论步进电机与开关磁阻电机

论步进电机与开关磁阻电机论步进电机与开关磁阻电机 班级 班级 学号 学号 姓名 姓名 论步进电机与开关磁阻电机论步进电机与开关磁阻电机 一 一 步进电机步进电机 1 1 概述概述 步进电机是一种特殊的电机 每输入一个电脉冲信号 电机就转动一份角度 由于它 的运动是步进形式的 所以称为步进电机 又因为它输入的是脉冲电流 所以也叫脉冲电 动机 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件 在非超载 的情况下电机取决于脉冲信号的频率和脉冲数 而不受负载变化的影响 当步进驱动器接 收到一个脉冲信号的时候 它将驱动电机按设定的方向转动一个固定的角度 称为 步距角 它的旋转式一个固定的角度一步一步运行的 控制的时候可以通过控制脉冲的个数来控 制角位移量 从而达到准确定位的目的 同时可以通过控制脉冲来控制电机的速度和加速 度 从而达到调速的目的 不仅电机的主要缺点是效率比较低 并且需要专用的电源供给脉冲信号 带负载惯量 的能力不强 在运行中会出现共振和震荡等问题 1 2 反应式步进电机的结构反应式步进电机的结构 反应式不仅电机的结构形式有很多 按定转子铁心的段数分为单段式和多段式两种 1 单段式单段式 单段式是定转子为一段铁心 由于各项绕组沿着圆周方向均匀排列 所以又称为径向 分相式 它是步进电机中使用最多的一种结构形式 下图为三相反应式步进电动机的径向 截图 定转子铁心由硅钢片叠压而成 定子磁极为突极式 磁极的极面上开有小齿 定子 上有三套控制绕组 每一套有两个串联的集中控制绕组分别绕在径向相对的两个磁极上 每套绕组叫一相 三相绕组接成星形 所以定子磁极数通常为相数的两倍 转子上没有绕 组 沿圆周也有均匀的小齿 其齿距和定子磁极上小齿的齿距必须相等 而且转子的齿数 有一定的限制 这种结构形式的优点是制造简便 精度易于保证 步距角可以做得较小 容易得到较高的启动和运行频率 其缺点是在电机的直径较小而相数又较多时 沿径向分 相较为困难 消耗功率大 三相反应式步进电机的结构三相反应式步进电机的结构 2 多段式多段式 多段式是定转子铁芯沿电机轴向按相数分成 m 段由于各相绕组沿着轴向分布所以又称 为轴向分相式按其磁路的结构特点有两种一种是主磁路仍为径向另一种是主磁路包含有轴 向部分 多段式径向磁路步进电动机的结构如下图所示 每一段的结构和单段式径向分相 结构相似 通常每一相绕组在一段定子铁芯的各个磁极上定子的磁极数从结构合理考虑决 定最多可以和转子齿数相等定转子铁芯的圆周上都有齿形相近和齿距相同的均匀小齿转子 齿数通常为定子极数的倍数定子铁芯或转子铁芯每相邻两段沿圆周错开 1 m 齿距此外也可 以在一段铁芯上放置两相或三相绕组定子铁芯或转子铁芯每相邻两段要错开相应的齿距这 样可增加电机制造的灵活性 多段式径向磁路反应式步进电机多段式径向磁路反应式步进电机 1 线圈线圈 2 定子定子 3 转子转子 多段式轴向磁路步进电动机的结构如图 4 3 所示每段定子铁芯为 字形在其中间放置 环形控制绕组定转子铁芯上均有齿形相近和齿数相等的小齿定子铁芯或转子铁芯每相邻两 段沿圆周错开 1 m 齿距 多段式结构的共同特点是铁芯分段和错位装配工艺比较复杂精度不易保证特别对步距 角较小的电机更是困难但步距角可以做的很小启动和运行频率较高对轴向磁路的结构定子 空间利用率高 环形控制绕组绕制方便 转子的惯量较低 1 3 步进电机优点步进电机优点 1 输出角位移或线位移量与其输入的脉冲数成正比 儿转速或线速度与脉冲数的频率 成正比 在负载能力的范围内通过改变脉冲来调节电机的转速 并且能够快速启动 制动 和反转 2 控制性能好 它可以在开环系统中在很宽的范围内通过通过改变脉冲开调节嗲及的 转速 3 每一周都有固定的步数 所以不及点击在不失步的情况下训词那个 其步距误差不 会长期积累 4 有一些形式的步进电机在不通电的情况下还有定位转矩 当采用速度和位置检测装 置后 它能构成闭环控制系统 二 二 开关磁阻电机开关磁阻电机 2 1 概述概述 开关磁阻电动机 Switched Reluctance Drive SRD 是继变频调速系统 无刷直流电 动机调速系统之后发展起来的最新一代无级调速系统 是集现代微电子技术 数字技术 电力电子技术 红外光电技术及现代电磁理论 设计和制作技术为一体的光 机 电一体 化高新技术 它具有调速系统兼具直流 交流两类调速系统的优点 广泛应用于家用电器 航空 航天 电子 机械及电动车辆等领域 开关磁阻电动机具有结构简单 调速范围广 调速性能优异的特点 且在整个调速范 围内都有较高的效率 系统的可靠性高 主要有开关磁阻电机 功率变换器四部分组成 控制器内包含功率变换器和控制电路 而转子位置检测器则安装在电机的一端 2 2 工作原理工作原理 下图示出四相 8 6 结构 SR 电动机原理图 为简单计 图中只画出 A 相绕组及其供 电电路 SR 电动机的运行原理遵循 磁阻最小原理 磁通总要沿着磁阻最小的路径闭 合 而具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时 必使自己的主轴线与磁场的轴线重 合 图 2 中 当定子 D D 极励磁时 1 1 向定子轴线 D D 重合的位置转动 并使 D 相励磁 绕组的电感最大 若以图中定 转子所处的相对位置作为起始位置 则依次给 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旋转 反之 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 可见 SR 电动机的转向与相绕组 的电流方向无关 而仅取决于相绕组通电的顺序 另外 从图 2 可以看出 当主开关器件 S1 S2 导通时 A 相绕组从直流电源 US 吸收电能 而当 S1 S2 关断时 绕组电流经续流 二极管 VD1 VD2 继续流通 并回馈给电源 US 因此 SR 电动机传动的共性特点是具有再 生作用 系统效率高 四相四相 8 6 级级 SR 电动机其中一相的典型结构电动机其中一相的典型结构 2 3 反反应式步进电机应式步进电机 反应式步进电动机是利用凸极转子交轴磁阻与直轴磁阻之差所产生的反应转矩而转动 的所以也称为磁阻式步进电动机现以一个最简单的三相反应式步进电动机为例说明其工作 原理是一台三相反应式步进电动机的原理图 定子铁芯为凸极式 共有三对 六个磁极每 两个相对的磁极上绕有一相控制绕组转子用软磁性材料制成也是凸极结构只有四个齿齿宽 等于定子的极靴宽下面通过几种基本的控制方式来说明其工作原理 三相反应式进步电动机的原理图三相反应式进步电动机的原理图 三相单三拍通电方式 当 A 相控制绕组通电其余两相均不通电 电机内建立以定子 A 相极轴线的磁场由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点 使转子齿 13 的轴线与定子 A 相极轴线对齐如图 a 所示若 A 相控制绕组断电 B 相控制绕组通电时转子在反应转矩的作用 下逆时针方向转过 30 使转子齿 24 的轴线与定子 B 相极轴线对齐即转子走了一步如图 b 所示若再断开 B 相使 C 相控制绕组通电转子又转过 30 使转子齿的轴线与定子 C 相极轴线 对齐如图 c 所示如此按 ABCA 的顺序轮流通电转子就会一步一步地按逆时针方向转动其转 速取决于各相控制绕组通电与断电的频率旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序若按 ACBA 的顺序通电则电机按顺时针反方向转动 2 4 优缺点优缺点 主要优点如下 1 开关磁阻电动机有较大的电动机利用系数 可以是感应电动机利用系数的 1 2 1 4 倍 2 电动机的结构简单 转子上没有任何形式的绕组 定子上只有简单的集中绕组 端部较短 没有相间跨接线 因此 具有制造工序少 成本低 工作可靠 维修量小等特 点 3 开关磁阻电动机的转矩与电流极性无关 只需要单向的电流激励 理想上公率变 换电路中每相可以只用一个开关元件 且与电动机绕组串联 不会像 PWM 逆变器电源那 样 存在两个开关元件直通的危险 所以 开关磁阻电动机驱动系统 SED 线路简单 可 靠性高 成本低于 PWM 交流调速系统 4 开关磁阻电动机转子的结构形式对转速限制小 可制成高转速电动机 而且转子 的转动惯量小 在电流每次换相时又可以随时改变相匝转矩的大小和方向 因而系统有良 好的动态响应 5 SRD 系统可以通过对电流的导通 断开和对幅值的控制 得到满足不同负载要求 的机械特性 易于实现系统的软启动和四象限运行等功能 控制灵活 又由于 SRD 系统 是自同步系统运行 不会像变频供电的感应电动机那样在低频时出现不稳定和振荡问题 6 由于 SR 开关磁阻电动机采用了独特的结构和设计方法以及相应的控制技巧 其 单位处理可以与感应电动机相媲美 甚至还略占优势 SRD 系统的效率和功率密度在宽广 的速度和负载范围内都可以维持在教导水平 主要缺点是 1 有转矩脉动 从工作原理可知 S 开关磁阻电动机转子上产生的转矩是由一些列 脉冲转矩叠加而成的 由于双凸极结构和磁路饱和非线性的影响 合成转矩不是一个恒定 转矩 而有一定的谐波分量 这影响了 SR 电动机低速运行性能 2 SR 电动机传动系统的