开关磁阻电机的基本了解

开关磁阻电机的基本学习内容1 开关磁阻电机的基本原理以及结构开关磁阻电动机(Switched Reluctance Motor ，简称SRM) 定转子为双凸极结构，铁心均由普通硅钢片叠压而成，其定子极上有集中绕组，径向相对的两个绕组串联构成一相，转子非永磁体，其上也无绕组[1,3]。

SRM 的定转子极数必须满足如下约束关系：s r s N =2kmN = N + 2k (1-1) 其中，Ns ，Nr 分别为电机定、转子数；m 为电机相数值减1；k 为一常数。

以下图1-1所示一个典型四相8/6极SRM 为例，相数为4，因而m=3，取k=1，则Ns=6，Nr=8。

m 及k 值越高，越利于高控制性能控制，但相应成本越高，结构越复杂。

目前技术较为成熟，发展较为迅速的产品多为三、四相SRM [2]。

图1-1即为一典型四相8/6结构的SRM电机本体及其不对称功率变换器主电路的示意图（图1-1在末尾手画）。

为表述清晰，图中仅画出不对称半桥电路的一相，其他各相均与该相相同，并省略了相应的驱动及检测电路。

完整的开关磁阻电机调速系统（Switched Reluctance Motor Drive，简称SRD）则由SRM、功率变换器、控制器、位置检测器等四大部分组成，如下图1-2示。

SRM可以认为是同步电机的一个分支，它运行时遵循磁阻最小原理，同步进电机较为类似[2,30]。

其具体运行原理如下：首先要保证励磁相的定子凸极和最近的转子凹极中心线不重合，也即初始位移不能位于磁阻最小位置。

通以交流电后，经过一个整流桥变为直流电源，当开关S1和S2开通时，AA’相通电励磁，产生一个磁拉力。

在该电磁力的轴向分量作用下，产生电磁转矩，凸极转子铁心趋向于旋转到定转子极轴线B-B’与A-A’重合的位置；而电磁力的径向力分量则造成定子的“变形”，这也是产生转矩脉动和电机噪声的根本原因之一。

在该过程中电机吸收电能。

关断S1和S2，开通BB’相，此时AA’相经续流二极管VD1、VD2将电能回馈给电源，同时BB’相趋向运行到定转子极轴线C-C’与B-B’重合的位置。

以此类推，顺次给A→B→C→D相循环励磁，在惯性和轴向力的作用下，转子将一直逆着励磁顺序旋转，从而完成自同步运行。

同理若改变励磁顺序为C→B→A→D，则转子沿顺时针方向转动。

由此可以看出， SRM与直流电机不同，其运行方向与相电流方向无关，而仅与相绕组通电顺序有关。

图1-2开关磁阻电机调速系统构成初次以外，我还搜集了几种不同结构的SR 电机，分别有涡轮转子两相SR 电机，可控饱和两相SR 电机、常规结构三相6/4级SR 电机、三相6/8SR 电机、三相12/10级SR 电机、三相6/2级SR 电机、三相12/8级SR 电机、三相24/32极外转子SR 电机、五项10/8级短磁SR 电机、七相14/12极短磁路SR 电机，具体配图见报告末尾备注。

二． SRD 的物理方程与控制分析SRM 的双凸极结构及整个磁路的脉振性、高饱和、涡流、磁滞等非线性因素的存在，加上运行时的开关性，使得的SRM 精确分析极为困难【41,44】。

在此问题上，适度的简化模型显示了强大的优势。

首先，基于简化模型的假设如下【28，102】：主开关电源的直流电压(±Us)不变；忽略铁耗及相间互感；忽略功率开关自身的功耗，视为理想开关器件；认为电机各相参数完全对称；磁场不饱和。

在此基础上，我们可以得到SRM 运行的本质电磁和力学关系，写出其严密的物理方程[1,2,3,7]。

1.电路方程 dt d i R U k k k k ψ+= (1-2) 式中，U k ：第k 相绕组端电压；R k 、i k 、k ：第k 相绕组的电阻、电流和磁链。

2.磁链方程相绕组磁链可用相电感和相电流表示，即：()θ,k k k i ψ=ψ(1-3)式中，：转子位置角。

3.机械方程L e T D dt d J T ++=ωω (1-4)其中：ωθ=dt d (1-5)602n πω= (1-6) 式中，ω：角速度；Te ：电磁转矩；L T ：负载转矩；J ：转动惯量；D ：摩擦系数。

4.机电联系方程单相单独工作时电机产生的电磁转矩为：'21|2ph i const L T i ωθθ=∂∂==∂∂ (1-7)且 ： di k i k ⎰ψ=0'ω (1-8)式中，'ω：相绕组磁共能。

由电路方程，可求得简化模型下的相电流解析式为：kk ()U i f θω= (1-9) 其中，f(θ)为电机本体参数、开通范围及转子位置角的函数。

因此，可得到m 相电机的平均电磁转矩为：22/2/222001()224r r N N r r av mN mN U L L T i d f d ππθθθπθπωθ∂∂==∂∂⎰⎰ (1-10) 5. 机械特性方程如果开通区间和给定电压固定，则式(1-10)中积分部分为定值，由此得到SRM 固有机械特性为：2av kT ω= (1-11)式中，k 为比例系数。

将式1-11变形可得：ω= (1-12)由此可明显看出，SRM 可调速参数较多，分别为：相绕组电压Us 、开通角onθ和关断角off θ。

根据调节参数的不同，可将SRD 常见调速方式分为三种[1,53,58,59]斩波控制方式(Current Chopping Control ，简称CCC)；角度位置控制方式(Angular Position Control ，简称APC)；和电压控制(VoltageControl ，简称VC)，其中VC 常采用电压PWM （Pulse Width Modulation ，简称PWM ）方式，如图1-3所示。

三种调速方式中，CCC 常用于基速以下的恒转矩区，通过电流斩波限来限制其启动电流。

APC 则适用于基速以上的恒功率区，因旋转电动势较大，开关器件导通的时间较短，电流较小，可通过APC 方式增大on θ来补偿电磁转矩。

电压PWM 方式通过调节绕组电压平均值，间接调节并限制绕组电流，适用于整个调速范围。

下图 1-4 a)- c)分别为各调速方式的控制框图。

r b sc图1-3 SRD 常见调速方式应用为使SRD 工作于最佳状态，需结合不同的调速方式选择合适的控制策略。

目前较常用的有传统PI 控制[17]、模糊控制【4,30】、滑模控制【33】及其组合控制【34,35】等。

由于其电机的强耦合和非线性等特性，传统控制无法满足系统高性能的要求，智能控制正逐步应用于SR 电机控制领域，很多学者致力于该方面的研究，如自适应控制【27,28，31】、反馈线性化控制【59】、人工神经网络控制【43，45】等。

三．SRD的控制方式以及运行状态开关磁阻电机在运行时，有三种物理状态：1．起动2．稳态运行3．制动控制开关磁阻电机稳态运行时,控制方式有三种,分别是电流限制CCC控制/电流PWM控制、电压PWM控制，其三种手画图分别为图a、图b、图c。

图a图b图c四．SRD电机的优缺点优点：1.SRD有较大的电机利用系数，可以是感应电机利用系数的1.2~1.4倍2.电机结构简单，转子上没有绕组；定子上只有简单的集中绕组，没有相间跨接线。

3.转矩与电流极性无关，单向电流激励。

4.对转速限制小，可以制成高速电动机5.通过对电流的通段、幅值控制，满足不同服在要求的机械特性6.SRD系统效率和功率密度在宽广的速度和负载范围内都较高缺点：1.有转矩脉动转矩由一系列脉冲转矩叠加而成，切有双凸级结构和磁路非线性，合成转矩不是恒定转矩，有一定的谐波分量2.噪声与振动大3.出线头多五．SRD电机性能、应用以及研究现状与发展前景自1842年，英国的Aberdeen和Davidson的开关磁阻电机运行理念诞生以来，经过100多年的技术准备，1967-1970年出现了世界上第一台SRM的雏形[28]与传统交直流电机相比，整体效率高10％以上；功率因数空载时可达0.995，满载时可达0.98，结构简单、性价比高、性能可靠、调速范围宽、运行效率高、可控参数多，控制灵活方便，允许频繁起停，起停次数可达1000次/小时，转速不受负载大小变化的影响，具有很高的效率[17,18]。

因而上世纪80年代以后，开关磁阻电机得到迅速发展，日新月异【5~8,10~11】。

目前国内外已有许多公司分别推出了其商品化的开关磁阻电机产品，代表性产品如下表1-1所示【28,36,60,73,87,88】。

表1-1 SRD代表性产品或样机Table 1-1 Representative Products of the SRD中国于1984年跟踪英国的研究成果，在借鉴国外经验的基础上，开关磁阻电机的研究进展很快【13,14】。

目前华中科技大学在“九五”项目中研制出了SRD 电动车，“十五”项目中将SRD应用到混合动力城市公交车，南京调速电机厂已与与北京纺织机械研究所合作研制成功3kW的SRM。

近年来，我国已研制了50W-50KW、20多个规格的工业产品样机，应用于刨床、煤矿牵引、纺织、冶金、机械、运输、电动车驱动、航空、和家用电器等领域【5~8,10~11】。

现已开始新型SRM 电机的研究【101】如DSPM电机、电励磁双凸极发电机、磁浮开关磁阻电机【22】、无轴承开关磁阻电机【93】等，并取得了一定研究成果。

在SR电机的理论研究上，主要集中于控制、仿真、设计理论和电磁数值分析等方面，代表单位有南京航空航天大学、华中科技大学，华中理工大学、华南理工大学、东南大学、西安交通大学、浙江大学、清华大学、中国矿业大学、北京纺织机械研究所，上海电科院、西安微电机研究所等[39,42,47,52,57]。

作为一新型电机调速系统，SRD涵盖了电力电子、电机、微机、控制工程、控制机械等知识领域。

目前SRD还存在转矩波动大、噪声大、需要位置检测器、系统非线性等缺点【55,56】，在理论和应用上仍需进行深入研究，主要有以下方面：SRM仿真模型的建立【52】； SRD现代控制理论及控制参数优化研究【29,41,81,102,106】；转矩脉动及振动噪声问题研究【15,50,69,82】；实用无位置传感器方案的研究【65,66,97】；新型电机结构的研究【85,86】；电机优化设计【37,67,68,107】；电机铁耗、效率分析【70,71,96】；SRD中电机、功率变换器及控制器三者之间的总体优化设计等【72,99】。

由此可见开关磁阻电机的发展前景还是十分广阔的。

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