發電機還快[4]。此應用下的SRM是指切換式磁阻電機(Switched Reluctance Machine),也有些會稱為SRG(切換式磁阻發電機)。此組態可以做為電動機及發電機,在啟動原動機時不需要額外的啟動馬達,格外方便。

歷史[编辑]

第一個切換式磁阻馬達的專利是美國的W. H. Taylor在1838年提出[5][6]

切換式磁阻馬達的運作原理是在1970年代左右提出[7],在1980年代起也由Peter Lawrenson英语Peter Lawrenson等人繼續擴充[8]。當時有些專家認為此技術不可行[9],而實際應用也會受到限制,部份原因可能是因為控制技術還不成熟、沒有適合的應用場合,以及產量過低導致的高成本[10][1][11]

運作原理[编辑]

切換式磁阻馬達有場繞組,類似直流电动机的定子繞組。不過其轉子沒有永久磁鐵,也沒有線圈。轉子是由軟磁性材料(多半會是疊層材料)製成的凸極轉子(有突出的磁極)。若定子繞組上有通電,轉子不平衡的磁阻會使轉子旋轉,設法對正最近的定子。為了使轉子旋轉,會利用電子控制系統偵測轉子位置,並且在轉子接下來要經過的定子繞組上激磁,使定子磁場「帶領」轉子前進。切換式磁阻馬達不像直流有刷馬達,用整流子來切換電流,切換式磁阻馬達利用電子的位置感測器來感測轉子的角度,再透過固态电子器件來切換定子繞組,因此可以進行脈波時序以及脈波整形的動態控制,這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轉磁場來進行激磁,但切換式磁阻馬達中,轉子的激磁是固定的,且轉子的旋轉和旋轉磁場同步,但在异步电动机中,轉子的旋轉和旋轉磁場存在滑差,轉子會略為落後旋轉磁場。切換式磁阻馬達因為沒有滑差,可以精確的知道轉子位置,讓馬達可以低速步進前進。

簡易切換[编辑]

若定子線圈A0和A1激磁,轉子會對正這些線圈。只要轉子對正這些線圈,定子就可以先將這些線圈消磁,再將定子線圈B0和B1激磁,轉子會往前進,再對正新激磁的線圈B。接下來線圈B會消磁,線圈C激磁……。若要反轉,將上述激磁和消磁的線圈順序相反即可。不過重載或/及高加速度(或減速度)都可能會使此順序不穩定,例如跳過一步等,此時轉子會轉到錯誤的角度,例如突然反轉一步再恢復正常轉動。

SRM的簡易切換

正交[编辑]

另一個比較穩定的系統是正交(quadrature)切換。在任一時間會有兩組線圈激磁。一開始是A0和A1形成的線圈激磁,接著是是B0和B1形成的線圈激磁,將轉子推往線圈A和B之間。接著A的磁極會消磁,轉子會對正到線圈B,接下來是BC、C和CA,完成一次旋轉。若將此順序顛倒,即可使馬達反轉。

SRM的進階切換

正交切換的運轉更穩定,其占空比是1/2,比簡易切換的1/3要高。

控制[编辑]

切換式磁阻馬達的控制系統需要提供順序的脈波訊號給電源電路,以激磁對應的定子線圈。這可以用機電裝置(例如整流子)進行,也可以用簡單的類比或數位計時電路進行。

許多的控制器中都採用可编程逻辑控制器(PLC),不是早期的機電裝置。可以用微控器來進行準確的相位激磁計時功能。也可以有軟體的緩衝啟動器,減少需要的硬體。也可以用反馈迴路來強化控制系統[1]

電路[编辑]

非對稱橋式轉換器

最常見驅動切換式磁阻馬達的方式是使用非對稱橋式轉換器(asymmetric bridge converter)。其切換頻率是交流馬達的十分之一[3]

非對稱橋式轉換器的各相對應切換式磁阻馬達的各相。若某一相兩側的開關都導通,該相就會激磁。當電流超過設定值時,開關會切斷,能量會儲存在馬達繞組中,使電流維持同一方向,也會產生所謂的反电动势(BEMF)。反电动势會透過二極體流回電容器,因此此能量可以回收重覆使用,提昇效率[12]

N+1個開關和二極體

基本電路也可以再做調整,讓電路可以用較少的電子元件進行相同功能,此電路是(n+1)個開關和二極體的組態。

不論是哪一種組態,都會用电容器來儲存BEMF以便利用,也可以限制輸入電壓的波動,減少電氣雜訊以及馬達產生的噪音。

若切換式磁阻馬達的某一相斷路,切換式磁阻馬達仍可以繼續運轉,但力矩較小,若交流馬達的某一相斷路,就無法轉動[7][13]

應用[编辑]

切換式磁阻馬達有用在家電[14]以及車輛上[15]

參考資料[编辑]

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 Bartos, Frank. Springtime for Switched-Reluctance Motors?. Control Engineering. 1 February 2003. (原始内容存档于19 May 2020). Digital signal processors and special algorithms in SR controls are vital to precisely time current pulses fed to the motor windings relative to rotor and stator position . SR technology has not experienced real breakthroughs . reduced interest in SR technology 
  2. ^ Stankovic, A.M. Dept. of Electr. & Comput. Eng.. doi:10.1109/IAS.1996.557001. 
  3. ^ 3.0 3.1 Bartos, Frank. Resurgence for SR Motors, Drives?. Control Engineering. 1 March 2010. (原始内容存档于19 May 2020). SR drives operate at switching frequencies typically 10 times lower than comparable ac drives . Some other sources seem to put both motors in the same category.) Emotron concurs that today’s SR motor is not a stepping motor since current is continuously monitored and controlled relative to rotor angular position 
  4. ^ Switched Reluctance Generators and Their Control. [2016-11-18]. (原始内容存档于2014-11-29).  无效|url-status=bot: unknown (帮助)
  5. ^ HISTORY OF SWITCHED RELUCTANCE MACHINE (Electric Motor). what-when-how.com. [2020-07-25]. 
  6. ^ Charged EVs | A closer look at switched reluctance motors. chargedevs.com. [2020-07-25]. 
  7. ^ 7.0 7.1 Bartos, Frank. SR motor anatomy: See inside switched reluctance motors. Control Engineering. 10 March 2010. (原始内容存档于2018-10-27). 
  8. ^ "Variable-speed switched reluctance motors", P.J. Lawrenson, J.M. Stephenson, P.T. Blenkinsop, J. Corda and N.N. Fulton, IEE Proceedings B - Electric Power Applications, Volume 127, Issue 4, 1980. pp. 253-265
  9. ^ IEEE Edison Medal Recipients. www.ieee.org. (原始内容存档于19 May 2020). 
  10. ^ Bartos, Frank. ‘Forward to the Past’ with SR Technology. Control Engineering. 1 November 1999. (原始内容存档于19 May 2020). 
  11. ^ Bartos, Frank. Switched-Reluctance Motors and Controls Offer an Alternative Solution. Control Engineering. 30 May 2003. (原始内容存档于19 May 2020). Because of their relatively smaller production numbers, manufacturing costs for SR technology tend to be higher 
  12. ^ Power Semiconductor Switching Circuits for SRM(Power Controllers). When the phase winding is to be disconnected from the supply (this instant is also dependent on the position of the shaft) the devices T1 and T2 are turned off .The stored energy in the phase winding A tends to maintain the current in the same direction. This current passes from the winding through D1 and D2 to the supply. Thus the stored energy is fed back to the mains. 
  13. ^ Fault Tolerant Switched Reluctance Machine's Comparative Analysis | Fault Tolerance | Reliability Engineering. Scribd. 
  14. ^ Bush, Steve (2009). Dyson vacuums 104,000 rpm brushless DC technology. Electronics Weekly Magazine. (原始内容存档于2012-04-11). 
  15. ^ Tesla Model 3 Motor — Everything I've Been Able To Learn About It (Welcome To The Machine). CleanTechnica. March 11, 2018 [2018-06-18] (美国英语). 

外部連結[编辑]