•                                          開關磁阻電動機

    開關磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)（Switched Reluctance Drive ：SRD）是繼變頻調(diào)速系統(tǒng)、無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)之后發(fā)展起來的最新一代無級調(diào)速系統(tǒng)，是集現(xiàn)代微電子技術、數(shù)字技術、電力電子技術、紅外光電技術及現(xiàn)代電磁理論、設計和制作技術為一體的光、機、電一體化高新技術。它具有調(diào)速系統(tǒng)兼具直流、交流兩類調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點。 英、美等經(jīng)濟發(fā)達國家對開關磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)的研究起步較早，并已取得顯著效果，產(chǎn)品功率等級從數(shù)w直到數(shù)百kw，廣泛應用于家用電器、航空、航天、電子、機械及電動車輛等領域。

簡介

   開關磁阻電機是一種新型調(diào)速電機，調(diào)速系統(tǒng)兼具直流、交流兩類調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點，是繼變頻調(diào)速系統(tǒng)、無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的最新一代無極調(diào)速系統(tǒng)。它的結(jié)構(gòu)簡單堅固，調(diào)速范圍寬，調(diào)速性能優(yōu)異，且在整個調(diào)速范圍內(nèi)都具有較高效率，系統(tǒng)可靠性高。主要有開關磁阻電機、功率變換器、控制器與位置檢測器四部分組成?？刂破鲀?nèi)包含功率變換器和控制電路，而轉(zhuǎn)子位置檢測器則安裝在電機的一端。

現(xiàn)如今，開關磁阻電機的應用和發(fā)展取得了明顯的進步，已成功地應用于電動車驅(qū)動、通用工業(yè)、家用電器和紡織機械等各個領域，功率范圍從10W到5MW，最大速度高達100,000 r/min。

通用系列

    我國對開關磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)的研究與試制起步于20世紀80年代末90年代初，取得了從基礎理論到設計制造技術多方面的成果與進展，但產(chǎn)業(yè)化及應用性研究工作相對滯后。由于SRD的產(chǎn)業(yè)化，人們通常將其產(chǎn)品稱為“開關磁阻調(diào)速電動機”。

SRD系統(tǒng)

    開關磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)主要由開關磁阻電動機（SRM）、功率變換器、控制器、轉(zhuǎn)子位置檢測器四大部分組成，系統(tǒng)框圖如圖1?？刂破鲀?nèi)包含控制電路與功率變換器，而轉(zhuǎn)子位置檢測器則安裝在電機的一端，電動機與國產(chǎn)Y系列感應電動機同功率同機座號同外形。

工作原理

   開關磁阻電動機 調(diào)速系統(tǒng)所用的開關磁阻電動機（SRM）是SRD中實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的部件，也是SRD有別于其他電動機驅(qū)動系統(tǒng)的主要標志。SRM系雙凸極可變磁阻電動機，其定、轉(zhuǎn)子的凸極均由普通硅鋼片疊壓而成。轉(zhuǎn)子既無繞組也無永磁體，定子極上繞有集中繞組，徑向相對的兩個繞組聯(lián)接起來，稱為“一相”，SR電動機可以設計成多種不同相數(shù)結(jié)構(gòu)，且定、轉(zhuǎn)子的極數(shù)有多種不同的搭配。相數(shù)多、步距角小，有利于減少轉(zhuǎn)矩脈動，但結(jié)構(gòu)復雜，且主開關器件多，成本高，現(xiàn)今應用較多的是四相（8/6）結(jié)構(gòu)和三相（12/8）結(jié)構(gòu)。

   四相（8/6）結(jié)構(gòu)SR電動機原理圖。為簡單計，圖中只畫出A相繞組及其供電電路。SR電動機的運行原理遵循“磁阻最小原理”— ‘磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合，而具有一定形狀的鐵心在移動到最小磁阻位置時，必使自己的主軸線與磁場的軸線重合。圖2中，當定子D-D’極勵磁時，1-1'向定子軸線D-D'重合的位置轉(zhuǎn)動，并使D相勵磁繞組的電感最大。若以圖中定、轉(zhuǎn)子所處的相對位置作為起始位置，則依次給D→A→B→C相繞組通電，轉(zhuǎn)子即會逆著勵磁順序以逆時針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)；反之，若依次給B→A→D→C相通電，則電動機即會沿順時針方向轉(zhuǎn)動?？梢姡琒R電動機的轉(zhuǎn)向與相繞組的電流方向無關，而僅取決于相繞組通電的順序。另外，從圖2可以看出，當主開關器件S1、S2導通時，A相繞組從直流電源US吸收電能，而當S1、S2關斷時，繞組電流經(jīng)續(xù)流二極管VD1、VD2繼續(xù)流通，并回饋給電源US。因此，SR電動機傳動的共性特點是具有再生作用，系統(tǒng)效率高。

   四相8/6級SR電動機典型結(jié)構(gòu)(只畫出一相)

由此可見，通過控制加到SR電動機繞組中電流脈沖的幅值、寬度及其與轉(zhuǎn)子的相對位置（即導通角、關斷角），即可控制SR電動機轉(zhuǎn)矩的大小與方向，這正是SR電動機調(diào)速控制的基本原理。

系統(tǒng)特點

   開關磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)之所以能在現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)中異軍突起，主要是因為它卓越的系統(tǒng)性能，主要表現(xiàn)在：

結(jié)構(gòu)簡單；電動機結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可用于高速運轉(zhuǎn)。SRD的結(jié)構(gòu)比鼠籠式感應電動機還要簡單。其突出的優(yōu)點是轉(zhuǎn)子上沒有任何形式的繞組，因此不會有鼠籠感應電機制造過程中鑄造不良和使用過程中的斷條等問題。其轉(zhuǎn)子機械強度極高，可以用于超高速運轉(zhuǎn)（如每分鐘上萬轉(zhuǎn)）。在定子方面，它只有幾個集中繞組，因此制造簡便、絕緣結(jié)構(gòu)簡單。

   電路可靠；功率電路簡單可靠。因為電動機轉(zhuǎn)矩方向與繞組電流方向無關，即只需單方相繞組電流，故功率電路可以做到每相一個功率開關。對比異步電動機繞組需流過雙向電流，向其供電的PWM變頻器功率電路每相需兩個功率器件。因此，開關磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)較PWM變頻器功率電路中所需的功率元件少，電路結(jié)構(gòu)簡單。另外，PWM變頻器功率電路中每橋臂兩個功率開關管直接跨在直流電源側(cè)，易發(fā)生直通短路燒毀功率器件。而開關磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)中每個功率開關器件均直接與電動機繞組相串聯(lián)，根本上避免了直通短路現(xiàn)象。因此開關磁阻調(diào)速電動機調(diào)速系統(tǒng)中功率電路的保護電路可以簡化，即降低了成本，又有較高的工作可靠性。

   系統(tǒng)可靠性高；系統(tǒng)可靠性高。從電動機的電磁結(jié)構(gòu)上看，各項繞組和磁路相互獨立，各自在一定軸角范圍內(nèi)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。而不像在一般電動機中必須在各相繞組和磁路共同作用下產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，電動機才能正常運轉(zhuǎn)。從控制結(jié)構(gòu)上看，各相電路各自給一相繞組供電，一般也是相互獨立工作。由此可知，當電動機一相繞組或控制器一相電路發(fā)生故障時，只需停止該相工作，電動機除總輸出功率能力有所減小外，并無其他妨礙。

   起動優(yōu)點；起動轉(zhuǎn)矩大，起動電流低?？刂破鲝碾娫磦?cè)吸收較少的電流，在電機側(cè)得到較大的起動轉(zhuǎn)矩是本系統(tǒng)的一大特點。典型產(chǎn)品的數(shù)據(jù)是：起動電流為額定電流的15%時，獲得起動轉(zhuǎn)矩為100%的額定轉(zhuǎn)矩；起動電流為額定電流的30%時，起動轉(zhuǎn)矩可達其額定轉(zhuǎn)矩的250%。而其他調(diào)速系統(tǒng)的起動特性與之相比，如直流電機為100%的電流，鼠籠感應電動機為300%的電流，獲得100%的轉(zhuǎn)矩。起動電流小而轉(zhuǎn)矩大的優(yōu)點還可以延伸到低速運行段，因此本系統(tǒng)十分合適那些需要重載起動和較長時間低速重載運行的機械。

    頻繁起停；適用于頻繁起停及正反向轉(zhuǎn)換運行。本系統(tǒng)具有的高起動轉(zhuǎn)矩、低起動電流的特點，使之在起動過程中電流沖擊小，電動機和控制器發(fā)熱較連續(xù)額定運行時還要小?？煽貐?shù)多使其制動運行能與電動運行具有同樣優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩輸出能力和工作特性。二者綜合作用的結(jié)果必然使之適用于頻繁起停及正反向轉(zhuǎn)換運行，次數(shù)可達1000次/小時。

   性能好；可控參數(shù)多，調(diào)速性能好?？刂崎_關磁阻電動機的主要運行參數(shù)和常用方法至少有四種：相導通角、相關斷角、相電流幅值、相繞組電壓?？煽貐?shù)多，意味著控制靈活方便?？梢愿鶕?jù)對電動機的運行要求和電動機的情況，采取不同控制方法和參數(shù)值，即可使之運行于最佳狀態(tài)（如出力最大、效率最高等），還可使之實現(xiàn)各種不同的功能的特定曲線。如使電動機具有完全相同的四象限運行能力，并具有最高起動轉(zhuǎn)矩和串勵電動機的負載能力曲線。由于SRD速度閉環(huán)是必備的，因此系統(tǒng)具有很高的穩(wěn)速精度，可以很方便的構(gòu)成無靜差調(diào)速系統(tǒng)。

   效率高損耗小；效率高，損耗小。本系統(tǒng)是一種非常高效的調(diào)速系統(tǒng)。這是因為一方面電動機繞組無銅損；另一方面電動機可控參數(shù)多，靈活方便，易于在寬轉(zhuǎn)速范圍和不同負載下實現(xiàn)高效優(yōu)化控制。以3kW SRD為例，其系統(tǒng)效率在很寬范圍內(nèi)都在87%以上，這是其它一些調(diào)速系統(tǒng)不容易達到的。將本系統(tǒng)同PWM變頻器鼠籠型異步電動機的系統(tǒng)進行比較，本系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速和不同負載下的效率均比變頻器系統(tǒng)高，一般要高5～10個百分點。

滿足各種要求；可通過機和電的統(tǒng)一協(xié)調(diào)設計滿足各種特殊使用要求。

優(yōu)缺點

   開關磁阻電動機傳動系統(tǒng)綜合了感應電動機傳動系統(tǒng)和直流電動汽車電機傳動系統(tǒng)的優(yōu)點，是這些傳動系統(tǒng)的有力競爭者，其主要優(yōu)點如下：

1、開關磁阻電動機有較大的電動機利用系數(shù)，可以是感應電動機利用系數(shù)的1.2~1.4倍。

2、電動機的結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)子上沒有任何形式的繞組；定子上只有簡單的集中繞組，端部較短，沒有相間跨接線。因此，具有制造工序少、成本低、工作可靠、維修量小等特點。

3、開關磁阻電動機的轉(zhuǎn)矩與電流極性無關，只需要單向的電流激勵，理想上公率變換電路中每相可以只用一個開關元件，且與電動機繞組串聯(lián)，不會像PWM逆變器電源那樣，存在兩個開關元件直通的危險。所以，開關磁阻電動機驅(qū)動系統(tǒng)SED線路簡單，可靠性高，成本低于PWM交流調(diào)速系統(tǒng)。

4、開關磁阻電動機轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)形式對轉(zhuǎn)速限制小，可制成高轉(zhuǎn)速電動機，而且轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量小，在電流每次換相時又可以隨時改變相匝轉(zhuǎn)矩的大小和方向，因而系統(tǒng)有良好的動態(tài)響應。

5、SRD系統(tǒng)可以通過對電流的導通、斷開和對幅值的控制，得到滿足不同負載要求的機械特性，易于實現(xiàn)系統(tǒng)的軟啟動和四象限運行等功能，控制靈活。又由于SRD系統(tǒng)是自同步系統(tǒng)運行，不會像變頻供電的感應電動機那樣在低頻時出現(xiàn)不穩(wěn)定和振蕩問題。

6、由于SR開關磁阻電動機采用了獨特的結(jié)構(gòu)和設計方法以及相應的控制技巧，其單位處理可以與感應電動機相媲美，甚至還略占優(yōu)勢。SRD系統(tǒng)的效率和功率密度在寬廣的速度和負載范圍內(nèi)都可以維持在教導水平。

開關磁阻電動機驅(qū)動系統(tǒng)SRD系統(tǒng)的主要缺點是：

1、有轉(zhuǎn)矩脈動。從工作原理可知，S開關磁阻電動機轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是由一些列脈沖轉(zhuǎn)矩疊加而成的，由于雙凸極結(jié)構(gòu)和磁路飽和非線性的影響，合成轉(zhuǎn)矩不是一個恒定轉(zhuǎn)矩，而有一定的諧波分量，這影響了SR電動機低速運行性能。

2、SR電動機傳動系統(tǒng)的噪聲與震動比一般電動機大。

3、SR電動機的出線頭較多，如三相SR 電動機至少有四根出線頭，四相SR電動機至少有五根出線頭，而且還有位置檢測器出線端。

上述缺點通過對電動汽車電機進行精心設計，采取適當措施，并從控制角度考慮采用合理策略可以得到改進。

家電原理

   由SRD的結(jié)構(gòu)、原理及特點介紹可見其有著極其廣泛的應用領域，現(xiàn)僅就SRD在家用電器領域的應用作簡單介紹如下 。

當今世界家用電器的發(fā)展趨勢可歸結(jié)為兩句話：“黑色家電數(shù)字化，白色家電調(diào)速化?！?“白色家電”是指空調(diào)、冰箱、洗衣機等，其共同特點是都用電動機作動力。老一代的白色家電一般均采用不調(diào)速的電動機。這對于進一步提高其功能和檔次已成為障礙，這類家用電器技術進步的總趨勢是采用具有現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)的電動機來取代不調(diào)速的電動機。這里最具資格的當數(shù)無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)和開關磁阻調(diào)速電動機系統(tǒng)。而在某些性能及性價比方面，開關磁阻調(diào)速電動機系統(tǒng)占有一定的優(yōu)勢。

洗衣機應用

   現(xiàn)今，世界上使用面廣、為廣大用戶所接受的洗衣機主要有兩大類：一類是波輪式全自動洗衣機；另一類是滾筒式全自動洗衣機。

這兩類洗衣機對電動機有著共同的性能要求：洗滌時要電動機低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，且能頻繁地正反轉(zhuǎn)；脫水時要電機能高速旋轉(zhuǎn)。

長期以來，這兩類洗衣機基本上都采用了一種變極雙速單相感應電動機而勉強達到使用要求，但缺點是很明顯的：

● 調(diào)速性能差，在洗滌時只有一種轉(zhuǎn)速難以適應各種織物對洗滌轉(zhuǎn)速的要求，而所謂的“強洗”、“弱洗”、“輕柔洗”等洗滌程序的變化僅僅是靠改變正反轉(zhuǎn)的持續(xù)時間而已。而且為了照顧洗滌時對轉(zhuǎn)速的要求，往往使得脫水時的轉(zhuǎn)速偏低，一般僅為400轉(zhuǎn)/分鐘至600轉(zhuǎn)/分鐘。

● 單相變極雙速感應電動機的效率很低，一般均為30%以下。而其起動電流竟是額定電流的7～8倍以上，這會對電網(wǎng)造成沖擊。

如果用開關磁阻調(diào)速電動機來取代單相變極雙速感應電動機則可以取得十分滿意的效果。

   南京瑞鵬科技有限公司成功開發(fā)了用于5kg滾筒洗衣機的SRD專用系統(tǒng)，取得了令人振奮的效果。

   系統(tǒng)的“標準洗”，滾筒的轉(zhuǎn)速為57轉(zhuǎn)/分鐘；而“輕柔洗”、“絲絨洗”滾筒轉(zhuǎn)速則為25轉(zhuǎn)/分鐘。真正做到高檔織物不損傷?！懊撍睍r滾筒轉(zhuǎn)速可在400轉(zhuǎn)/分鐘至1200轉(zhuǎn)/分鐘之間任意設定選取。

   系統(tǒng)還為洗衣機的各種動作設計了專用程序。如為正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)洗滌設計了特定的起動、加速、減速程序，可有效的提高衣物的洗凈率。為漂洗和脫水分別設計了特定的起動、均布升速程序，有效避免在脫水時由于衣物在滾筒上分布不均而造成的振動和噪聲；而對于根本不可能均勻分布的洗滌物，則可智能地為其選擇較低的脫水轉(zhuǎn)速。

   經(jīng)測試比較，同樣的衣物，同樣一個“標準洗”，本系統(tǒng)的用電量僅為普通滾筒洗衣機（雙速感應電動機為動力）的44%；其耗電、耗水、洗凈 度、脫水率、噪聲等一系列指標都達到了歐洲A類洗衣機的標準。

家電中應用

   空調(diào)、電冰箱的核心部件是壓縮機，可是如今進入千家萬戶的普通空調(diào)、電冰箱的壓縮機大都是由單相異步電動機來驅(qū)動的。它的缺點表現(xiàn)為：一、由于他們采用簡單的通斷式來進行控溫，這樣將帶來許多毛病，如系統(tǒng)效率低、功率因素低、溫度起伏大、因起動電流大而對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊等。二、如今出現(xiàn)了“變頻空調(diào)”新產(chǎn)品，它采用異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)來取代單相異步電動機。相比較而言，變頻空調(diào)具有制冷速度快、環(huán)境舒適度好、對電網(wǎng)無沖擊、運行噪聲小、效率高和節(jié)能等一系列優(yōu)點，是空調(diào)升級換代的革命性措施。但變頻調(diào)速系統(tǒng)在運行中、低速時，機械特性通常變差，系統(tǒng)效率和功率因素下降明顯。而變頻空調(diào)系統(tǒng)壓縮機的電動機恰恰絕大多數(shù)時間在中、低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下運行，只是剛開始時是高速運轉(zhuǎn)。因此，這給變頻空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)越性大大的打了個折扣。

   而開關磁阻調(diào)速電動機系統(tǒng)除了具有變頻調(diào)速系統(tǒng)的一系列優(yōu)點外，它具有比變頻調(diào)速系統(tǒng)更高的電能 — 機械能轉(zhuǎn)換效率，特別是在中、低轉(zhuǎn)速運行時，這一優(yōu)勢就更加明顯。這一點在此就不再贅述。

發(fā)展展望

   作為一種新型調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)，開關磁阻電機以其結(jié)構(gòu)簡單、低成本、高效率、優(yōu)良的調(diào)速性能和靈活的可控性，愈來愈得到人們的認可和應用。已成功應用于在電動車用驅(qū)動系統(tǒng)、家用電器、工業(yè)應用、伺服系統(tǒng)、高速驅(qū)動、航空航天等眾多領域中，成為交流電機調(diào)速系統(tǒng)、直流電機調(diào)速系統(tǒng)和無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)的強有力競爭者。

   美國、加拿大、埃及等國家都開展了SRD系統(tǒng)的研制工作。在國外的應用中，SRD一般用于牽引中，例如電瓶車和電動汽車。同時高速性能是SRD的一個特長的方向。據(jù)報道，美國為空間技術研制了一個25000r/min、90kW的高速SRD樣機。SRD系統(tǒng)的研究已被列入我國中、小型電機“八五”、“九五”和“十五”科研規(guī)劃項目。

   華中科技大學開關磁阻電機課題組在“九五”項目中研制出使用SRD的純電動轎車，在“十五”項目中將SRD應用到混合動力城市公交車，均取得了較好的運行效果。紡織機械研究所將SRD應用于毛巾印花機、卷布機，煤礦牽引及電動車輛等，取得了顯著的經(jīng)濟效益。

現(xiàn)如今功率電子技術,數(shù)字信號處理技術和控制技術的快速發(fā)展，而且隨著智能技術的不斷成熟及高速高效低價格的數(shù)字信號處理芯片（DSP）的出現(xiàn)，利用高性能DSP開發(fā)各種復雜算法的間接位置檢測技術,無需附加外部硬件電路，大大提高了開關磁阻電機檢測的可靠性和適用性,必將更大限度地顯示SRD的優(yōu)越性。

   90年代進一步以計算機控制的柔性制造系統(tǒng)、主體倉庫、機器人進行裝配等組合起來，由計算機控制材料、部件的供應管理、達到全廠高效率、高質(zhì)量的全自動化均衡生產(chǎn)，設計和制造水平不斷提高，專用控制芯片和集成功率器件不斷被開發(fā)出來，開關磁阻電機性能和適用性不斷增強。隨著國民經(jīng)濟建設的日益發(fā)展，各行各業(yè)的機械化、自動化程度越來越高，為開關磁阻電機提供了巨大的潛在市場。

前景

   開關磁阻調(diào)速電動機作為最新一代無級調(diào)速系統(tǒng)尚處于深化研究開發(fā)、不斷完善提高的階段，其應用領域也在不斷拓展之中。由于SRD優(yōu)良的調(diào)速性能和極高的性能價格比，一旦推廣普及可產(chǎn)生很好的經(jīng)濟效益和社會效益，這有待于我國從事SRD科研、開發(fā)與制造的高等院校、科研院所、企業(yè)以及為數(shù)更多的用戶中的有識之士共同努力。