第14章特種電機(jī)14.1永磁電機(jī)14.2開關(guān)磁阻電機(jī)14.3步進(jìn)電機(jī)14.4直線感應(yīng)電機(jī)小結(jié)

14.1永磁電機(jī)

14.1.1永磁同步電機(jī)

永磁同步電動(dòng)機(jī)具有功率密度高，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，電樞電感小，運(yùn)行效率高以及轉(zhuǎn)軸上無滑環(huán)和電刷等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于中小功率范圍內(nèi)(≤100kW)的高性能運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域，如工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等。永磁同步電動(dòng)機(jī)的種類繁多，按照轉(zhuǎn)子永磁體結(jié)構(gòu)的不同，一般可分為兩大類：一類是表面永磁同步電動(dòng)機(jī)；另一類是內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)。按定子繞組感應(yīng)電勢(shì)波形的不同，永磁同步電機(jī)可分為兩種：定子繞組感應(yīng)電勢(shì)波形為正弦波的永磁同步電動(dòng)機(jī)，就是通常所說的永磁同步電動(dòng)機(jī)；定子繞組感應(yīng)電勢(shì)波形為梯形波的永磁同步電動(dòng)機(jī)，也稱為無刷永磁直流電動(dòng)機(jī)。無刷永磁直流電動(dòng)機(jī)另外分析。與一般同步電動(dòng)機(jī)一樣，正弦波的永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子繞組通常采用三相對(duì)稱的分布繞組，而轉(zhuǎn)子則通過適當(dāng)設(shè)計(jì)的永磁體形狀以確保轉(zhuǎn)子永磁體所產(chǎn)生的磁密呈正弦分布。這樣，當(dāng)電動(dòng)機(jī)恒速運(yùn)行時(shí)，定子三相繞組所感應(yīng)的電勢(shì)則為正弦波，正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)由此而得名。

事實(shí)上，正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)是一種典型的機(jī)電一體化電機(jī)。它不僅包括電機(jī)本體，而且還涉及位置傳感器、電力電子變流器以及驅(qū)動(dòng)電路等。圖14-1為正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)的基本組成框圖。圖14-1正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)的基本組成框圖圖14-1中，正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子三相對(duì)稱繞組由電力電子逆變器供電。該逆變器所輸出定子三相繞組電流的大小取決于負(fù)載，而頻率則取決于轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置與轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越高，則逆變器的輸出頻率越高；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越低，則逆變器的輸出頻率越低。

比較圖11-26和圖14-1可見，正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和無換向器電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)基本相同，其區(qū)別主要是永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)是永久磁鐵，無換向器電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)是直流勵(lì)磁，即轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)存在差異，定子繞組相同。二者的分析方法和結(jié)果基本一致，這里不再贅述。此處僅將永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)作一介紹。按照轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同，正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)可以分為表面永磁同步電動(dòng)機(jī)和內(nèi)置永磁同步電動(dòng)機(jī)兩大類。由于這兩種類型同步電動(dòng)機(jī)的永磁體結(jié)構(gòu)以及放置的位置有所不同，因此相應(yīng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性也存在差異。

1.表面正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)

表面正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖14-2所示，轉(zhuǎn)子永磁體通過環(huán)氧樹脂牢牢地粘接在轉(zhuǎn)子鐵芯表面上。圖14-2表面正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子表面正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)具有如下特點(diǎn)：

(1)考慮到轉(zhuǎn)子的牢固性，表面永磁正弦波同步電動(dòng)機(jī)一般僅用于低速同步運(yùn)行的場(chǎng)合，轉(zhuǎn)速一般不超過3000r/min。

(2)考慮到永磁材料的相對(duì)磁導(dǎo)率較低(近似大于等于1)，永磁體又粘接在轉(zhuǎn)子表面上，因此表面正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)的有效氣隙較大，而且氣隙均勻，轉(zhuǎn)子為隱極式結(jié)構(gòu)。所以表面正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)有隱極式同步電機(jī)的電磁特點(diǎn)。

2.內(nèi)置正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)

內(nèi)置正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的永磁體被牢牢地鑲嵌在轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)部，其形狀通過適當(dāng)設(shè)計(jì)以確保轉(zhuǎn)子磁勢(shì)和磁場(chǎng)空間呈正弦分布。內(nèi)置轉(zhuǎn)子永磁體的結(jié)構(gòu)種類較多，圖14-3是一種典型結(jié)構(gòu)的永磁體轉(zhuǎn)子示意圖。圖14-3內(nèi)置永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖內(nèi)置正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是：

(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，適用于高速運(yùn)行場(chǎng)合。

(2)氣隙較小，d軸和q軸的同步電抗均較大，電樞反應(yīng)磁勢(shì)較大，因而存在相當(dāng)大的弱磁空間。

(3)直軸的有效氣隙比交軸的大(一般直軸的有效氣隙是交軸的幾倍)，因此，直軸同步電抗小于交軸同步電抗。

可見，內(nèi)置正弦波永磁同步電機(jī)的電磁過程與一般凸極式同步電動(dòng)機(jī)基本相同。14.1.2永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)

永磁直流電動(dòng)機(jī)分為永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)和永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)。永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于小型電器之中。由于電刷和換向器的存在，有刷永磁直流電動(dòng)機(jī)在維修、制造等方面都比永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)復(fù)雜；在應(yīng)用中的換向火花、機(jī)械噪音等限制了它難以在惡劣的環(huán)境下使用。無刷直流電機(jī)由于沒有電刷，因而彌補(bǔ)了永磁直流電動(dòng)機(jī)和傳統(tǒng)直流電機(jī)的缺陷。永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)越來越多的應(yīng)用在伺服系統(tǒng)、數(shù)控機(jī)床、變頻空調(diào)以及電動(dòng)自行車中。永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的電樞繞組是經(jīng)由電子“外部換向器(逆變器)”接到直流電源上的，可以把它歸為直流電動(dòng)機(jī)的一種。從逆變器的角度來看，永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組中的電流變化是靠逆變器來完成的，其頻率與轉(zhuǎn)速變化一致，所以它又屬于永磁同步電動(dòng)機(jī)的一種。它和正弦永磁同步電動(dòng)機(jī)的主要區(qū)別在于，無刷直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組中流過的電流以方波形式變化，故又稱為方波交流永磁電動(dòng)機(jī)。

1.永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的電樞繞組安放在定子上，其三相對(duì)稱繞組采用整距、集中繞組，這和永磁同步電動(dòng)機(jī)的短距、分布是不相同的。永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的永磁磁極安放在轉(zhuǎn)子上，而永磁體為稀土永磁材料(釤鈷、釹鐵硼)，一般為瓦形，安置在轉(zhuǎn)子鐵芯表面。對(duì)于高速電機(jī)，則還需加裝非磁性護(hù)環(huán)。永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖14-4所示。圖14-4永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖(a)整體結(jié)構(gòu)；(b)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

2.永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理

轉(zhuǎn)子上瓦形永磁材料在氣隙中形成的磁場(chǎng)波形可近似為梯形波，如圖14-5所示。

從圖14-5所示的主磁場(chǎng)波形可見，永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)要獲得穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩，電樞繞組電流在不同極性下時(shí)應(yīng)有相反的方向。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)設(shè)置了位置傳感器，用來確認(rèn)磁極與繞組之間的相對(duì)位置。永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)如圖14-6所示。圖14-5永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的主磁場(chǎng)密度波圖形圖14-6永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)圖14-6中，位置傳感器HL與永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子同軸連接?？刂齐娐穼?duì)轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測(cè)到的磁極位置信號(hào)進(jìn)行邏輯變換，產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路放大后，驅(qū)動(dòng)逆變器各功率開關(guān)管，控制電動(dòng)機(jī)三相繞組按一定順序工作，以保持電樞繞組中產(chǎn)生跳躍式的氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。下面以二極無刷直流電動(dòng)機(jī)為例來說明其工作原理。永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理如圖14-7所示。圖14-7永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理(a)轉(zhuǎn)子處于B相繞組平面；(b)轉(zhuǎn)子處于A相繞組平面當(dāng)轉(zhuǎn)子位置處于圖14-7(a)中的位置時(shí)，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出磁極位置信號(hào)，經(jīng)過控制電路邏輯變換后驅(qū)動(dòng)逆變器，使功率開關(guān)管V1V6導(dǎo)通，即A相繞組流入電流，B相繞組流出電流。電流流通路徑為：電源正→V1→A相繞組→B相繞組→V6→電源負(fù)，電樞繞組產(chǎn)生的空間合成磁勢(shì)為Fa，如圖14-17(a)所示。此時(shí)定子、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用，拖動(dòng)轉(zhuǎn)子順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，V1、V6保持導(dǎo)通，F(xiàn)a不動(dòng)，轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)動(dòng)(轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng))。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過60°電角度，到達(dá)圖14-7(b)中的位置時(shí)，位置傳感器輸出磁極位置信號(hào)，經(jīng)邏輯變換后使開關(guān)管V6截止、V2導(dǎo)通。這時(shí)電流流通路徑為：電源正→V1→A相繞組→C相繞組→V2→電源負(fù)，電樞繞組在空間的合成磁場(chǎng)如圖14-7(b)中Fa，圖中的虛線表示前一個(gè)狀態(tài)的Fa位置。此時(shí)定子、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用，使轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。圖14-7永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理(a)轉(zhuǎn)子處于B相繞組平面；(b)轉(zhuǎn)子處于A相繞組平面以此類推，當(dāng)轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針方向每轉(zhuǎn)過60°電角度時(shí)，功率開關(guān)管的導(dǎo)通邏輯改變一次觸發(fā)信號(hào)。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過360°電角度，即一對(duì)極距時(shí)，開關(guān)器件按V6V1→V1V2→V2V3→V3V4→V4V5→V5V6輪換一次。每一個(gè)導(dǎo)通狀態(tài)要持續(xù)60°電角度，例如，V1V6導(dǎo)通保持60°電角度，在這60°電角度范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)順時(shí)針連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，而定子合成磁場(chǎng)因電樞繞組導(dǎo)通不變而保持空間位置不動(dòng)。可見，定子合成磁場(chǎng)在空間不是連續(xù)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，而是一種步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，每個(gè)步進(jìn)角是60°電角度。

綜合以上分析，電機(jī)有6個(gè)狀態(tài)，每一狀態(tài)都是兩相導(dǎo)通60°，每相繞組中流過電流的時(shí)間為120°電角度，每個(gè)開關(guān)管的導(dǎo)通角為120°。這和前面介紹的晶閘管無換向器電機(jī)的情況相同。

無刷直流電動(dòng)機(jī)采用方波電流驅(qū)動(dòng)，與120°導(dǎo)通型三相逆變器相匹配，由逆變器向電動(dòng)機(jī)提供三相對(duì)稱的、寬度為120°的方波電流。方波電流應(yīng)與電勢(shì)同相位或位于梯形波反電勢(shì)的平頂寬度范圍內(nèi)，如圖14-8所示。這是由于電樞繞組設(shè)計(jì)成集中繞組的緣故。圖14-8梯形波反電勢(shì)與方波電流

3.電壓方程、電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速

下面以上述分析為例，推導(dǎo)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的電壓方程、電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速等公式。為了便于分析，忽略開關(guān)管器件的開關(guān)過程和電樞繞組的電感。

1)電壓方程

如果每根導(dǎo)體的感應(yīng)電勢(shì)為e=Bδlv，則電樞每相繞組的感應(yīng)電勢(shì)為

Eph=2Ne

(14-1)

式中，N為電樞繞組每相串聯(lián)匝數(shù)。將v=2pτn/60和Φδ=Bδlτα代入式(14-1)，得無刷永磁直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組的感應(yīng)電勢(shì)為

式中，α為極弧系數(shù)，是由磁密波的非線性分布引起的磁密和磁通之間的計(jì)算系數(shù)。

由于這里的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)總是兩相導(dǎo)通，因此，對(duì)于直流電源來說，電樞感應(yīng)電勢(shì)的值應(yīng)為兩相之和，即(14-2)(14-3)式中，Ce=2pN/(15α)為電機(jī)的電勢(shì)常數(shù)。

根據(jù)圖14-6所示的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，可得在每個(gè)導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)的電壓方程為

Ud=Ea+2IaRa+2ΔU

(14-4)

式中：Ud為電源電壓；ΔU為開關(guān)管的導(dǎo)通管壓降；Ia為每相繞組電流；Ra為每相繞組電阻。

2)電磁轉(zhuǎn)矩Tem

根據(jù)直流電機(jī)原理，永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁功率是Pem=2EphIa，其電磁轉(zhuǎn)矩為

式中，為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，當(dāng)電流的單位為A，磁通的單位為Wb時(shí)，Tem的單位為N·m。

3)轉(zhuǎn)速n

將式(14-3)代入式(14-4)，得轉(zhuǎn)速n為(14-6)(14-5)理想空載轉(zhuǎn)速為

式中，轉(zhuǎn)速的單位均為r/min。

4)機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性

根據(jù)式(14-5)和式(14-6)可得無刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性為(14-8)(14-7)從式(14-8)可見，永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與有刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性的表達(dá)式相同，但機(jī)械特性較硬，如圖14-9所示。

從圖14-9中的機(jī)械特性可以看出，和普通直流電機(jī)類似，在不同的電壓Ud，永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是一簇相互平行的曲線族，而且隨著電壓的降低曲線從左至右呈下降趨勢(shì)。顯然，無刷直流電動(dòng)機(jī)具有一般有刷直流電動(dòng)機(jī)的控制性能，可以通過改變電源電壓來實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。圖14-9永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性在推導(dǎo)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的基本方程時(shí)，忽略了電樞繞組電感，所以圖14-9中的機(jī)械特性與實(shí)際電機(jī)的機(jī)械特性有一定的區(qū)別。另外，對(duì)于有刷直流電動(dòng)機(jī)，由于參與換向的繞組元件相對(duì)較少，因而通常只考慮電阻對(duì)機(jī)械特性的影響，忽略電感的作用。但對(duì)于永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)，參與換向的繞組為一相繞組，而不是單個(gè)線圈，因此電感較大。電感對(duì)機(jī)械特性的影響能使機(jī)械特性變軟，而且電機(jī)電感的大小與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有關(guān)。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，由電力電子設(shè)備和永磁電機(jī)構(gòu)成的永磁電機(jī)系統(tǒng)，以優(yōu)良的調(diào)速特性越來越多地應(yīng)用于各行各業(yè)之中。但是，永磁電動(dòng)機(jī)的不足也在一定程度上限制了它的發(fā)展速度。這主要體現(xiàn)在：①轉(zhuǎn)子勵(lì)磁無法靈活控制；②長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)，繞組的電樞反應(yīng)會(huì)引起永磁體失磁；③永磁體所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)(或磁場(chǎng))會(huì)因環(huán)境溫度等因素的影響而發(fā)生變化；④永磁電動(dòng)機(jī)的造價(jià)較同容量的異步電動(dòng)機(jī)高。 14.2開關(guān)磁阻電機(jī)

開關(guān)磁阻電機(jī)(SRM)是一種典型的機(jī)電一體化電機(jī)，又稱開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(SRD)，其組成如圖14-10所示。

由圖14-10可見，這種電機(jī)主要由開關(guān)磁阻電機(jī)本體、電力電子功率變流器、轉(zhuǎn)子位置傳感器以及控制器四部分組成。

SRM具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，成本低，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)；容量可設(shè)計(jì)成幾瓦到幾兆瓦；系統(tǒng)的調(diào)速范圍也較寬，可以在低速場(chǎng)合下運(yùn)行，也可以在高速場(chǎng)合下運(yùn)行(最高轉(zhuǎn)速可達(dá)15000r/min)。除此之外，SRM在運(yùn)行效率、可靠性等方面均優(yōu)于感應(yīng)電機(jī)和同步電機(jī)，可以在散熱環(huán)境差、存在化學(xué)污染的環(huán)境下運(yùn)行。圖14-10開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)的組成14.2.1

SRM電機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理

1.SRM電機(jī)的結(jié)構(gòu)

SRM電機(jī)本體采用定子、轉(zhuǎn)子雙凸極結(jié)構(gòu)，單邊勵(lì)磁，即僅定子凸極采用集中繞組勵(lì)磁，而轉(zhuǎn)子凸極上既無繞組也無永磁；定子、轉(zhuǎn)子均由硅鋼片疊壓而成；定子繞組徑向相對(duì)的極串聯(lián)，構(gòu)成一相。其結(jié)構(gòu)原理如圖14-11所示。圖14-11四相8/6極SRM電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖

SRM電機(jī)可以設(shè)計(jì)成單相、兩相、三相、四相及多相等不同相數(shù)結(jié)構(gòu)，且有每極單齒結(jié)構(gòu)和每極多齒結(jié)構(gòu)，軸向氣隙、徑向氣隙和軸向-徑向混合氣隙結(jié)構(gòu)，內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。低于三相的SRM電機(jī)一般沒有自啟動(dòng)能力。相數(shù)越多，則有利于減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，但導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜、主開關(guān)器件增多和成本增加。目前應(yīng)用較多的是三相、四相和五相結(jié)構(gòu)。

轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器有電磁式、光電式和磁敏式等多種，現(xiàn)介紹得到廣泛應(yīng)用的光電式位置檢測(cè)器。光電式位置檢測(cè)器設(shè)在電機(jī)的非軸伸端，如圖14-12所示。圖14-12

SRM電機(jī)結(jié)構(gòu)光電式位置檢測(cè)器由齒盤和光電傳感器組成。齒盤截面和轉(zhuǎn)子截面相同，裝在轉(zhuǎn)子上，光電傳感器裝在定子上，如圖14-12所示。當(dāng)齒盤隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光電傳感器能檢測(cè)到轉(zhuǎn)子齒的位置信號(hào)，如圖14-13所示。圖14-13位置檢測(cè)器原理圖(a)位置傳感器結(jié)構(gòu)；(b)轉(zhuǎn)子位置基本信號(hào)圖14-13(a)中是一個(gè)四相8/6極電機(jī)的位置檢測(cè)器，它只設(shè)置了兩個(gè)傳感器SP和SQ，二者空間相差15°，齒盤上有間隔30°的六個(gè)磁槽。圖14-13(b)是檢測(cè)到的基本信號(hào)。

設(shè)置傳感器后，增加了SRM電機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和提高可靠性的難度，因此人們致力于研究無傳感器方案，主要通過檢測(cè)相電感來獲取轉(zhuǎn)子位置信息。這被公認(rèn)為是非常有意義的研究方向。

2.工作原理

以圖14-11為例來說明SRM電機(jī)的工作原理。當(dāng)A相繞組電流控制開關(guān)S1、S2閉合時(shí)，A相通電勵(lì)磁，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)力圖使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子極軸線aa′與定子極軸線AA′重合的位置，從而產(chǎn)生磁阻性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩。順序給A、B、C、D相繞組通電，轉(zhuǎn)子便按逆時(shí)針方向連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)起來；反之，依次給B、A、D、C相繞組通電，轉(zhuǎn)子便沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。在多相電機(jī)實(shí)際運(yùn)行中，也常出現(xiàn)兩相或兩相以上繞組同時(shí)導(dǎo)通的情況。當(dāng)m相中的定子繞組輪流通電一次時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)轉(zhuǎn)子極距。設(shè)轉(zhuǎn)子極距角為θr=360°/Zr(機(jī)械角度)，定子每通斷一次轉(zhuǎn)子對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角為αp，稱為步距角，即SRM電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)角αp，對(duì)應(yīng)繞組切換一次。

SRM電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)繞組通斷的次數(shù)NP為(14-10)(14-9)當(dāng)SRM電動(dòng)機(jī)以轉(zhuǎn)速n(r/min)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，SRM電動(dòng)機(jī)總的切換頻率為

得SRM電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為

式中，fph為每相繞組開關(guān)頻率。(14-12)(14-11)由于SRM電動(dòng)機(jī)是磁阻性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩，因此其轉(zhuǎn)向與相繞組的電流方向無關(guān)，僅取決于相繞組通電的順序，這使得能夠充分簡(jiǎn)化功率變換器電路。當(dāng)主開關(guān)S1、S2接通時(shí)，A相繞組從直流電源Ud吸收電能，而當(dāng)S1、S2斷開時(shí)，繞組電流通過續(xù)流二極管VD1、VD2，將剩余能量回饋給電源Ud。因此，SRM電機(jī)具有能量回饋的特點(diǎn)，系統(tǒng)效率高。

SRM電機(jī)的重要特征是磁路嚴(yán)重非線性，因此電磁轉(zhuǎn)矩必須根據(jù)磁儲(chǔ)能和磁共能來計(jì)算，即(14-13)式中：Wmc為磁共能；θ為轉(zhuǎn)子位移角；i為繞組相電流。

利用式(14-13)計(jì)算電磁轉(zhuǎn)矩比較復(fù)雜。在對(duì)SRM電機(jī)作定性分析時(shí)，若忽略磁路的非線性，則電磁轉(zhuǎn)矩可表示為

式中，L為任意轉(zhuǎn)子位移角下的相電感。

圖14-14為假設(shè)理想線性條件下相電感隨轉(zhuǎn)子位移角的變化曲線。電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，相電感變化的周期數(shù)等于轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)，周期長(zhǎng)度等于轉(zhuǎn)子極距。每個(gè)周期可以分為四個(gè)區(qū)間：(14-14)圖14-14電感隨轉(zhuǎn)子位移角的變化關(guān)系L=f(θ)

(1)在區(qū)間θ1≤θ<θ2內(nèi)，轉(zhuǎn)子磁極與定子磁極不重合，電感為最小值Lmin且恒定，dL/dθ=0，由式(14-14)可知電磁轉(zhuǎn)矩為0。

(2)在區(qū)間θ2≤θ<θ3內(nèi)，從θ2開始，轉(zhuǎn)子磁極與定子磁極開始重合，并且重合部分隨轉(zhuǎn)動(dòng)而逐步增加，電感增加，dL/dθ>0，相繞組通以電流時(shí)，則產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩，處于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)。

(3)在區(qū)間θ3≤θ<θ4內(nèi)，從θ3開始，轉(zhuǎn)子磁極全部覆蓋定子磁極，并且一直覆蓋，電感達(dá)到最大值Lmax且恒定，dL/dθ=0，不產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。

(4)在區(qū)間θ4≤θ<θ5內(nèi)，從θ4開始，轉(zhuǎn)子磁極開始離開定子磁極，并且重合部分逐步減少，電感下降，dL/dθ<0，相繞組通以電流時(shí)，則產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩，處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)。

因此，通過控制相繞組電流導(dǎo)通的時(shí)刻、相電流脈沖的幅值和寬度，即可控制SRM電機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小和方向。

上述繞組電感L與轉(zhuǎn)子位移角θ的關(guān)系用解析式表示為(14-15)將式(14-15)代入式(14-13)，得到電動(dòng)機(jī)的基本轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為(14-16)從式(14-16)可見，SRM電機(jī)繞組在θ2≤θ<θ3區(qū)間通電時(shí)，Tem>0，作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行；在θ4≤θ<θ5區(qū)間通電時(shí)，Tem<0，作發(fā)電機(jī)運(yùn)行。但是，在θ2≤θ≤θ3區(qū)間觸發(fā)開關(guān)S1、S2使其導(dǎo)通，為A相繞組提供勵(lì)磁電流，SRM作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行；一旦電流達(dá)到設(shè)定值，關(guān)斷S1、S2后，由于繞組電感作用使A相繞組電流不可能立即減小到零，因此，A相繞組電流將持續(xù)到θ4≤θ≤θ5區(qū)間，電機(jī)產(chǎn)生制動(dòng)力矩，其輸出電流將通過二極管VD1、VD2回饋給直流電源。B、C、D相工作與此類似。14.2.2

SRM電機(jī)的相電流

當(dāng)SRM電動(dòng)機(jī)由恒定電壓Ud供電，并忽略所有損耗時(shí)，一相電路的電壓方程為

式中：Ω=dθ/dt為轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度；“+”對(duì)應(yīng)于開關(guān)器件導(dǎo)通，“－”對(duì)應(yīng)于開關(guān)器件斷開。(14-17)設(shè)開關(guān)器件S1、S2導(dǎo)通瞬間為t=0，是電路的初始狀態(tài)，此時(shí)，ψ0=0、θ0=θon；當(dāng)θ=θoff

時(shí)，開關(guān)器件S1、S2關(guān)斷，繞組進(jìn)入續(xù)流期。將初始條件和式(14-15)代入式(14-17)，可得到一相繞組在導(dǎo)通、續(xù)流的一個(gè)變化周期內(nèi)的磁鏈為(14-18)式中：θon為開通角；θoff為關(guān)斷角。

根據(jù)ψ=Li，相繞組電壓平衡方程為

式中，等號(hào)右邊第二項(xiàng)為旋轉(zhuǎn)電勢(shì)。

根據(jù)圖14-14中電感隨轉(zhuǎn)子位移角的變化關(guān)系，如果在區(qū)間0～θ2內(nèi)觸發(fā)開通功率開關(guān)器件，在區(qū)間θ2～θ3內(nèi)功率開關(guān)器件關(guān)斷，則這種條件下的相電流波形如圖14-15所示。(14-19)圖14-15電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的相電流從圖中可見，相電流波形由三段曲線組成：

(1)0～t1段。功率開關(guān)器件在0～θ2區(qū)間內(nèi)某點(diǎn)導(dǎo)通，觸發(fā)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于θ=θon，施加在繞組上的電壓為電源電壓Ud，由于此區(qū)間的電感為L(zhǎng)min，且L/θ=0，因而由式(14-19)得到電流i(t)的變化規(guī)律為

從式(14-20)可見：電流快速線性增長(zhǎng)，直至?xí)r刻t1。顯然，通過合理選擇觸發(fā)時(shí)間或觸發(fā)角θon，可使相電流在進(jìn)入?yún)^(qū)間θ2～θ3時(shí)就達(dá)到所需值，以獲得所要求的轉(zhuǎn)矩。(14-20)

(2)t1～t2階段。在t1之后，電感L不斷增大，L/θ>0，存在旋轉(zhuǎn)電勢(shì)，所以電流不能繼續(xù)直線上升，甚至出現(xiàn)下降現(xiàn)象。相應(yīng)的電流解析式為

這一階段是有效工作區(qū)，相電流將產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，因此電流的大小和持續(xù)時(shí)間直接影響著電機(jī)的性能。不難看出，該區(qū)間相電流的大小與i(t1)有關(guān)，于是，θon成為電流的可控參數(shù)，不同的θon可能形成大小不同的電流及波形，解析結(jié)果如圖14-16所示。(14-21)圖14-16不同θon的相電流(θoff不變)圖14-16表明，在某一θon下，維持階段的電流可能為恒值(旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)正好與電源電壓平衡)，波形如實(shí)線所示。其條件是

如能達(dá)到上述條件，則在一定平均轉(zhuǎn)矩下，電流峰值小，電流有效值小，這對(duì)功率電子器件及對(duì)電機(jī)都是有利的。不過，θon是這種調(diào)速系統(tǒng)中最重要的控制量，一般不能只限于滿足式(14-22)。(14-22)

(3)t2以后階段。t2在θ2～θ3區(qū)間發(fā)生，t2對(duì)應(yīng)于θ=θoff，功率器件關(guān)斷，進(jìn)入續(xù)流階段。該階段在反向電壓的作用下，磁鏈線性下降，電流也很快減小，理論上至2t2時(shí)刻，電流降至零，續(xù)流結(jié)束。在此區(qū)間內(nèi)，L/θ>0，續(xù)流電流解析式為

該續(xù)流電流還產(chǎn)生電動(dòng)轉(zhuǎn)矩，說明這一期間電機(jī)磁場(chǎng)儲(chǔ)能一部分轉(zhuǎn)化為電能回饋給電源(或電容)，另有一部分轉(zhuǎn)換為有用機(jī)械能。(14-23)由于續(xù)流不能瞬時(shí)為零，因此電流就可能延伸到θ3～θ4區(qū)間甚至θ4～θ5區(qū)間。在θ3～θ4區(qū)間內(nèi)，電流衰減的規(guī)律為

若延伸到θ4～θ5區(qū)間，則電流為(14-24)(14-25)在θ4～θ5區(qū)間，L/θ<0，因此該電流將產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩，即制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，而且此時(shí)的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)與反向電壓作用相反，不利于電流下降。表面上看，續(xù)流延伸到θ4～θ5區(qū)間是不利的，但是只要這段電流不大，直接的負(fù)轉(zhuǎn)矩很小，而適當(dāng)允許這段電流的存在卻可換來增加θ2～θ3區(qū)間的效果。所以，整體設(shè)計(jì)控制方案時(shí)，將優(yōu)選θoff值，以謀求合理有效的電流波形。14.2.3

SRM電機(jī)的功率變換器主電路

功率變換器為SRM電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行提供電能。在整個(gè)SRM系統(tǒng)的成本中，功率變換器占有很大的比重，合理選擇和設(shè)計(jì)功率變換器是提高SRM的性能價(jià)格比的關(guān)鍵因素之一。功率變換器主電路形式的選取對(duì)SRM電機(jī)的設(shè)計(jì)也會(huì)產(chǎn)生直接影響，應(yīng)根據(jù)具體性能及應(yīng)用綜合考慮，給出最佳組合方案。SRM常用的功率變換器主電路有三種，如圖4-17所示。圖14-17三種基本的功率變換器電路(a)不對(duì)稱半橋電路；(b)雙繞組電路；(c)直流電源分裂式電路圖14-17(a)所示的主電路為單電源供電方式，每相有兩個(gè)主開關(guān)器件，工作原理簡(jiǎn)單。導(dǎo)通模式有三種：兩個(gè)主開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，繞組獲得正向電源，電流增加；一個(gè)主開關(guān)器件導(dǎo)通，導(dǎo)通主開關(guān)和一個(gè)二極管續(xù)流；兩個(gè)主開關(guān)同時(shí)關(guān)斷，兩個(gè)二極管續(xù)流。這種主電路中，主開關(guān)承受著額定電源電壓Ud。這種電路可用于任何相數(shù)、任何功率等級(jí)的情況下，在高電壓、大功率場(chǎng)合下有明顯的優(yōu)勢(shì)。圖14-17(b)所示的主電路的特點(diǎn)是SRM每相必須有兩個(gè)繞組，其中一個(gè)繞組與開關(guān)管串聯(lián)，另一個(gè)與續(xù)流二極管串聯(lián)，兩個(gè)繞組完全耦合(通常采用雙股并繞)。工作時(shí)，電源通過開關(guān)管向繞組供電，開關(guān)管關(guān)斷后，磁場(chǎng)儲(chǔ)能通過續(xù)流二極管向電源回饋。開關(guān)管承受的最大工作電壓為2Ud。圖14-17(c)所示的主電路為裂相式電路，以對(duì)稱電源供電。每相只有一個(gè)主開關(guān)，上橋臂從上電源吸收能量，并將剩余的能量回饋到下電源，或從下電源吸取能量，將剩余的能量回饋到上電源。因此，為保證上、下橋臂電壓的平衡，這種主電路只能使用于偶數(shù)相的電機(jī)。主開關(guān)正常工作時(shí)的最大反向電壓為Ud，每相繞組導(dǎo)通時(shí)繞組兩端的電壓僅為Ud/2。14.2.4

SRM電機(jī)的控制方式

SRM電動(dòng)機(jī)控制方式是指采用何種方法，對(duì)哪些參數(shù)進(jìn)行控制，以使電動(dòng)機(jī)達(dá)到預(yù)想的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，使其保持較高的效率。

根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩公式(14-16)可見，控制電流i的大小(包括控制電壓Ud實(shí)現(xiàn)對(duì)i的控制)以及控制導(dǎo)通角度θ都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的控制。下面介紹SRM電動(dòng)機(jī)的控制方法。

1.角度位置控制

SRM電動(dòng)機(jī)的角度位置控制是指通過控制開通角θon和關(guān)斷角θoff來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩改變的方法。由14.2.1節(jié)所述，在θon～θoff之間對(duì)繞組加正電壓，在繞組中建立電流，在θoff之后一段時(shí)間內(nèi)，對(duì)繞組加反電壓，電流續(xù)流快速下降，直至消失。

角度控制對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩有以下影響：

(1)改變電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。改變?chǔ)萶n、θoff時(shí)，可以改變電流波形，使電流的主要部分置于電感波形的上升段，使電機(jī)電動(dòng)運(yùn)行；反之，使電流波形的主要部分置于電感波形的下降段，則電動(dòng)機(jī)制動(dòng)運(yùn)行。

(2)改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。電動(dòng)狀態(tài)下開通角θon提前，則在最小電感區(qū)段電流上升時(shí)間加長(zhǎng)，使電流波形加寬，峰值和有效值增加，改變了與電感波形的相對(duì)位置，從而改變了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，如圖14-16所示。

(3)改變?chǔ)萶ff一般不影響電流峰值，但影響電流波形寬度及其同電感曲線的相對(duì)位置，電流有效值也隨之變化。因此，θoff同樣影響電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速，但影響小于θon。

同樣的分析方法也可用于制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。角度控制是控制開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的一種最有效的方法，具有轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)范圍大，通電的相數(shù)可變，電動(dòng)機(jī)出力較大，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小，電動(dòng)機(jī)效率高等優(yōu)點(diǎn)；但不適用于低速。在角度控制方式中，電流峰值主要由旋轉(zhuǎn)電勢(shì)限制，低速時(shí)，旋轉(zhuǎn)電勢(shì)減小，可能會(huì)使電流峰值大至不允許值。

2.電流斬波控制

電流斬波控制方法如圖14-18所示。在θon時(shí)，功率電路開關(guān)器件導(dǎo)通，繞組電流i(t)從零開始上升，當(dāng)電流增長(zhǎng)到一定峰值imax時(shí)，使繞組斷電，這時(shí)，繞組承受反壓，電流快速下降，經(jīng)時(shí)間T1后，繞組重新通電。如此反復(fù)通電、斷電，形成斬波電流波形，直至θ=θoff時(shí)實(shí)行相關(guān)斷，電流衰減至零。圖14-18電流斬波控制原理在電流斬波控制方式中，選擇θon和θoff能使電流波形的主要部分置于電感的上升段或下降段，從而使電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)運(yùn)行或制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)?？刂苅max的大小能調(diào)節(jié)電流峰值，起到調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的作用。斬波周期T主要由T1決定。T1小則電流的平均值與峰值之比增大，有利于在一定電流峰值下提高轉(zhuǎn)矩；同時(shí)，T小有利于降低噪聲，如使斬波頻率f=1/T≥16kHz時(shí)，可使斬波噪聲頻率避開人耳聽覺范圍。但要取得較小的T，則要求功率電路開關(guān)元件的工作頻率提高，需選擇高頻開關(guān)元件，成本較高，且開關(guān)損耗較大。電流斬波控制方法適用于低速和制動(dòng)運(yùn)行，具有限制和調(diào)節(jié)電流峰值的增長(zhǎng)能力；轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，適合用做轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)系統(tǒng)；如果選擇的斬波周期較小，則繞組電流波形近似為平頂方波波形。平頂方波的幅值對(duì)應(yīng)了一定的電機(jī)轉(zhuǎn)矩，因此，十分適合構(gòu)成轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)系統(tǒng)，具有力矩電機(jī)特性。但是，該控制方法在用做調(diào)速系統(tǒng)時(shí)抗負(fù)載擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)十分緩慢，例如，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速在負(fù)載擾動(dòng)作用下發(fā)生變化時(shí)，電流峰值無法相應(yīng)自動(dòng)改變，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也無法自動(dòng)改變，使之成為特性非常軟的系統(tǒng)。

3.電壓斬波控制

電壓斬波控制是指在θon～θoff通電區(qū)間內(nèi)，使功率開關(guān)按PWM方式工作的控制方式。這種控制方式是，脈沖周期T固定，占空比T1/T可調(diào)，在T1內(nèi)，繞組加正電壓；在T2內(nèi)，繞組加零電壓或反電壓。其電壓、電流波形如圖14-19所示。

改變占空比T1/T，則繞組電壓的平均值uav可調(diào)，繞組電流也相應(yīng)變化，從而實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。圖14-19電壓斬波控制方式下的電壓與電流在由SRM構(gòu)成的電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，相電流的角度位置控制和斬波控制之間的切換速度稱為基準(zhǔn)速度，簡(jiǎn)稱基速。在基速以下，一般保持開通角θon和關(guān)斷角θoff不變，僅采用電流斬波控制，以確保電流在電感增加區(qū)內(nèi)變化。當(dāng)維持電流幅值不超過額定值時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩基本保持不變。因此，基速以下為恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行區(qū)。

在基速以上，由于轉(zhuǎn)速較高，定子感應(yīng)電勢(shì)較大，因此各相繞組的導(dǎo)通時(shí)間縮短，電流一般不可能達(dá)到很大數(shù)值。此時(shí)，采用角度位置控制的電流主要是靠開通角θon和關(guān)斷角θoff的控制來實(shí)現(xiàn)的。在這個(gè)階段，電動(dòng)機(jī)的輸出功率基本不變。隨著轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步提高，開通角θon與關(guān)斷角θoff已達(dá)到極限值，沒有任何調(diào)節(jié)余地，此時(shí)，SRM就進(jìn)入恒定θon和θoff的運(yùn)行方式。這時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成反比，SRM呈現(xiàn)出類似于串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。

綜合以上分析，SRM的機(jī)械特性如圖14-20所示。由圖可見，SRM的調(diào)速特性可分為三段：基速nA以下的恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行區(qū)，高于基速nA低于nB的恒功率運(yùn)行區(qū)以及高于nB的串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)區(qū)。圖14-20開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性曲線

14.3步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制、將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或直線位移的電動(dòng)機(jī)。當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子繞組中輸入一個(gè)電脈沖時(shí)，轉(zhuǎn)子就前進(jìn)一步，由此被稱為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。其輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出與輸入成正比，因此其在開環(huán)系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，例如，常用在數(shù)字程序控制線切割機(jī)和平面繪圖機(jī)中。常用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)分為三大類：反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以及混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。這三類步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行原理基本相同。下面僅以反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例，來說明步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本運(yùn)行原理。14.3.1步進(jìn)電機(jī)的原理

從結(jié)構(gòu)上看，步進(jìn)電機(jī)與開關(guān)磁阻電機(jī)類似，也是凸極結(jié)構(gòu)。不同的是，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以是定子、轉(zhuǎn)子雙邊凸極結(jié)構(gòu)或轉(zhuǎn)子單邊凸極結(jié)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)小步距角運(yùn)行，定子、轉(zhuǎn)子主極上一般開有若干個(gè)齒槽。因此，步進(jìn)電機(jī)輸出步距角的精度主要取決于自身的結(jié)構(gòu)。三相六極反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理如圖14-21所示。注意：為了作圖清晰，步進(jìn)電機(jī)定子磁極的繞組未畫出。圖14-21反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理(a)A相通電；(b)B相通電；(c)C相通電從圖14-21中可見，三相六極反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子有六個(gè)磁極，每個(gè)磁極上均裝有集中繞組作為控制繞組。相對(duì)的定子磁極繞組串聯(lián)構(gòu)成一相繞組，由專門的驅(qū)動(dòng)電源供電。轉(zhuǎn)子鐵芯是由軟磁材料制成的，其上均勻分布了四個(gè)齒，齒上無任何轉(zhuǎn)子繞組。當(dāng)A相繞組通電時(shí)，由于磁力線有力圖通過磁阻最小路徑的特性，因此轉(zhuǎn)子在磁阻轉(zhuǎn)矩的作用下，1－3號(hào)齒與定子A相繞組軸線重合，如圖14-21(a)所示；當(dāng)A相斷電、B相定子繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)過30°機(jī)械角，轉(zhuǎn)子的2－4號(hào)齒與定子B相繞組軸線重合，如圖14-21(b)所示；同樣，當(dāng)B相斷電、C相定子繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過30°機(jī)械角，1－3號(hào)齒與定子C相繞組軸線重合，如圖14-21(c)所示?？梢?，定子繞組按照A→B→C→A順序通電，轉(zhuǎn)子一步步沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。若改變通電順序，使之按A→C→B→A順序通電，則轉(zhuǎn)子將一步步沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。14.3.2步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)

1.多段反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

多段反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子鐵芯沿著軸向被分成幾段，各段磁路獨(dú)立。圖14-22為兩段式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)的示意圖。多段反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的每段鐵芯沿圓周方向開有數(shù)量、形狀相同的齒槽，并且各段定子(或轉(zhuǎn)子)鐵芯沿圓周方向依次錯(cuò)開1/m齒距。每段繞組組成單獨(dú)一相，m段繞組組成m相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。多段反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角較小，故啟動(dòng)和運(yùn)行頻率較高。其缺點(diǎn)是：鐵芯錯(cuò)位工藝復(fù)雜，精度不易保證，且功率消耗較大，斷電時(shí)無定位轉(zhuǎn)矩。圖14-22兩段反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

2.永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子采用永久磁鋼，永久磁鋼的極數(shù)與定子每相的極數(shù)相同。圖14-23給出了永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的典型結(jié)構(gòu)(注意：B相繞組只畫出了一部分)。圖中，定子采用兩相繞組，每相包括兩對(duì)磁極；轉(zhuǎn)子則采用兩對(duì)極的星形磁鋼。由該圖不難看出，當(dāng)采用二相四拍通電方式，定子繞組按照A→B→(－A)→(－B)→A的順序輪流通電時(shí)，轉(zhuǎn)子將按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，步距角為45°。圖14-23永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)是：步距角大，啟動(dòng)和運(yùn)行頻率較低，需要正、負(fù)脈沖供電。但這種步進(jìn)電機(jī)消耗的功率小，斷電時(shí)具有自鎖能力。

3.混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)合了反應(yīng)式和永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)。其定子結(jié)構(gòu)與單段反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相同，轉(zhuǎn)子則由環(huán)形磁鐵和兩段鐵芯組成，每段鐵芯沿外圓周方向開有小齒，兩段鐵芯上的小齒彼此錯(cuò)開1/2齒距。混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角較小，啟動(dòng)和運(yùn)行頻率較高，消耗的功率也較小，且斷電時(shí)具有自鎖能力，因而兼有反應(yīng)式和永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是：需正、負(fù)脈沖供電，制造復(fù)雜。

14.3.3步進(jìn)電機(jī)的控制方式

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子通電狀態(tài)每改變一次稱為一拍；每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的機(jī)械角度稱為步距角θs。

1.三相單三拍運(yùn)行方式

例如圖14-21所示的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，A、B、C三相繞組輪流通電方式，稱為三相單三拍通電方式。其中，“單”是指任何時(shí)刻只有一相繞組通電，“三拍”意味著一個(gè)周期內(nèi)通電狀態(tài)共改變?nèi)?，?duì)應(yīng)其步距角θs=30°。

2.三相雙三拍通電方式

三相雙三拍通電方式是指：任何時(shí)刻均有兩相定子繞組通電，其通電順序?yàn)锳B→BC→CA→AB，此時(shí)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針運(yùn)行；若希望轉(zhuǎn)子順時(shí)針運(yùn)行，則將通電順序變?yōu)锳C→CB→BA→AC。在三相雙三拍通電方式下，轉(zhuǎn)子的步距角與單三拍相同，即對(duì)于如圖14-21所示的三相六極步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其步距角仍為θs=30°。三相雙三拍通電方式因轉(zhuǎn)子受到兩個(gè)相反方向上的轉(zhuǎn)矩而平衡，故轉(zhuǎn)子振動(dòng)小，運(yùn)行穩(wěn)定。

3.三相單、雙六拍通電方式

三相單、雙六拍通電方式是指：三相繞組中，單相、兩相定子繞組輪流通電，其順序?yàn)锳→AB→B→BC→C→CA→A，此時(shí)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針運(yùn)行；若希望轉(zhuǎn)子順時(shí)針運(yùn)行，則將通電順序變?yōu)锳→AC→C→CB→B→BA→A。由于六拍為一通電循環(huán)周期，因此，每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的步距角變?yōu)閱稳牡囊话?，即θs=15°。

4.小步距角反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)通電方式

為了減小步距角，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子均采用多齒結(jié)構(gòu)，如圖14-24所示。圖14-24小步距角三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由圖14-24可見，三相小步距角步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子仍采用三對(duì)磁極，在同一直徑的磁極繞組構(gòu)成一相。所不同的是，定子極靴與轉(zhuǎn)子鐵芯上均開有多個(gè)小齒槽，而且定子、轉(zhuǎn)子的齒寬與槽寬均相等。為清楚起見，圖14-25給出了相應(yīng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的部分展開圖。就反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來講，其轉(zhuǎn)子齒數(shù)不是任意設(shè)計(jì)的，因而相應(yīng)的步距角也不可能是任意值。由于同一直徑上的相對(duì)磁極為一相，因此這兩個(gè)磁極上定子、轉(zhuǎn)子齒槽的相對(duì)位置完全相同；并且當(dāng)某一相兩個(gè)極下定子、轉(zhuǎn)子齒槽完全對(duì)齊時(shí)，要求相鄰磁極下定子、轉(zhuǎn)子齒的軸線應(yīng)錯(cuò)開1/m

個(gè)轉(zhuǎn)子齒距t，見圖14-25。只有這樣，才能確保經(jīng)過一個(gè)通電周期后，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距。圖14-25小步距角三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)展開圖滿足以上條件的轉(zhuǎn)子齒數(shù)為

式中：2p為定子一相繞組通電時(shí)在圓周上形成的磁極個(gè)數(shù)(一般2p=2)；m為定子相數(shù)；K為任意正整數(shù)。

反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)經(jīng)過一個(gè)通電周期后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距，一個(gè)通電周期由N拍組成，即轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距需要N拍，則每拍(或每個(gè)電脈沖)作用下轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的角位移即步距角為(14-26)

式(14-27)表明，步距角θs與轉(zhuǎn)子齒數(shù)和拍數(shù)N有關(guān)，而拍數(shù)N又與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子繞組的相數(shù)和通電方式有關(guān)。要想減小θs，除了在選擇步進(jìn)電機(jī)本體時(shí)盡量考慮使用定子相數(shù)和轉(zhuǎn)子齒數(shù)Zr較多的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)外，通過增加拍數(shù)N也可以達(dá)到減小步距角的目的。(14-27)對(duì)于步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)品來說，步距角一般是固定的。國(guó)內(nèi)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角范圍為0.375°～90°，常用的有1.2°/0.6°、1.5°/0.75°、1.8°/0.9°、2°/1°、3°/1.5°、4.5°/2.25°等。通常，由于加工工藝等因素會(huì)造成實(shí)際步距角與理論值之間存在一定偏差，這一偏差又稱為靜態(tài)步距角誤差。綜上所述，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角(或轉(zhuǎn)速)與定子繞組的輸入脈沖保持嚴(yán)格的比例(或同步)關(guān)系。若通電脈沖的頻率為f(拍／秒)，則經(jīng)過一個(gè)通電周期(即N個(gè)電脈沖)后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距。相應(yīng)地，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距所用的時(shí)間為N/f，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一周所用的時(shí)間為ZrN/f，單位為s(秒。因此，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為(14-28)14.3.4步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能包括靜態(tài)運(yùn)行性能和動(dòng)態(tài)運(yùn)行性能。靜態(tài)運(yùn)行是指步進(jìn)電機(jī)不改變通電情況時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)。靜態(tài)運(yùn)行性能主要是用矩角特性來描述的，而動(dòng)態(tài)運(yùn)行性能則是通過矩頻特性來反映的。

1.矩角特性

所謂矩角特性，是指在不改變定子繞組通電狀態(tài)，亦即在定子繞組電流不變的情況下，電磁轉(zhuǎn)矩Tem與失調(diào)角θ之間的關(guān)系Tem=f(θ)。定子齒軸線與轉(zhuǎn)子齒軸線重合時(shí)，θ=0，電磁轉(zhuǎn)矩為零，規(guī)定此時(shí)的轉(zhuǎn)子位置為初始平衡位置或零位，如圖14-26(a)所示。圖14-26步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的失調(diào)角與電磁轉(zhuǎn)矩(a)θ=0；(b)θ<0；(c)θ>0失調(diào)角θ是指，在負(fù)載轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子偏離初始平衡位置(或零位)的角度，一般用電角度θ來表示。規(guī)定轉(zhuǎn)子順時(shí)針領(lǐng)先定子時(shí)，θ為正。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電角度是這樣定義的：規(guī)定轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距的空間角度為2π電角度。

當(dāng)負(fù)載作用使轉(zhuǎn)子齒軸線逆時(shí)針偏離定子齒軸線θ電角度時(shí)，轉(zhuǎn)子上所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為順時(shí)針方向(即轉(zhuǎn)子角速度的方向)，如圖14-26(b)所示；當(dāng)負(fù)載作用使轉(zhuǎn)子齒軸線順時(shí)針偏離定子齒軸線θ時(shí)，轉(zhuǎn)子上所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為逆時(shí)針方向，如圖14-26(c)所示。在控制繞組匝數(shù)固定、忽略磁路飽和影響時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩Tem與失調(diào)角θ之間的關(guān)系，即每相繞組所產(chǎn)生的靜態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩為

Tem=Tsmsinθ

(14-29)

式中，Tsm為每相繞組所產(chǎn)生的靜態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩的最大值，與定子、轉(zhuǎn)子之間的電感等有關(guān)。

根據(jù)式(14-29)，可繪出步進(jìn)電機(jī)的矩角特性曲線如圖14-27所示。圖14-27步進(jìn)電機(jī)的矩角特性曲線

2.靜穩(wěn)定區(qū)

步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)是指不改變通電情況時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)。步進(jìn)電機(jī)靜態(tài)穩(wěn)定是指，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)在某一平衡點(diǎn)靜態(tài)運(yùn)行時(shí)，由于外部擾動(dòng)作用使轉(zhuǎn)子齒軸線偏離定子齒軸線θ角(失調(diào)角)的情況下，一旦擾動(dòng)消除，在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子能回到原平衡點(diǎn)，該點(diǎn)是穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)。例如，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=0，根據(jù)矩角特性，步進(jìn)電機(jī)在初始零位(θ=0)處運(yùn)行，當(dāng)外部擾動(dòng)作用于電機(jī)時(shí)，轉(zhuǎn)子齒軸線將偏離定子齒軸線θ角(失調(diào)角)，一旦擾動(dòng)消除，在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子能回到初始平衡位置點(diǎn)θ=0處。這樣，在矩角特性上θ=0的點(diǎn)是穩(wěn)定的。若負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL≠0，則相應(yīng)的運(yùn)行點(diǎn)位于圖14-27中的b點(diǎn)。在外部擾動(dòng)作用下，運(yùn)行點(diǎn)將偏離b點(diǎn)，一旦擾動(dòng)消除后，轉(zhuǎn)子仍能回到b點(diǎn)。根據(jù)定義，b點(diǎn)也為穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)。通常，在矩角特性中，把所有穩(wěn)定點(diǎn)所在區(qū)間定義為靜穩(wěn)定區(qū)，用失調(diào)角θ表示。對(duì)圖14-27而言，靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)為－π<θ<π，即轉(zhuǎn)子齒軸線位于相鄰兩個(gè)定子槽軸線之間的區(qū)域?yàn)殪o穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)，在此范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子將穩(wěn)定運(yùn)行。一旦受到擾動(dòng)，系統(tǒng)最終能夠返回平衡點(diǎn)。若θ超過此范圍，則電磁轉(zhuǎn)矩將改變方向，失調(diào)角θ將進(jìn)一步增大，最終電機(jī)將不穩(wěn)定運(yùn)行。

對(duì)于一個(gè)三相步進(jìn)電機(jī)來說，各相的情況相同，其矩角特性畫在同一個(gè)坐標(biāo)上的曲線形狀完全一樣，只是右移2π/3。圖14-28中A、B、C曲線分別為A、B、C三相分別通電時(shí)的矩角特性。圖14-28步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定

3.矩頻特性與動(dòng)穩(wěn)定區(qū)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)既可以在單脈沖方式下運(yùn)行，也可以在多脈沖方式下運(yùn)行。但大部分時(shí)間步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是在多脈沖方式下連續(xù)運(yùn)行的，相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩也變?yōu)閯?dòng)態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩。電磁轉(zhuǎn)矩與脈沖頻率之間的關(guān)系Tem=f(f1)稱為矩頻特性。圖14-29給出了典型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩頻特性。圖14-29典型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩頻特性由矩頻特性可見，當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行時(shí)，隨著定子通電脈沖頻率的提高，動(dòng)態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩下降。這主要是由于定子繞組電感引起定子繞組電流按指數(shù)規(guī)律上升所造成的。當(dāng)定子通電脈沖頻率較低時(shí)，定子繞組電流可以達(dá)到穩(wěn)定值，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩與靜態(tài)時(shí)相同。當(dāng)定子通電脈沖頻率高到一定程度時(shí)，由于多個(gè)脈沖作用，使定子繞組電流在每個(gè)周期內(nèi)不可能達(dá)到穩(wěn)定值，結(jié)果，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩小于靜態(tài)轉(zhuǎn)矩。頻率越高，動(dòng)態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩越小。為了說明動(dòng)態(tài)穩(wěn)定和靜態(tài)穩(wěn)定的概念，圖14-28分別畫出了A、B、C三相繞組單獨(dú)通電時(shí)的矩角特性，兩者相差一個(gè)步距角θs。假定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)處于空載狀態(tài)，即負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=0，開始時(shí)僅A相定子繞組通電，則A相繞組的矩角特性即為步進(jìn)電機(jī)的矩角特性，顯然，轉(zhuǎn)子穩(wěn)定運(yùn)行在原點(diǎn)o(即a點(diǎn))。當(dāng)由A相繞組通電切換至B相繞組通電時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的矩角特性變?yōu)锽相繞組的矩角特性。由于切換瞬間θs角不能突變，因此運(yùn)行點(diǎn)由a點(diǎn)跳至a′點(diǎn)，顯然，a′點(diǎn)處于B相繞組單獨(dú)通電時(shí)的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域(－π+θs，π+θs)。此時(shí)，由于Tem>TL，因而轉(zhuǎn)子將順時(shí)針加速運(yùn)行至b點(diǎn)，并在b點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行。同理，若負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=0，則通電狀態(tài)切換前，相應(yīng)的運(yùn)行點(diǎn)位于圖14-28中的a1點(diǎn)。通電狀態(tài)切換后，轉(zhuǎn)子穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)的軌跡為a1→b1，在C相繞組通電前，轉(zhuǎn)子穩(wěn)定運(yùn)行在b1點(diǎn)。

通常，把切換過程中步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不至于引起失步的區(qū)域稱為動(dòng)穩(wěn)定區(qū)，用失調(diào)角θ表示。很顯然，在圖14-28中，動(dòng)穩(wěn)定區(qū)為(－π+θs，π+θs)。由此可見，步距角θs越小，動(dòng)穩(wěn)定區(qū)越接近靜穩(wěn)定區(qū)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性越好。因此，三相單、雙六拍通電方式要比單三拍或雙六拍更穩(wěn)定。此外，由圖14-28還可以看出，為了保持轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所能帶動(dòng)的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL不能超過A、B兩相矩角特性交點(diǎn)處的靜轉(zhuǎn)矩(即步進(jìn)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩)。最大轉(zhuǎn)矩又稱為啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，為了確保轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行，最大轉(zhuǎn)矩是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)負(fù)載能力的上限。如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過最大轉(zhuǎn)矩，則轉(zhuǎn)子將無法切換到新的平衡點(diǎn)。

另外值得注意的是，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大脈沖頻率(即啟動(dòng)頻率)是空載情況下步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能夠不引起失步啟動(dòng)的最大脈沖頻率，這個(gè)頻率隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增加而有所下降。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的頻率又稱為連續(xù)工作頻率，即步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行(或不失步)時(shí)的最高脈沖頻率。一般情況下，運(yùn)行頻率要比啟動(dòng)頻率高得多。14.3.5步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路

1.單極性驅(qū)動(dòng)電路

三相步進(jìn)電機(jī)一相繞組的單極性驅(qū)動(dòng)電路如圖14-30(a)所示。圖中，主開關(guān)器件V通過控制器控制，當(dāng)控制信號(hào)為高電平時(shí)，主開關(guān)V導(dǎo)通，步進(jìn)電機(jī)繞組上的電壓Ud及繞組電流增到最大并持續(xù)流通；當(dāng)控制信號(hào)為低電平時(shí)，Ud=0，續(xù)流二極管VD為負(fù)載電流提供了續(xù)流通路，從而釋放電感儲(chǔ)能。其電流、電壓波形如圖14-30(b)所示。圖14-30典型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的單極性驅(qū)動(dòng)電路(a)主電路一相原理圖；(b)一相電壓、電流波形

2.雙極性驅(qū)動(dòng)電路

雙極性驅(qū)動(dòng)電路采用H橋結(jié)構(gòu)，如圖14-31所示。

圖中，當(dāng)開關(guān)器件V1、V4同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，繞組電壓為a正、b負(fù)，繞組獲得正向電流激勵(lì)；反之，開關(guān)器件V2、V3同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，繞組電壓為b正、a負(fù)，繞組獲得反向電流激勵(lì)。與主開關(guān)并聯(lián)的四個(gè)二極管VD1～VD4為續(xù)流二極管，在主開關(guān)關(guān)斷時(shí)釋放繞組電流所儲(chǔ)的能量，實(shí)現(xiàn)能量回饋。因此，雙極性驅(qū)動(dòng)電路效率高，特別適用于大功率步進(jìn)電機(jī)(1kW)。圖14-31雙極性驅(qū)動(dòng)電路

14.4直線感應(yīng)電機(jī)

由直線運(yùn)動(dòng)取代旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，稱之為直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)(LIM)。直線感應(yīng)電機(jī)也可以分為直流、異步、同步和步進(jìn)直線電動(dòng)機(jī)。

14.4.1直線感應(yīng)電機(jī)的工作原理

直線感應(yīng)電機(jī)不僅在結(jié)構(gòu)上是從旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變而來的，而且其工作原理也與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相似，都遵循電機(jī)學(xué)的基本原理。

直線感應(yīng)電機(jī)是由旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變而來的，將圖14-32所示的旋轉(zhuǎn)電機(jī)在頂上沿徑向剖開，并將圓周拉直，便成了圖14-33所示的直線感應(yīng)電機(jī)。圖14-32旋轉(zhuǎn)電機(jī)的基本工作原理圖14-33直線感應(yīng)電機(jī)的基本原理圖14-33所示的直線感應(yīng)電機(jī)的三相繞組中通入三相對(duì)稱正弦電流后，也會(huì)產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)。當(dāng)不考慮由于鐵芯兩端斷開而引起的縱向邊端效應(yīng)時(shí)，這個(gè)氣隙磁場(chǎng)的分布情況與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相似，即可看成沿展開的直線方向呈正弦形分布。當(dāng)三相電流隨時(shí)間變化時(shí)，氣隙磁場(chǎng)將按A、B、C相序沿直線向左移動(dòng)。這個(gè)原理與旋轉(zhuǎn)電機(jī)的相似，二者的差異是：直線電機(jī)磁場(chǎng)是平移的而不是旋轉(zhuǎn)的，因此稱為行波磁場(chǎng)。顯然，行波磁場(chǎng)的移動(dòng)速度與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在定子內(nèi)圓表面上的線速度是一樣的，即為vs，稱為同步速度(m/s)，且

vs=2fτ

(14-30)再來看行波磁場(chǎng)對(duì)次級(jí)的作用。假定次級(jí)為柵形次級(jí)，圖14-33中僅畫出其中的一根導(dǎo)條。直線電機(jī)通電后，行波磁場(chǎng)切割次級(jí)導(dǎo)條，次級(jí)導(dǎo)條將感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并產(chǎn)生電流，而所有導(dǎo)條的電流和氣隙磁場(chǎng)相互作用便產(chǎn)生電磁推力。在這個(gè)電磁推力的作用下，如果初級(jí)固定不動(dòng)，那么次級(jí)就順著行波磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的方向作直線運(yùn)動(dòng)。若次級(jí)移動(dòng)的速度用v表示，移動(dòng)的差率(簡(jiǎn)稱移差率)用s表示，則有(14-31)在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下，s在0與1之間。上述就是直線感應(yīng)電機(jī)的基本原理。

應(yīng)該指出，直線感應(yīng)電機(jī)的次級(jí)大多采用整塊金屬板或復(fù)合金屬板，因此并不存在明顯的導(dǎo)條。但在分析時(shí)，不妨把整塊金屬板看成是無限多的導(dǎo)條并列安置，這樣仍可以應(yīng)用上述原理進(jìn)行討論。在圖14-34中，分別畫出了假想導(dǎo)條中的感應(yīng)電流及金屬板內(nèi)電流的分布。圖中，lδ為初級(jí)鐵芯的厚度；c為次級(jí)在lδ長(zhǎng)度方向伸出初級(jí)鐵芯的寬度，它用來作為次級(jí)感應(yīng)電流的端部通路，c的大小將影響次級(jí)的電阻。圖14-34次級(jí)導(dǎo)體板中的電流(a)假想導(dǎo)條中的感應(yīng)電流；(b)金屬板內(nèi)電流分布三相感應(yīng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過對(duì)換任意兩相，可以實(shí)現(xiàn)反向旋轉(zhuǎn)。這是因?yàn)槿嗬@組的相序相反了，則旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向也隨之反了，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向跟著反過來。同樣，直線感應(yīng)電機(jī)對(duì)換任意兩相的電源線后，運(yùn)動(dòng)方向也會(huì)反過來。根據(jù)這一原理，可使直線電機(jī)做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。14.4.2直線感應(yīng)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與運(yùn)行原理

1.基本結(jié)構(gòu)

直線感應(yīng)電機(jī)主要由初級(jí)(相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)的定子)和次級(jí)(相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子)兩大部分構(gòu)成。簡(jiǎn)單地說，直線感應(yīng)電機(jī)的初級(jí)就好像把普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)的定子按徑向剖開后拉直，次級(jí)亦按這種方式處理，作為初級(jí)的一列線圈按一定的相序通電流，初級(jí)、次級(jí)之間就會(huì)產(chǎn)生電磁力。

簡(jiǎn)單地將普通鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)剖開后拉直而得到兩類不同的直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，即短初級(jí)(或短定子)電機(jī)和短次級(jí)(或長(zhǎng)定子)電機(jī)，如圖14-35所示。圖14-35扁平型直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的兩種基本類型(a)短定子電機(jī)；(b)長(zhǎng)定子電機(jī)一般情況下，短初級(jí)電機(jī)的制造成本和運(yùn)行成本要比短次級(jí)低得多。另外，次級(jí)的結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化，通常制成為一片導(dǎo)體，整個(gè)系統(tǒng)僅在其長(zhǎng)度上的一小部分有電流流通。圖14-35所描述的情況是假設(shè)定子和轉(zhuǎn)子均由疊片鐵芯槽中的導(dǎo)體所組成，這是旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電機(jī)的普通結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，除了電機(jī)所產(chǎn)生的切向電磁推力外，在初級(jí)、次級(jí)內(nèi)表面之間還存在著一種純磁拉力。為了消除這種因結(jié)構(gòu)不對(duì)稱而引起的失衡磁拉力，人們?cè)O(shè)計(jì)了一種雙邊型直線電機(jī)，次級(jí)導(dǎo)體不再嵌在槽中而是在氣隙中工作，在結(jié)構(gòu)上是一片結(jié)實(shí)的導(dǎo)體。電機(jī)的初級(jí)有兩個(gè)，分別對(duì)稱布置在次級(jí)兩邊，如圖14-36所示。這種電機(jī)亦稱為片狀轉(zhuǎn)子(扁平型)的直線感應(yīng)電機(jī)。圖14-36片狀轉(zhuǎn)子的雙邊直線感應(yīng)電機(jī)在直線電機(jī)領(lǐng)域中，扁平型直線感應(yīng)電機(jī)尤其適用于運(yùn)輸系統(tǒng)，在20世紀(jì)50年代以后，直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在推進(jìn)和運(yùn)輸方面的應(yīng)用取得了很大的進(jìn)展。直線電機(jī)用于軌道交通牽

引中時(shí)，把初級(jí)裝在車上，次級(jí)作為軌道本身是最佳方案，如圖14-37所示。這時(shí)次級(jí)又稱為反應(yīng)板或反應(yīng)軌道，初級(jí)和次級(jí)表面之間存在著磁拉力(推力)，這種磁拉力有助于減小輪軌之間的壓力而減小磨損。這種結(jié)構(gòu)的直線感應(yīng)電機(jī)在地鐵動(dòng)車上的應(yīng)用比較廣泛。圖14-37直線感應(yīng)電機(jī)作為軌道交通牽引電機(jī)考慮到經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性等問題，直線感應(yīng)電機(jī)的次級(jí)多用以下形式或材料：①繞線式；②鼠籠式；③鐵片；④非鐵金屬片；⑤鐵與非鐵金屬片的夾層片；⑥非鐵金屬片中嵌進(jìn)鐵芯。其中，用于軌道運(yùn)輸用的短定子電機(jī)，以④～⑥材料最為實(shí)用，而⑥作為鼠籠式的簡(jiǎn)化型，可望有優(yōu)良的特性。

2.運(yùn)行