控制电机：开关磁阻电机

题目：开关磁阻电机

开关磁阻电机

学习《特种电机及其控制》这门课程，这要介绍了无刷直流电机及其控制、开关磁阻电机及其控制系统、步进电机及其控制，其中我最感兴趣的开关磁阻电机。下面我将对我所了解的开关磁阻电机做一总结。

一、发展背景

开关磁阻电机是80年代初随着电力电子、微电脑和控制技术的猛烈发展而发展起来的一种新型调速驱动系统，具有结构简单、运行可靠及效率高等突出优点，成为直流电机调速系统、交流电机调速系统和无刷直流电机调速系统强有力的竞争者，引起各国学者和企业界的广泛关注，目前开关磁阻电机已开始应用于工业、航空业和家用电器等各个领域。

开关磁阻电机的基本概念可追溯到19世纪40年代，1842年，英国的Aberdeen和Dafidson用两个U型电磁铁制造了由蓄电池供电的机车电动机。20世纪60年代，大功率晶闸管的出现为SR电机的研究发展提供了重要的物质条件。1967年，英国的Leeds大学开始对SR电机进行深入研究；直到1970年左右，研究结果表明：SR电机可以在单相电流下四象限运行，功率变换器无论是用晶体管还是用普通晶闸管，所需开关数都是最少的；电动机成本也明显低于同容量的感应电动机。20年代70年代初，美国福特公司研制出最早开关磁阻电机的调速系统，其结构为轴向气隙电动机，具有电动机和发电机运行状态和较宽范围调速的能力，适合于蓄电池供电的电动车辆的转动。1980年Leeds大学的Lawrenson教授及其同事总结出了自己的研究成果，发表了题为“Variable--Speed Switched Reluctance Motors”的论文，系统阐述了开关磁阻电机的基本原理与设计特点，并得出了新型磁阻电机的单位出力可以与交流感应电机相媲美甚至还略占优势的结论。1983年英国TASC公司推出了Oulton系列通用SRD调速产品，问世不久便受到了各国电气传动界的广泛重视。从1984年开始，我国许多单位先后开展了SRD研究，在借鉴国外经验的基础上，我国SR电机的研究发展很快。2000年，国内100KW以上的SR电机已应用于煤矿的采煤机，目前已将180KW的SR电机应用于地铁机车的牵引，应形成一些SRD系列商品，最

大功率达几十到上百千瓦。

二、简单介绍

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。

开关磁阻电机的运行遵循“磁阻最小原理”——磁通总是沿磁阻最小的路径闭合。利用磁阻的不等，磁通总向磁阻小的路线集中，通电的定子以磁力吸引铁磁性的转子，使磁力产生切向分力，即产生对转子的转矩。定子的通电循序是根据转子位置传感器检测到的转子位置相对应的最有利于对转子产生向前转动转矩的那一相定子通电，转过一定角度后又由下一个最有利于转子产生转矩的一相通电。不断变换通电的定子绕组相序，使转子连续朝一个方向转动。磁阻电机不同于步进电机，磁阻电机是有位置反馈的，是一种自同步电机，其转速是由电机的驱动力矩和负载的阻力矩共同决定的。

它的结构简单坚固，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。主要有开关磁阻电机、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，而转子位置检测器则安装在电机的一端。

图1-1 开关磁阻电动机调速系统构成

图1-2开关磁阻电机实物图

开关磁阻电机结构简单，性能优越，可靠性高，覆盖功率范围10W~5MW的各种高低速驱动调速系统。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）。

◆其结构简单，价格便宜，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。

◆转子上没有电刷结构坚固，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，控制灵活，易于实现各种再生制动能力。

◆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。

三、开关磁阻电机的应用

近年来，开关磁阻电机的应用和发展取得了明显的进步，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。

(1)开关磁阻电机电动车应用

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结构紧凑牢固，适合于高速运行，并且驱动电路简单成本低、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合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，增加了结构复杂性，降低了可靠性。因此无传感器的SRD也是未来的发展趋势之一。其优点主要表现在以下几个方面：

（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达到的。这种特性对电动车的运行情况尤为适合，有利于提高电动车的续驶里程。

（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能力。

（3）开关磁阻电机有很好的散热特性，从而能以小的体积取得较大的输出功率，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达到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替换电路元件，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十分坚固可靠，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。

(2)开关磁阻电机纺织工业应用

近十多年来我国纺织机械行业的机电一体化水平有了较明显的提高，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