开关磁阻电机

7.2 开关磁阻电动机

开关磁阻电动机调速系统（Switched Reluctance Drive ，简称SRD ）是20世纪80年代中期发展起来的新型交流调速系统，

它由开关磁阻电动机（SRM ）、功率变

换器、位置检测器及控制器所构成，

其系统构成与永磁无刷直流电动机几

乎一样，如图7-19所示。它以其电机

结构简单可靠、系统效率高、高速运行区域宽等优良性能成为交流调速领域中的一支新军。

7.2.1 开关磁阻电动机的结构及其动作原理

典型的三相开关磁阻电动机的结构如图7-20所示。其定子和转子均为凸极结构，图示电机的定子有6个极（6s N =），转子有4个极（4r N =）。定子极上套有集中线圈，两个空间位置相对的极上的线圈顺向串联构成一相绕组，图7-20 a)中只画出了A 相绕组；转子由硅钢片叠压而成，转子上无绕组。该电机则称三相6/4极开关磁阻电动机。在结构形式及工作原理上，开关磁阻电动机与大步距反应式步进电机并无差别；但在控制方式上步进电机应归属于他控式变频，而

开关磁阻电动机则

归属于自控式变频；

在应用上步进电机都用作“控制电机”而开关磁阻电机则是拖动用电机，因此电机设计时所追求的目标不同而使电机的设计参数不同.

工作原理

当A 相绕组通电时，因磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，将力图使转子转动最终使转子1、3极和定子A 、A '极对齐，A 相断电、B 相通电时，则B 相电流产生的磁吸力要吸引转子2、4极，使转子逆时针转动，最终使转子2、4极与定子B 、B '对齐，转子在空间转过30θ=机械角。再使B 相断电、C 相通电，转子又将逆时针转过30,一个通电周期使转子在空间转过了一个齿距。电机若按A-C-B-A 的顺序通电，则反方向旋转。电流的方向不影响上述的动作过程。

为保证开关磁阻电动机能连续旋转，当A 相吸合时,B 相的定、转子极轴线应错开1/m 个转子极距，m 为电机相数，若电机极对数为p ，定子极数2s N mp =，则转子极数应为

p m N r /)1(2 =。根据这个规律，可得到各种不同相数、不同极数的开关磁阻电机，常用

的有：三相6/4极，三相6/8极，四相8/6极，四相8/10极，三相12/8极等。

当电机定子每相绕组的通电频率为f 时，每个电周期转子转过一个转子极距，每秒钟转过f 个转子极距，即每秒转过r f N 转。电动机的转速与绕组通电频率的关系为

60r

f

n N =

（7-5）

7.2.2 开关磁阻电动机的工作原理

图7-20 开关磁阻电动机动作原理图

开关磁阻电动机的静转矩可以通过其磁场储能m W 或磁共能m W '对转子位置角θ的偏导数求得，即

m W n i const

θ'

∂=

=∂ （7-6）

在电机磁路不饱和的情况下，即假定磁路是线性的情况下，有

211

22

m m W W i i L ψ'=== （7-7）

从而静转矩为

212m W L

T i

θθ

'∂∂==∂∂ （7-8） 式中，i 、ψ、L 分别是通电相绕组的电流、磁链及电感。

式(7-8)反映出了磁阻性质转矩产生的原因，当电流恒定时，只有磁导Λ（2

L N =Λ，N 是绕组匝数）随位置θ变化时才会产生转矩，且该转矩总是力图使Λ（或L ）趋向最大处。

且可知0L θ∂>∂时，产生正向转矩；0L θ

∂<∂时，产生制动转矩。据此，即可由开关磁阻电动

机的电感L （或磁导Λ）随转子位置角θ而变化的曲线()L f θ=得到矩角特性()T f θ=，

两条曲线如图7-21a)、b)所示。图a)是A 相绕组的磁导()A θΛ或电感

()A L θ曲线，其电感最小位置是定

子极轴线对准转子槽轴线的位置，并定义此时刻0θ=；其电感最大位置是定子极轴线与转子极轴线对齐的位置，是图7-20 a ）状态的位置，此时刻的45θ=机械角。从电感曲线可看到，电感变化的周期是90机械角，是一个电周期，故电角度是机械角度的r N 倍，为免去不同转子极数电机分析时角度不同的麻烦，以下θ角均以电角度（或电弧度）表示之。图b)中，除A 相的矩角特性A T 外，还同时用虚线画上了B 、C 相的矩角特性。

从矩角特性可知，在0π这电感上升区域内在A 相绕组中通入电流（正、负电流都可以），就可以得到正转矩；在2ππ区域内，电感下降，故只要A 相绕组有电流就会得到制动转矩。但在电感的最小值及最大值附近，电感不变或变化不大，所能得到的转矩为零或接近为零。

类似于无刷直流电动机自控式变频的方式，用位置信息来控制各绕组的通断即可输出正向的（或反向）的平均转矩。用位置检测器把

02π分成6个编码的区域①~⑥，如图7-21c)所示。为充分利用正转矩，采用180导通

方案，假设电流如图7-21d)所示，则可得到如图7-21 e)所示的电机输出转矩波形。电动机将正向电动运行。从图可看到，在位置码控制下，其导通顺序是A-AB-B-BC-C-CA-A 。

若改成图7-20 f) 所示的区域通电，对正向运行的电机，得到制动转矩，转矩波形如图7-21 g)；对静止的电机则得到与参考方向反向的转矩，使电机反向起动，进入反转电动运行。反转时，θ角是反向运动的，

所以从图7-21e ）可看到实际的导通顺序是A-AC-C-CB-B-BA-A 。

7.2.3 开关磁阻电动机的控制原理

从上面的运行原理分析可知，开关磁阻电动机在采用自控式变频方式的情况下，只要能按位置的逻辑关系提供电流，控制电流的大小及其流通的区域就能控制转矩，进而就能控制转速。对其它类型的电机，分析到这一步很快就可以得出完整的控制策略了，但开关磁阻电动机却不然，其原因是其电流的控制非常困难，这是开关磁阻电动机控制的主要难点。讨论控制原理与控制策略时，将主要围绕如何控制电流的大小及其流通的区域的问题来展开。 1．电流方程

对m 相对称的开关磁阻电动机，讨论其中一相的通电情况，列出其电路的电压平衡方程式为

in d u iR dt

ψ

=+

(7-9)

式中，in u ――电机绕组两端的电压；R ——电机一相绕组的电阻，一般情况下，R 很小，在近似的原理分析时0R ≈；ψ——电机一相绕组的磁链。

在电压源型变换电路中，通过开关元件的通、断组合，在单电源供电的情况下in u 最多只有三种可能：

0d

in d

U u U +⎧⎪=⎨⎪-⎩主开关元件导通时零电压续流时主开关元件关断负电压续流时 (7-10)

设电机在匀速旋转，/d dt ωθ=，并把iL =ψ代入式(7-9)，得

θ

ω∂∂++=+

=L

i dt di L iR dt iL d iR U in )( (7-11)

上式等号右边的第1项是电阻压降，第2项是自感压降（变压器电势），第3项是与转速ω有关的旋转电势。当把电压条件代入后，该方程是一个有关电流的方程，该电流方程表明绕组电流在导通期间的变化规律非常复杂，主要的影响因素是其旋转电势。

下面分析在主元件导通，绕组正向通电，in d u U =时的情况。低速时，ω很小，旋转电势很小，电压d U 几乎全降落在式（7-11）右边的第2项上，使电流上升很快。又由于是低速，每个位置区域所占的时间很长。电流若无其它控制措施必然会过流。这就需要在低速时采用斩波控制的方式。

高速时，ω很大，但旋转电势还与/L θ∂∂有关，/L θ∂∂有可能很大（电感上升区），也可能是负值的很大（电压下降区），也可能为零（电感最大值或最小值附近）。因此，旋转电势与d U 的合成值[(/)]d U i L ωθ-∂∂使电流的变化趋势是：电流既可能上升，也可能下降，也有可能是水平保持。若电流导通区域是如图7-21 d)所示的180°区域来导通，则/L θ∂∂在该区域都较大的正值，合成值[(/)]d U i L ωθ-∂∂不大，且因为高速，180°区域所占的时间并不长，这两个原因使电流在整个180°区域之中都无法升到所需要的电流值。为了要得到所需的电流值，就必须把导通时刻前移，使导通时的/L θ∂∂小于零，合成值