开关磁阻电机

1.1开关磁阻电机

开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor，SRM）是一种定子单边激励，定转子双凸极的磁阻式电动机，由于定子电流由变频电源供电，电动机必须在特定的连续的开关模式下工作，所以通常称为“开关磁阻电机”。它是上世纪八十年代出现的一种新型无刷电机，具有结构简单、可控参数多、控制灵活、效率高等优点，使得其在电动车驱动系统、家用电器、先进制造、矿山机械、航空航天等领域得到了广泛应用。

目前，国内对开关磁阻电机的研究主要集中在控制算法研究、噪声和振动研究、损耗分析等方面。国外对开关磁阻电机在高速燃油泵电机、高速发电机、高速起动/发电机等航空、航天方面的应用进行了大量研究，例如美国研制的250千瓦、222,24转/分航空开关磁阻起动/发电机的功率密度高达5.3kw /kg；法国研制了一台1千瓦、转轴采用复合材料的超高速运行的开关磁阻电机，其最高转速可达200,000转/分。

SRM是双凸极可变磁阻电动机，它的定子、转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成。转子既无绕组也无永磁体，定子极上绕有几种绕组，按相数和齿极数来分，开关磁阻电机有三相6/4、12/8或四相8/6、16/12等结构。对于SR电机，转子磁场变化频率与转子齿数成正比，而转子损耗主要来自于转子磁场变化所产生磁滞损耗和涡流损耗。电机的定、转子的极数有多种不同的搭配，相数越多，步距角小，利于减小转矩脉动，但结构复杂，且主开关器件多，成本高。目前应用较多的是四相（8/6）结构，见图1-1。图中只画出了A相绕组及其供电电路。

图1-1 四相SR电动机结构图（其中的一相）

SRM有如下优点：

（1）电机结构简单、坚固，制造工艺简单，成本低，可工作于极高转速；定子线圈嵌

放容易，端部短而牢固，工作可靠，能适用于各种恶劣、高温甚至强振动环境。

（2）损耗主要产生在定子，电机易于冷却；转子无永磁体，可允许有较高的温升。

（3）转矩方向与电流方向无关，从而可最大限度简化功率变换器，降低系统成本。

（4）功率变换器不会出现直通故障，可靠性高。

（5）起动转矩大，低速性能好，无感应电动机在起动时所出现的冲击电流现象。

（6）调速范围宽，控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩－速度特性。

（7）在宽广的转速和功率范围内都具有高效率

（8）能四象限运行，具有较强的再生制动能力。

（9）容错能力强。开关磁阻电机的容错体现在电机某一相损坏，电机照样可以运行。

当然SRM也有其缺点，目前存在的主要缺点有：

（1）采用的是磁阻式电动机，其能量转换密度低于电磁式电动机。

（2）转矩脉动较大，通常的转矩脉动典型值是 15%。由转矩脉动所导致的噪声及特定频率下的谐振问题也较为突出。

（3）相数越多，主接线数越多。

（4）需要根据定转子的相对位置投励。

（5）必须与控制器一同使用，而不能直接接入电网作稳速运行。

2.1开关磁阻电动机调速系统

开关磁阻电动机调速系统(简称SRD)是一新型的机电一体化交流调速系统,它融新的电动机结构——开关磁阻电动机(简称SR 电机)与现代电力电子技术、控制技术为一体,是当前国内外现代交流调速领域热门的研究课题。

SRD主要由SRM、功率变换器、控制器、位置检测器等四大部分构成，如图2-1所示。

2.2 SRM功率变换器的主电路

从功率变换器应与电动机结构匹配、效率高、控制方便、结构简单、成本低等基本要求

出发，一个理想的功率变换器主电路结构应具备以下条件：

（1）最少数量的主开关器件；

（2）既适用于偶数相的SRM，也适用于奇数相的电机；

（3）可将全部电源电压加给电机相绕组；

（4）主开关器件的电压额定值与电动机接近；

（5）具备迅速增加相绕组电流的能力；

（6）可通过主开关器件调制，有效的控制相电流；

（7）在绕组磁链减少的同时，能将能量回馈给电源。

2.2.1 不对称半桥线路

图2-2 不对称半桥线路(GTR为主开关器件)

上图2-2为采用不对称半桥线路的三相SRM功率变换器主电路。以A相为例，每项有两个主开关器件V1、V2以及续流二极管VD1、VD2。其中，上下两个主开关器件是同时开关和关断的。当V1、V2导通时， VD1、VD2截止，外加电源Us加在A相绕组两端，产生相电流ia；当 V1、V2 关断时，A相绕组产生的变压器电动势极性是下正上负，则VD1、VD2正向导通，电流通过VD1、VD2及储能电容Cs续流，电容将吸收相绕组的部分磁场能量。

基于以上分析，可知这种线路的一些特点：

（1）各主开关器件的电压定额为Us。若主开关器件选用GTR、GTO等器件，则续流二极管的电压定额近似为Us；若主开关器件为普通的晶闸管，二极管电压定额则为Us与换相时普通晶闸管的反向电压；

（2）主开关器件的电压定额和电动机的电压定额近似相等，所以，这种线路用足了主开关器件的额定电压，有效的全部电源电压可用来控制相绕组电流；

（3）由于每相绕组接至各自的不对称半桥，在电路上，各相间是相互独立的，故这种结构没有相数的限制；

（4）这种线路适合在高压、大功率及SRM相数较少的场合下应用。

2.2.2 双绕组功率变换器

如图2-3所示，双绕组功率变换器要求SRM每相有一个二次绕组与一次绕组耦合（匝比通常1：1）。图a所示，当主开关器件S导通时，Us提供一次绕组电流i1，二次绕组的电压极性为下端为“+”，若匝数比为1，VD承受的反向电压为2Us，VD截止；当S关断时，二次绕组的电压极性为上端为“+”，VD导通，一次绕组电流i1转换到二次侧，形成续流电流i2给Cs充电，若不计一次、二次间的完全耦合，主开关器件S承受的电压为2Us。

图2-3双绕组功率变换器

另外，如果考虑不完全耦合时的电压欲量，双绕组的功率变换器的主开关器件装置的电压额定值至少是电机绕组电压额定值的两倍，因此，未能用足主开关器件的额定电压；另一个缺点是电机中的铜线利用率低，因为每一对绕组中总是只有一个绕组流过电流。但若选用GTR作主开关器件，各相发射极共“地”，所以它们的驱动电路的电源可以共用；若选用普通晶闸管，对于偶数相的电机，由于各相绕组及晶闸管可以交替的跨接在电源的“+Us”和“0”端，所以除非是斩波模式，不再需要在主晶闸管的换向电路之间附加换相电路，这样就降低了逆变器的成本。这种电路适合在电源电压较低的场合，如蓄电池车的传动。

2.2.3 分列式直流电源的功率变换器

如图2-4 a所示，外电源Us被Cs一分为二,两相绕组的一端共同接至双极性直流电源