开关磁阻电动机发展综述

［４］
刘迪吉、曲民兴、朱学忠、刘闯，
Ｎ０２，Ｐ．１０９～１１５．
２００３，Ｖ０１３５
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四、结语 ＳＲ电机还年轻，它和传统的直流调速系统及交流变频调速系统相比，有很多优点，但 也有一些缺点，在一些理论和实践问题还待深化。理论上，它还不能说很成熟，统一的理论 及优化设计、系列设计还有待研发；技术上，制约发展的是缺少适于ｓＲ电机技术需求的专 用模块、专用芯片，成熟、实用的无直接位置检测器也需要尽快进一步开发；生产上，目前 ｓＲ电机生产规模还太小，缺少系列批量产品和强大的研发生产基地；市场上，各行备业接 受它还有一个过程，需要宣传它、开发市场。相信经过大家多方面的重视和努力，随着电子、 微电子技术进步，ＳＲ电机将会有广阔的发展前景，在微特电机行业中同样会有很大的发展 空间。
２．
电动车辆驱动应用 具有串励特性的ｓＲ电机，适合车辆电驱动应用。英国最早期的应用中就有有轨电车应
用的实例。随着环保要求提高、动力电池技术进步，电动车发展有越来越高的呼声和现实性， ＳＲ电机以它性能好，有较好的制动和能量回馈能力，被视为电动车的一个可选择驱动方案。 美国ＤＥＬＰＨＩ公司开发了ｓＲ电机驱动的电动汽车，ＥＭＢ公司开发了ＳＲ电机驱动的电动摩托 车。我国在ＳＲ电机的电动车方面研究也很活跃，以华中科技大学为首研发的电动汽车已见 成效．中国矿业大学研发的矿车驱动取得成功，南京航空航天大学也成功开发了电动摩托车。
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介绍的航空电源，都是很有新意的。特别是由于ｓＲ电动机起动性能好，电动发电双功能可 控性好、实现容易，因此在直流电源体制下作汽车和飞机的起动／发电机有独特的优越性， 美国ＳＵＮＩ）ＳＴＲＡＮＤ公司的８０ＫＷ ＳＲ起动／发电机将在第四代战斗机中应用。国内也有少数院校 正在从事这方面研究，像南京航空航天大学成功研制的ｓＲ起动／发电机得到很高评价。
图２三相６／４结构双凸极磁阻电机截面圈
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图３常用三相ｓＲ电机主电路
ＳＲ电机是一种年轻的机种。 上世纪８０年代初，英国Ｌｅｅｄｓ大学和Ｎｏｔｔｉｎｇｈａｍ大学合作研发成功并正式发表了他们 的成果”…１，从此开创了ＳＲ电机的发展阶段。众所周知，磁阻电机本身是古老的机种，它 发展而成新的ｓＲ电机系统是机电～体化综合技术发展的结果。近２０年来，主要是欧美发达 国家，从理论到实践，从电力牵引、通用调速到家用电器，从电动到发电及一体化起动／发 电机，都有非常成功的研究成果。ＳＲ电机系统成为了国际上电工界的热点。 我国在上世纪８０年代，首先是少数院校厂所跟踪研究。１９８８年１１月在南京（南京航 空航天大学主持）、１９９１年９月在武汉（华中科技大学主持）及１９９３年元月在北京（纺织 总会机电研究所主持）三次召开了全国ＳＲ电机学术研讨会，这是前期我国ｓＲ电机研究与开 发的成果交流，也积极推动了这—领域的发展。之后，ｓＲ电机的研究很快普及到全国范围 的高等院校和有关厂所。研发队伍迅猛扩大，理论和研发实践成果斐然，至今正式出版发表 的ＳＲ电机专著就有５本，同时研究成果已逐步从实验室走向了工业应用。
动态调节特性及控制特性。如果移相控制吕ｌ、口２，使主要相电流出现在荔＜ｏ区段，则
可形成制动和发电工况，即它可方便实现电动、制动（发电）和正转、反转四象限运行。所 以该系统可用作调速电动机，也可作发电机工作”１。
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３．
串励特点 该电机仅单一绕组，因此相电流既是励磁电流又是电枢电流，具有典型串励特性。台理
参考文献 ［１］ 刘迪吉、张焕春、傅丰礼、高超， 《开关磁阻调速电动机》 机械工业出版社，
１９９４年８月． ［２］Ｌａｗｒｅｎｓｏｎ ＰＪ。Ｓｔｅｐｈｓｏｎ ＪＭ，Ｂｌｅｎｋｉｎｓｏｐ ＰＴ，Ｃｏｒｄａ Ｊ，Ｆｕｌｔｏｎ ＮＮ，“Ｖａｒｉａｂｌｅ－Ｓｐｅｅｄ
Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ
Ｍｏｔｏｒｓ”Ｐｒｏｃ．ＩＥＥ（ｐａｒｔ Ｂ）１９８０，Ｖｏｌｌ２７ Ｎ０４．Ｐ．２５３～２６５．
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为说明控制原理，先简要介绍ｓＲ电机的电磁转矩。
电机相绕组通电后建立磁场，根据电磁场理论，伴随磁场的存在必定有电磁转矩ｔ。
。一鲁ｋ。
其中，磁场能量缈。：ｒ ｆＪ∥：秒是指转子角位置。 其中，磁场能量缈。＝Ｉ。埘∥：秒是指转子角位置。
可近似以相电感Ｌ和相电流ｉ表达
Ｌ。＝÷ｚ ２箸
相电感是转子位置角（口）的函数。当转子齿极轴线与相应相定子齿极轴线重合（定
义ｐ＝口。）时，该相电感最大；当转子槽轴线与定子齿极轴线重合时，该相电感最小（此
时定义口＝０。），如图４。豳中统为转子齿距角，相电感以此为周期变化。因此以位置闭
环控制主开关通断（开通角口ｌ、关断角日２），形成如图所示电流波形，即可产生所需的转 矩。
图４相电感曲线及相电流波形
可见，调节主开关通断角度（臼，、臼，）可有效控制相电流大小和位置，利用斩波可 控制相电流峰值。在主开关触发信号上施加脉宽调制控制可调节工作电压，以及它们的综合 控制，景终能控制系统工作，实现很宽调速范围内的高效率能量转换。 理论上，在每一周期及至每～步距角都可以改变调节参数及工作状态，因此具有良好的
［３］Ｄａｖｉｓ ＲＭ，Ｒａｙ盯，Ｂｌａｋｅ ＩＵ“Ｉｎｖｅｒｔｅｒ Ｄｒｉｖｅ Ｆｏｒ Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ Ｍｏｔｏｒ：
Ｃｉｒｃｕｉｔｓ Ａｎｄ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ
Ｒａｔｉｎｇｓ”Ｐｒｏｃ．ＩＥＥ（ｐａｒｔ Ｂ），１９８１，Ｖｏｉｌ２８ Ｎ０２，Ｐ．１２６～１３６． “开关磁阻发电机” 南京航空航天大学学报，
设计、分时控制，可以获得良好的起动特性和过载能力。有必要说明ＳＲ电机起动工况的技
术特点。起动时，可以充分利用嚣＞ｏ区段，即采用半周期（ｏ～眈）导通主开关，并利
用斩波限定相电流， 足够强的电流及磁场确保产生最大的起动转矩。而斩波工作状态之续 流电流是回馈给电源的，因此电源实际供电电流明显小于绕组实际工作电流。所以ＳＲ电动 机具有起动转矩大、起动电流（母线）小的特点。 ４．可靠性特点 ＳＲ电机作为一种无刷电机，电机结构简单，故首先有高可靠性的基础。该电机绕组是 集中绕组，各相相对独立，磁场耦合弱，因此有缺相运行能力，这是很重要的技术特色。另 外，开关电路是一种相对简单的变换电路，其主开关直接与绕组串联，因为不会发生开关管 电源直通故障。这说明ｓＲ电机系统有较强的生命力和可靠性。 值得指出。转子位置检测器是该系统的特征部件，以此实现位置闭环控制。这和无刷直 流电机相仿，可采用光电、霍尔或电磁等方案的传感器，但由此也增加了系统的复杂性和降 低了系统的可靠性。现在，无直接位置传感器方案研究很多，成熟和实用化的成果还待进一 步开发。 ５．非线性特点 ｓＲ电机是典型的机电一体化系统。该主电路是开关工作，电流是脉冲状态，电机内磁 场则存在局部的高度饱和，控制本身也是非线性的。这些高度非线性首先带来系统的理论分 析和计算设计的复杂性。无疑可用磁场数值计算及电路ＣＡＤ，但它所描述的系统模型及参数 的物理概念缺乏简明清晰的形式，优化设计尚不很完善和成熟。同时，大负载时强烈的电流 脉冲及凸极效应等非线性因素影响，会带来振动和噪声弊端，使一些要求严格的场合受到限 制或需要采取特别措施。
二、技术特点 ＳＲ电机系统的技术特色很鲜明。 １．结构特点 磁阻电机本身是最简结构电机，特别是转子既无绕组也无需永磁，是无刷结构。因此， 它有很强的环境适用性。 作为电机的结构特征：定子齿极数和转子齿极数，与系统的相数相关，并且有多种不同 的选择。如三相方案有６／４、６／８、１２／８、２４／１６等几种结构．四相方案有８／６、１６／１２、 ３２／２４等结构，此外二相４／２结构及六相１２／１０结构也都有应用。开关电路则有多种不同的 拓扑。由于电机转子是反应式结构，因此只需单向供电（直流或交流整流电源）．使得主电 路结构得以简化。图３所示为主开关管与续流二极管构成的不对称半桥主电路，这是常用的 每相双管结构。每相单管结构主电路，元件少，具有成本优势，如采用电容分压及二相串联 供电技术，构成每相单管的四相主电路，非常传统、广为应用。一般的每相单管主电路的技 术关键是可靠换相，因此出现了如电容储能、准谐振开关等不同换相方式的电路拓扑。 可见，从技术上讲，多种不同的结构方案和主电路拓扑．有各自不同的性能特点，可适 于在各种不同的场合应用。 ２．控制特点 控制参数多，控制性能好，是ＳＲ电机系统的重要技术特点。
三、应用分析 经过２０年发展，ＳＲ电机已经在众多领域得到了成功的开发应用。不可能一一枚举，仅 选以下五个方向作简要介绍和分析。
１．
通用调速电动机应用 ＳＲ电机产品的问世是以英国ＴＡＳＣ公司推出的ＯＵＬＴＯＮ系列通用调速电动机为起点的。
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我国同行在前期就由纺织总会机电研究所和南京调速电机厂生产推出ＫＣ系列调速电动机， 由南京航空航天大学和丹阳凋速传动设备厂生产了ＳＲ系列小功率调速电动机。既然是通用 系列，必有广阔的适用性，诸如在纺织、染整、食品机械，鼓风机，机床及自动生产线传动 等等行业应用。 ＳＲ电机不难做到与普通感应电动机同机座同容量，因此其通用系列的功率型谱可以等 同或略优于感应电机。更重要的，由于ＳＲ电机的调速性能好、调速范围宽、效率高、成本 低等优点，性能上可以与变频调速感应电动机比美，在性能价格比上可以与无刷电流调速电 动机竞争。实践证明，要求频繁起动和正反转的调速电动机，选择ＳＲ电机更为有利。
３．
控制电机应用 ＳＲ电机的控制特性好，动态控制性能优良，转矩惯量比大，因此可以做成伺服电动机
和智能驱动应用，如ＨＰ公司的绘图机。我国在研发电动门智能驱动、机械手关节驱动有成 效，在电缆、纺织行业作恒线速度或张力控制传动，电脑控制工业缝纫机专用驱动等都有成 功的应用。可以说，有伺服性能的ｓＲ调速电动机在多种精密机械和智能机械中有广阔的应 用前景。 ４．家用电器应用 结构简单、性价比高是家用电器驱动得到优选的重要原因。如洗衣机采用ｓＲ电机直接
驱动，可简化结构、提高性能。美国ＥＭＥＲＳＯＮ公司以及纺织总会机电研究所、扬州中凌电机 技术公司都研制成功滚动式洗衣机的ｓＲ电机直驱系统。韩国ＬＧ公司生产的ｓＲ小型风机也
可以在家电装置中应用。基于ＳＲ电机高速适应性，因此在吸尘器、地板磨光机等家电中应 用的成果也有所见。 ５．发电机及起动／发电机应用 ｓＲ电机在发电工作时输出脉冲电流，若配以储能元件如蓄电池或电容，可以作为直流 电源应用。如小型风力发电机、汽车发电机及航空发电机应用，德国报导的风力发电，美国
开关磁阻电动机发展综述
刘迪吉（南京Байду номын сангаас空航天大学）
开关磁阻电机（Ｔｈｅ Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ Ｍａｃｈｉｎｅ，以下简称ＳＲ电机）由开关电路和 磁阻电机组合而成，是一种新型机电一体化电机系统。
一、发展概况 典型的ＳＲ电机调速系统…组成框图如图１。
图１ ＳＲ电机调速系统基本框图 其电机是双凸极磁阻电机，它的定、转子均为凸极齿槽结构，定子设有集中绕组、转子 无绕组，以广为应用的三相６／４结构电机为例，截面如图２。该定子有６个齿极、转子４个 齿极，每个定子齿极上设有一个线圈，位于径向相对的两线圈串接成一相绕组，组成Ａ、Ｂ、 Ｃ三相。但是它们是直流供电工作，如图３为不对称半桥组成的兰相开关电路。开关电路起 到电流分配器的作用，即根据转子位置信号开通相应相，使电机转予产生合理的电磁转矩， 输出机械能。实际上，电磁转矩不仅是大小可控，而且方向也能控制，因而能流方向也可改 变。这就是说，ＳＲ电机既可做电动机，也可作为发电机运行。