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无轴承开关磁阻电机及其控制研究
摘要
无轴承开关磁阻电机在工业自动化领域具有广泛的应用，其特点是具有结构简单、功率密度高、噪音低、维护方便、可靠性高等优点。本文针对无轴承开关磁阻电机的结构和控制进行了探讨，包括磁阻转矩的产生原理，转子结构设计，转子位置检测和控制策略等方面，对于提高电机的运行效率和精度具有重要意义。
关键词：无轴承、开关磁阻电机、磁阻转矩、转子结构、控制策略
Abstract
Thebearinglessswitchedreluctancemotorhasbeenwidelyusedinthefieldofindustrialautomationduetoitsadvantagesofsimplestructure,highpowerdensity,lownoise,convenientmaintenanceandhighreliability.Thispaperexploresthestructureandcontrolofthebearinglessswitchedreluctancemotor,includingtheprincipleofgeneratingreluctancetorque,rotorstructuredesign,rotorpositiondetectionandcontrolstrategy,whichisofgreatsignificanceforimprovingtheefficiencyandaccuracyofthemotor.
Keywords:Bearingless,SwitchedReluctanceMotor,ReluctanceTorque,RotorStructure,ControlStrategy
1.引言
无轴承开关磁阻电机是一种新型的电机，由于其结构简单、维护方便、可靠性高等优点，被广泛应用于工业自动化领域。与传统的永磁电机、异步电机相比，无轴承开关磁阻电机具有更高的功率密度、更低的噪音、更高的效率和更快的响应速度。
无轴承开关磁阻电机的特点是没有机械轴承，通过电磁力使得转子在空气间悬浮。这种结构的电机更加简单，但同时也带来了几个问题：一是如何产生转矩？因为磁极与定子之间没有接触，而是通过磁场作用产生转矩，二是如何检测转子位置？因为转子没有机械轴承，不能使用传统的编码器进行位置测量和控制，三是如何控制电机？因为无轴承电机的空间状态比传统的机械结构要复杂，需要更加灵活的控制策略。
因此，本文将从磁阻转矩的产生原理、转子结构设计、转子位置检测以及控制策略等方面对无轴承开关磁阻电机进行探讨。
2.磁阻转矩的产生原理
磁阻转矩是无轴承开关磁阻电机的驱动转矩，一个基本特点是不用真正的磁铁就能产生足够的转矩。因为在电机正常运行时，转子中的凸极和凹极（常见的叫做“齿”）被磁场吸引，并且在其旋转时，凸极跟随着磁场转动，同时凹极则被磁场排斥。由此可知，磁极和定子的相对位置对驱动系统的效率和功率密度都有很大影响。
为了提高磁阻转矩，需要在转子中引入一些凸点，这些凸点位于转子轮廓线的一定位置上，使得凸点能够与定子凹点形成最大的磁场集中度。同时，在适当的时间打开、关闭定子线圈，可以使得磁场发生变化，从而在转子上产生磁阻转矩，实现转子的旋转。
与传统的永磁电机不同，无轴承开关磁阻电机可以改变定子和转子中的线圈数目、相数和连接方式、凸极的数量和位置等，从而实现适应不同应用的转子结构和磁阻转矩特性。
3.转子结构设计
一般来说，无轴承开关磁阻电机的转子有两种设计方案：正极点转子和负极点转子。其中，正极点转子的凸点在转子的外部，凹点在定子上；负极点转子的凹点在转子的外部，凸点在定子上。两种方案各有优劣，应视具体应用而定。
在转子结构上，无轴承开关磁阻电机可以采用典型的分布式转子结构或者自饱和转子结构。分布式转子结构定义为将多个凸点排列在转子上，与定子凸点之间形成磁场分布。自饱和转子结构定义为引入一定数量的凸点，为磁阻转矩和牵引力提供支撑。
对于选择转子结构，需要考虑几个参数，如转矩和速度的要求、增量编码器和位置传感器的布局和安装、轴向力的需求等。
4.转子位置检测和控制策略
由于无轴承开关磁阻电机没有机械轴承，无法使用传统的编码器进行位置测量和控制。因此，需要考虑其他的位置检测方法和控制策略。
一种常用的转子位置检测方法是基于霍尔传感器的磁极检测方法，可以检测转子的绝对位置和方向。根据前后两个霍尔传感器的位置关系，可以判断转子是顺时针还是逆时针转动，并且可以获得对应的角度值。
在控制策略方面，可以采用开环控制和闭环控制两种方式。开环控制在无需考虑电机的状态和运行速度时使用，并且开环控制的执行速度只受到硬件和信号延迟的限制。闭环控制的主要优势则在于其具有更好的控制精度和调节响应，转子位置数据