开关磁阻电机原理和应用

开关磁阻电机

开关磁阻电机是一种新型调速电机，调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点，是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统的最新一代无极调速系统。它的构造简单稳固，调速范围宽，调速性能优异，且在整个调速范围内都具有较高效率，系统可靠性高。主要由开关磁阻电机、功率变换器、控制器与位置检测器四部分组成。控制器内包含控制电路与功率变换器，而转子位置检测器那么安装在电机的一端。

其电机部分由于是运用了磁阻最小原理，故称为磁阻电动机，又由于线圈电流通断、磁通状态直承受开关控制，故称为开关磁阻电动机。

特征

开关磁阻电机构造简单，性能优越，可靠性高，覆盖功率范围10W~5MW的各种上下速驱动调速系统。使的开关磁阻电机存在许多潜在的领域，在各种需要调速和高效率的场合均能得到广泛使用〔电动车驱动、通用工业、家用电器、纺织机械、电力传动系统等各个领域〕。

优点

◆其构造简单，价格廉价，电机的转子没有绕组和磁铁。

◆电机转子无永磁体，允许较高的温升。由于绕组均在定子上，电机容易冷却。效率高，损耗小。

◆转矩方向与电流方向无关，只需单方相绕组电流，每相一个功率开关，功率电路简单可靠。

◆转子上没有电刷构造稳固，适用于高速驱动。

◆转子的转动惯量小，有较高转矩惯量比。

◆调速范围宽，控制灵敏，易于实现各种再生制动才能。

◆并具频繁启动〔1000次/小时〕，正向反向运转的特殊场合使用。

◆且启动电流小，启动转矩大，低速时更为突出。

◆电机的绕组电流方向为单方向，电力控制电路简单，具有较高的经济性和可靠性。

◆可通过机和电的统一协调设计满足各种特殊使用要求。

缺点

其工作原理决定了，假设需要开关磁阻电机运行稳定可靠，必须使电机与控制配合的很好。

因其要使用位置传感器，增加了构造复杂性，降低了可靠性。

对于电机本身而言，转矩脉动大是其固有的缺点；在电机远离设计点的时候，转矩脉动大会表达的更加明显。

假设单纯使用电流斩波或最优导通角控制方法，对其转矩脉动的改善不是很大，需要参加更加复杂的算法。

另外，运行时噪音和振动较大、非线形性强也是开关磁阻电机需要解决的问题。

目前国内实用的磁阻电机属于初级阶段，部分产品控制相对粗放，电机的响应速度慢、低速下的脉动大，难以实现较高的控制精度。

构造原理

双凸极构造

磁阻电机的定子铁芯有六个齿极，转子铁芯有四个齿极，均由导磁良好的硅钢片冲制后叠成。

开关磁阻电机构造[1]

与普通电机一样，转子与定子之间有很小缝隙，转子可在定子内自由转动。

由于定子与转子都有凸起的齿极，这种形式也称为双凸极构造。

在定子齿极上绕有线圈〔定子绕组〕，是向电机提供工作磁场的励磁绕组。在转子上没有线圈，这是磁阻电机的主要特点。三相6/4构造工作原理

磁阻电动机是利用磁阻最小原理，也就是磁通总是沿磁阻最小的途径闭合，利用齿极间的吸引力拉动转子旋转。

定子六个齿极上绕有线圈，径向相对的两个线圈连接在一起，组成一“相〞，该电机有3相，结合定子与转子的极数就称该电机为三相6/4构造。为方便分析磁路，我们把相对的相分别标为a、b、c相，各相线圈由开关控制电流通断，约定转子启动前的转角为0度。

开关磁阻电机工作原理示意[2]

A相线圈接通电源产生磁通，磁力线从最近的转子齿极通过转子铁芯，磁力线可看成极有弹力的线，在磁力的牵引下转子开始逆时针转动；磁力一直牵引转子转到30度为止，到了30度转子不再转动，此时磁路最短。

为了使转子继续转动，在转子转到30度前已切断A相电源在30度时接通B相电源，磁通从最近的转子齿极通过转子铁芯，于是转子继续转动，磁力一直牵引转子转到60度为止。

在转子转到60度前切断B相电源在60度时接通C相电源，磁通从最近的转子齿极通过转子铁芯，转子继续转动，磁力一直牵引转子转到90度为止。

当转子转到90度前切断C相电源，转子在90度的状态与前面0度开始时一样，重复前面过程，接通A相电源，转子继续转动，这样不停的重复下去，转子就会不停的旋转。这就是磁阻电动机的工作原理。

上述工作原理决定了假设需要开关磁阻电机运行稳定可靠，必须使电机与控制配合的很好。[2]

开关磁阻电机的应用

近年来，开关磁阻电机的应用和开展获得了明显的进步，已成功地应用于电动车驱动、通用工业、家用电器和纺织机械等各个领域，功率范围从10W到5MW，最大速度高达100000 r/min。

电动车应用

开关磁阻电机最初的应用领域就是电动车。目前电动摩托车和电动自行车的驱动电机主要有永磁无刷及永磁有刷两种，然而采用开关磁阻电机驱动有其独特的优势。当高能量密度和系统效率为关键指标时，开关磁阻电机变为首选对象。

SRD开关磁阻电机驱动系统的电机构造紧凑结实，适宜于高速运行，并且驱动电路简单本钱低、性能可靠，在宽广的转速范围内效率都比较高，而且可以方便地实现四象限控制。这些特点使SRD开关磁阻电机驱动系统很适宜电动车辆的各种工况下运行，是电动车辆中极具有潜力的机种。SRD的最大特点是转矩脉动大，噪声大；此外，相对永磁电机而言，功率密度和效率偏低；另一个缺点是要使用位置传感器，增加了构造复杂性，降低了可靠性。因此无传感器的SRD也是将来的开展趋势之一。其优点主要表如今以下几个方面：

〔1〕开关磁阻电机不仅效率高，而且在很宽的功率和转速范围内都能保持高效率，这是其它类型驱动系统难以到达的。这种特性对电动车的运行情况尤为适宜，有利于进步电动车的续驶里程。

〔2〕开关磁阻电机很容易通过采用适当的控制策略和系统设计满足电动车四象限运行的要求，并且还能在高速运行区域保持强有力的制动才能。

〔3〕开关磁阻电机有很好的散热特性，从而能以小的体积获得较大的输出功率，减小电机体积和重量。

〔4〕通过调整开通角和关断角，开关磁阻电机完全可以到达它激直流电机驱动系统良好的控制特性，而且这是一种纯逻辑的控制方式，很容易智能化，从而能通过重新编程或交换电路元件，方便地满足不同运行特性的要求。

〔5〕开关磁阻电机无论电机还是功率变换器都非常稳固可靠，无需或很少需要维护，适用于各种恶劣、高温环境，具有良好的适应性。

纺织工业应用

近十多年来我国纺织机械行业的机电一体化程度有了较明显的进步，在新型纺织机械上普遍采用了机电一体化技术。这项技术的内容包含了先进的信息处理和控制技术，即以计算机为核心，有PLC、工控机、单片机、人机界面、现场总线等组成的控制系统；先进的驱动技术，有变频调速，交流伺服，步进电机等；检测传感技术和执行机构；精细机械技术等。棉纺织设备较有代表性的机电一体化产品，例如新型的粗纱机、分条整经机、浆纱机等。其中，

无梭织机的主传动技术也有了新的打破：采用开关磁阻电机作为无梭织机的主传动带来许多好处，减少传动齿轮、不用皮带和皮带盘，不用电磁离合器和刹车盘，不用寻纬电机，减少了这些机械构造直接的减小了转动惯量，减小能耗。同时因为开关磁阻电机的能量转化效率高，能使织机节能10%等优点，国内已有开关磁阻电机和驱动器的产品〔北京中纺机电研究所，目前还在与无梭织机主机厂合作，共同开发应用技术，希望能尽快获得成功，填补国内空白〕。而浙江中自机电控制技术，目前已经研发成功开关磁阻电机的驱动系统，成功运用于无梭织机上，在主机厂运转性能良好，到达国际先进程度。

风电行业应用