开关磁阻电动机

开关磁阻电动机调速系统主要由开关磁阻电动机(SRM)、功率变换器、控制器、转子位置检测器四大部分组成，系统框图如图1。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，电动机与国产Y系列感应电动机同功率同机座号同外形。

图1 SRM系统框图

开关磁阻电动机 调速系统所用的开关磁阻电动机(SRM)是SRD中实现机电能量转换的部件，也是SRD有别于其他电动机驱动系统的主要标志。SRM系双凸极可变磁阻电动机，其定、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，定子极上绕有集中绕组，径向相对的两个绕组联接起来，称为"一相"，SR电动机可以设计成多种不同相数结构，且定、转子的极数有多种不同的搭配。相数多、步距角小，有利于减少转矩脉动，但结构复杂，且主开关器件多，成本高，现今应用较多的是四相(8/6)结构和三相(12/8)结构。

图2示出四相(8/6)结构SR电动机原理图。为简单计，图中只画出A相绕组及其供电电路。SR电动机的运行原理遵循"磁阻最小原理"- '磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，而具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必使自己的主轴线与磁场的轴线重合。图2中，当定子D-D'极励磁时，1-1'向定子轴线D-D'重合的位置转动，并使D相励磁绕组的电感最大。若以图中定、转子所处的相对位置作为起始位置，则依次给D→A→B→C相绕组通电，转子即会逆着励磁顺序以逆时针方向连续旋转;反之，若依次给B→A→D→C相通电，则电动机即会沿顺时针方向转动。可见，SR电动机的转向与相绕组的电流方向无关，而仅取决于相绕组通电的顺序。另外，从图2可以看出，当主开关器件S1、S2导通时，A相绕组从直流电源US吸收电能，而当S1、S2关断时，绕组电流经续流二极管VD1、VD2继续流通，并回馈给电源US。因此，SR电动机传动的共性特点是具有再生作用，系统效率高。

图2 四相8/6级SR电动机典型结构(只画出一相)

由此可见，通过控制加到SR电动机绕组中电流脉冲的幅值、宽度及其与转子的相对位置(即导通角、关断角)，即可控制SR电动机转矩的大小与方向，这正是SR电动机调速控制的基本原理。

我国对开关磁阻电动机调速系统的研究与试制起步于20世纪80年代末90年代初，取得了从基础理论到设计制造技术多方面的成果与进展，但产业化及应用性研究工作相对滞后。由于SRD的产业化，人们通常将其产品称为"开关磁阻调速电动机"。

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。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。控制器内包含功率变换器和控制电路，而转子位置检测器则安装在电机的一端。

现如今，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100,000 r/min。

开关磁阻电动机传动系统综合了感应电动机传动系统和直流电动汽车电机传动系统的优点，是这些传动系统的有力竞争者，其主要优点如下:

1、开关磁阻电动机有较大的电动机利用系数，可以是感应电动机利用系数的1.2~1.4倍。

2、电动机的结构简单，转子上没有任何形式的绕组;定子上只有简单的集中绕组，端部较短，没有相间跨接线。因此，具有制造工序少、成本低、工作可靠、维修量小等特点。

3、开关磁阻电动机的转矩与电流极性无关，只需要单向的电流激励，理想上公率变换电路中每相可以只用一个开关元件，且与电动机绕组串联，不会像PWM逆变器电源那样，存在两个开关元件直通的危险。所以，开关磁阻电动机驱动系统SED线路简单，可靠性高，成本低于PWM交流调速系统。

4、开关磁阻电动机转子的结构形式对转速限制小，可制成高转速电动机，而且转子的转动惯量小，在电流每次换相时又可以随时改变相匝转矩的大小和方向，因而系统有良好的动态响应。

5、SRD系统可以通过对电流的导通、断开和对幅值的控制，得到满足不同负载要求的机械特性，易于实现系统的软启动和四象限运行等功能，控制灵活。又由于SRD系统是自同步系统运行，不会像变频供电的感应电动机那样在低频时出现不稳定和振荡问题。

6、由于SR开关磁阻电动机采用了独特的结构和设计方法以及相应的控制技巧，其单位处理可以与感应电动机相媲美，甚至还略占优势。SRD系统的效率和功率密度在宽广的速度和负载范围内都可以维持在教导水平。

开关磁阻电动机驱动系统SRD系统的主要缺点是:

1、有转矩脉动。从工作原理可知，S开关磁阻电动机转子上产生的转矩是由一些列脉冲转矩叠加而成的，由于双凸极结构和磁路饱和非线性的影响，合成转矩不是一个恒定转矩，而有一定的谐波分量，这影响了SR电动机低速运行性能。

2、SR电动机传动系统的噪声与震动比一般电动机大。

3、SR电动机的出线头较多，如三相SR 电动机至少有四根出线头，四相SR电动机至少有五根出线头，而且还有位置检测器出线端。

上述缺点通过对电动汽车电机进行精心设计，采取适当措施，并从控制角度考虑采用合理策略可以得到改进。

开关磁阻调速电动机作为最新一代无级调速系统尚处于深化研究开发、不断完善提高的阶段，其应用领域也在不断拓展之中。由于SRD优良的调速性能和极高的性能价格比，一旦推广普及可产生很好的经济效益和社会效益，这有待于我国从事SRD科研、开发与制造的高等院校、科研院所、企业以及为数更多的用户中的有识之士共同努力。

由SRD的结构、原理及特点介绍可见其有着极其广泛的应用领域，现仅就SRD在家用电器领域的应用作简单介绍如下 。

当今世界家用电器的发展趋势可归结为两句话:"黑色家电数字化，白色家电调速化。" "白色家电"是指空调、冰箱、洗衣机等，其共同特点是都用电动机作动力。老一代的白色家电一般均采用不调速的电动机。这对于进一步提高其功能和档次已成为障碍，这类家用电器技术进步的总趋势是采用具有现代调速系统的电动机来取代不调速的电动机。这里最具资格的当数无刷直流电动机调速系统和开关磁阻调速电动机系统。而在某些性能及性价比方面，开关磁阻调速电动机系统占有一定的优势。

现今，世界上使用面广、为广大用户所接受的洗衣机主要有两大类:一类是波轮式全自动洗衣机;另一类是滚筒式全自动洗衣机。

这两类洗衣机对电动机有着共同的性能要求:洗涤时要电动机低转速转动，且能频繁地正反转;脱水时要电机能高速旋转。

长期以来，这两类洗衣机基本上都采用了一种变极双速单相感应电动机而勉强达到使用要求，但缺点是很明显的:

● 调速性能差，在洗涤时只有一种转速难以适应各种织物对洗涤转速的要求，而所谓的"强洗"、"弱洗"、"轻柔洗"等洗涤程序的变化仅仅是靠改变正反转的持续时间而已。而且为了照顾洗涤时对转速的要求，往往使得脱水时的转速偏低，一般仅为400转/分钟至600转/分钟。

● 单相变极双速感应电动机的效率很低，一般均为30%以下。而其起动电流竟是额定电流的7~8倍以上，这会对电网造成冲击。

如果用开关磁阻调速电动机来取代单相变极双速感应电动机则可以取得十分满意的效果。

南京瑞鹏科技有限公司成功开发了用于5kg滚筒洗衣机的SRD专用系统，取得了令人振奋的效果。

系统的"标准洗"，滚筒的转速为57转/分钟;而"轻柔洗"、"丝绒洗"滚筒转速则为25转/分钟。真正做到高档织物不损伤。"脱水"时滚筒转速可在400转/分钟至1200转/分钟之间任意设定选取。

系统还为洗衣机的各种动作设计了专用程序。如为正转、反转洗涤设计了特定的起动、加速、减速程序，可有效的提高衣物的洗净率。为漂洗和脱水分别设计了特定的起动、均布升速程序，有效避免在脱水时由于衣物在滚筒上分布不均而造成的振动和噪声;而对于根本不可能均匀分布的洗涤物，则可智能地为其选择较低的脱水转速。

经测试比较，同样的衣物，同样一个"标准洗"，本系统的用电量仅为普通滚筒洗衣机(双速感应电动机为动力)的44%;其耗电、耗水、洗净度、脱水率、噪声等一系列指标都达到了欧洲A类洗衣机的标准。

空调、电冰箱的核心部件是压缩机，可是如今进入千家万户的普通空调、电冰箱的压缩机大都是由单相异步电动机来驱动的。它的缺点表现为:一、由于他们采用简单的通断式来进行控温，这样将带来许多毛病，如系统效率低、功率因素低、温度起伏大、因起动电流大而对电网产生冲击等。二、如今出现了"变频空调"新产品，它采用异步电动机变频调速系统来取代单相异步电动机。相比较而言，变频空调具有制冷速度快、环境舒适度好、对电网无冲击、运行噪声小、效率高和节能等一系列优点，是空调升级换代的革命性措施。但变频调速系统在运行中、低速时，机械特性通常变差，系统效率和功率因素下降明显。而变频空调系统压缩机的电动机恰恰绝大多数时间在中、低转速状态下运行，只是刚开始时是高速运转。因此，这给变频空调系统的节能优越性大大的打了个折扣。

而开关磁阻调速电动机系统除了具有变频调速系统的一系列优点外，它具有比变频调速系统更高的电能 - 机械能转换效率，特别是在中、低转速运行时，这一优势就更加明显。这一点在此就不再赘述。

开关磁组电动机调速系统之所以能在现代调速系统中异军突起，主要是因为它卓越的系统性能，主要表现在:

结构简单;电动机结构简单、成本低、可用于高速运转。SRD的结构比鼠笼式感应电动机还要简单。其突出的优点是转子上没有任何形式的绕组，因此不会有鼠笼感应电机制造过程中铸造不良和使用过程中的断条等问题。其转子机械强度极高，可以用于超高速运转(如每分钟上万转)。在定子方面，它只有几个集中绕组，因此制造简便、绝缘结构简单。

电路可靠;功率电路简单可靠。因为电动机转矩方向与绕组电流方向无关，即只需单方相绕组电流，故功率电路可以做到每相一个功率开关。对比异步电动机绕组需流过双向电流，向其供电的PWM变频器功率电路每相需两个功率器件。因此，开关磁阻电动机调速系统较PWM变频器功率电路中所需的功率元件少，电路结构简单。另外，PWM变频器功率电路中每桥臂两个功率开关管直接跨在直流电源侧，易发生直通短路烧毁功率器件。而开关磁阻电动机调速系统中每个功率开关器件均直接与电动机绕组相串联，根本上避免了直通短路现象。因此开关磁阻调速电动机调速系统中功率电路的保护电路可以简化，即降低了成本，又有较高的工作可靠性。

系统可靠性高;系统可靠性高。从电动机的电磁结构上看，各项绕组和磁路相互独立，各自在一定轴角范围内产生电磁转矩。而不像在一般电动机中必须在各相绕组和磁路共同作用下产生一个旋转磁场，电动机才能正常运转。从控制结构上看，各相电路各自给一相绕组供电，一般也是相互独立工作。由此可知，当电动机一相绕组或控制器一相电路发生故障时，只需停止该相工作，电动机除总输出功率能力有所减小外，并无其他妨碍。

起动优点;起动转矩大，起动电流低。控制器从电源侧吸收较少的电流，在电机侧得到较大的起动转矩是本系统的一大特点。典型产品的数据是:起动电流为额定电流的15%时，获得起动转矩为100%的额定转矩;起动电流为额定电流的30%时，起动转矩可达其额定转矩的250%。而其他调速系统的起动特性与之相比，如直流电机为100%的电流，鼠笼感应电动机为300%的电流，获得100%的转矩。起动电流小而转矩大的优点还可以延伸到低速运行段，因此本系统十分合适那些需要重载起动和较长时间低速重载运行的机械。

频繁起停;适用于频繁起停及正反向转换运行。本系统具有的高起动转矩、低起动电流的特点，使之在起动过程中电流冲击小，电动机和控制器发热较连续额定运行时还要小。可控参数多使其制动运行能与电动运行具有同样优良的转矩输出能力和工作特性。二者综合作用的结果必然使之适用于频繁起停及正反向转换运行，次数可达1000次/小时。

性能好;可控参数多，调速性能好。控制开关磁阻电动机的主要运行参数和常用方法至少有四种:相导通角、相关断角、相电流幅值、相绕组电压。可控参数多，意味着控制灵活方便。可以根据对电动机的运行要求和电动机的情况，采取不同控制方法和参数值，即可使之运行于最佳状态(如出力最大、效率最高等)，还可使之实现各种不同的功能的特定曲线。如使电动机具有完全相同的四象限运行能力，并具有最高起动转矩和串励电动机的负载能力曲线。由于SRD速度闭环是必备的，因此系统具有很高的稳速精度，可以很方便的构成无静差调速系统。

效率高损耗小;效率高，损耗小。本系统是一种非常高效的调速系统。这是因为一方面电动机绕组无铜损;另一方面电动机可控参数多，灵活方便，易于在宽转速范围和不同负载下实现高效优化控制。以3kW SRD为例，其系统效率在很宽范围内都在87%以上，这是其它一些调速系统不容易达到的。将本系统同PWM变频器鼠笼型异步电动机的系统进行比较，本系统在不同转速和不同负载下的效率均比变频器系统高，一般要高5~10个百分点。

满足各种要求;可通过机和电的统一协调设计满足各种特殊使用要求。

作为一种新型调速驱动系统，开关磁阻电机以其结构简单、低成本、高效率、优良的调速性能和灵活的可控性，愈来愈得到人们的认可和应用。已成功应用于在电动车用驱动系统、家用电器、工业应用、伺服系统、高速驱动、航空航天等众多领域中，成为交流电机调速系统、直流电机调速系统和无刷直流电机调速系统的强有力竞争者。

美国、加拿大、埃及等国家都开展了SRD系统的研制工作。在国外的应用中，SRD一般用于牵引中，例如电瓶车和电动汽车。同时高速性能是SRD的一个特长的方向。据报道，美国为空间技术研制了一个25000r/min、90kW的高速SRD样机。SRD系统的研究已被列入我国中、小型电机"八五"、"九五"和"十五"科研规划项目。

华中科技大学开关磁阻电机课题组在"九五"项目中研制出使用SRD的纯电动轿车，在"十五"项目中将SRD应用到混合动力城市公交车，均取得了较好的运行效果。纺织机械研究所将SRD应用于毛巾印花机、卷布机，煤矿牵引及电动车辆等，取得了显著的经济效益。

现如今功率电子技术,数字信号处理技术和控制技术的快速发展，而且随着智能技术的不断成熟及高速高效低价格的数字信号处理芯片(DSP)的出现，利用高性能DSP开发各种复杂算法的间接位置检测技术,无需附加外部硬件电路，大大提高了开关磁阻电机检测的可靠性和适用性,必将更大限度地显示SRD的优越性。

90年代进一步以计算机控制的柔性制造系统、主体仓库、机器人进行装配等组合起来，由计算机控制材料、部件的供应管理、达到全厂高效率、高质量的全自动化均衡生产，设计和制造水平不断提高，专用控制芯片和集成功率器件不断被开发出来，开关磁阻电机性能和适用性不断增强。随着国民经济建设的日益发展，各行各业的机械化、自动化程度越来越高，为开关磁阻电机提供了巨大的潜在市场。