开关磁阻电机

[摘要]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，人们通常将其产品成为“开关磁阻调速电动机”。

[关键词]开关磁阻电机研究

磁阻电机是指电机各磁路的磁阻随转子位置而改变，因而电机的磁场能量也将随转子位置的变化而变化，并将磁能变换成机械能。这种结构与步进电动机相似，开关磁阻电动机的运行亦遵循“磁阻最小原理”，即磁通总是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主轴线重合。当定子极励磁时，所产生的磁力会力图使转子旋转到转子极轴线与定子极轴线重合的位置，并使励磁绕组的电感最大。若以中定、转子所对的位置作为起始位置，然后依次给四相绕组通电，转子会逆着励磁顺序以逆时针方向连续旋转：反之，则转子会沿顺时针方式转动。可见，开关磁阻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。

一、开关磁阻电机驱动系统的优点

(一)电机结构简单、坚固、维护方便甚至免维护，启动及低速时转矩大、电流小;高速恒功率区范围宽、性能好，在宽广转速和功率访问内都具有高输出和高效率而且有很好的容错能力

这使得srd电机系统在家用电器、通用工业、伺服与调速系统、牵引电机、高转速电机、航空航天等领域得到广泛应用。srd电机是一种机电能量转换装置。根据可逆原理，srd电机和传统电机一样，它既可将电能转换为机械能—电动运行，在这方面的理论趋于成熟;也可将机械能转换为电能—发电运行，其内部的能量转换关系不能简单看成是srd电动机的逆过程。

(二)开关磁阻电动机调速系统兼具直流、交流两类调速系统

是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统之后发展起来的最新一代无级调速系统，是集现代微电子技术、数字技术、电力电子技术、红外光电技术及现代电磁理论、设计和制作技术为一体的光、机、电一体化高新技术。

(三)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。

(四)其结构简单，价格便宜，电机的转子没有绕组和磁铁

开关磁阻电机结构简单，性能优越，可靠性高，覆盖功率范围10W~5MW的各种高低速驱动调速系统。使的开关磁阻电机存在许多潜在的领域，在各种需要调速和高效率的场合均能得到广泛使用。

电机转子无永磁体，允许较高的温升。由于绕组均在定子上，电机容易冷却。效率高，损耗小。转矩方向与电流方向无关，只需单方相绕组电流，每相一个功率开关，功率电路简单可靠。转子上没有电刷结构坚固，适用于高速驱动。

转子的转动惯量小，有较高转矩惯量比。调速范围宽，控制灵活，易于实现各种再生制动能力。并具频繁启动（1000次／小时），正向反向运转的特殊场合使用。

(五)且启动电流小，启动转矩大，低速时更为突出

电机的绕组电流方向为单方向，电力控制电路简单，具有较高的经济性和可靠性。可通过机和电的统一协调设计满足各种特殊使用要求。srd系统的组成

开关磁阻电动机调速系统主要由开关磁阻电动机、功率变换器、控制器、转子位置检测器四大部分组成，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。

二、srd系统各部件的结构

(一)开关磁阻电动机调速系统所用的开关磁阻电动机是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

srd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”，srd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，目前应用较多的是四相结构和三相结构。

(二)控制器根据位置检测器检测到的定转子间相对位置信息，结合给定的运行命令(正转或反转)，导通相应的定子相绕组的主开关元件

对应相绕组中有电流流过，产生磁场;磁场总是趋于“磁阻最小”而产生的磁阻性电磁转矩使转子转向“极对极”位置。当转子转到被吸引的转子磁极与定子激磁相相重合(平衡位置)时，电磁转矩消失。

(三)电流的方向对转矩没有任何影响

电动机的转向与电流方向无关，而仅取决于相绕组的通电顺序。若通电顺序改变，则电机的转向也发生改变。为保证电机能连续地旋转，位置检测器要能及时给出定转子极间相对位置，使控制器能及时和准确地控制定子各相绕组的通断，使srdsrd能产生所要求的转矩和转速，达到预计的性能要求。

三、srd系统工作原理

(一)电路分析

电源vcc是一直流电源，3个电感分别表示srd的三相绕组，igbt1～igbt6为与绕组相连的可控开关元件，6个二极管为对应相的续流二极管。当第一相绕组的开关管导通时，电源给第一相励磁，电流的回路(即励磁阶段)是由电源正极上开关管绕组下开关管电源负极，如图2(a)所示。开关管关断时，由于绕组是一个电感，根据电工理论，电感的电流不允许突变，此时电流的续流回路(即去磁阶段)是绕组上续流二极管电源下续流二极管绕组。

(二)能量转换关系

当忽略铁耗和各种附加损耗时，srd工作时的能量转换过程为:通电相绕组的电感处在电感上升区域内(转子转向“极对极”位置)，当开关管导通时，输入的净电能一部分转化为磁场储能，一部分转化为机械能输出;当开关管关断时，绕组电流通过二极管和电源续流，存储的磁场储能一部分转化为电能回馈电源，另一部分则转化为机械能输出。

(三)电动机的运行特性

srd电动机运行速度低于ωfc(第一临界速度)的范围内，为了保证ψsrdax和i不超过允许值，采用改变电压、导通角和触发角三者中任一个或任两个，或三者同时配合控制。当srd电动机在高于ωfc范围运行时，在外加电压、导通角和触发角都一定的条件下，随着转速的增加，磁链和电流将下降，转矩则随着转速的平方下降(如图3中细实线)。为了得到恒功率特性，必须采用可控条件。但是外施电压最大值是由电源功率变换器决定的，而导通角又不能无限增加(一般不能超过半个转子极距)。

(四)srd电动机的运行特性

开关磁阻电机一般运行在恒转矩区和恒功率区。在这两个区域中，电机的实际运行特性可控。通过控制条件，可以实现在粗实线以下的任意实际运行特性。而在串励特性区，电机的可控条件都已达极限，电机的运行特性不再可控，电机呈现自然串励运行特性，故电机一般不会运行在此区域。

四、srd系统的特点

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：

(一)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。

(二)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srd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srd变频器功率电路中所需的功率元件少，电路结构简单。另外，srd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。

(三)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。

(四)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。

(五)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。

(六)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。

(七)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3kWsrd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srdsrd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，可通过机和电的统一协调设计满足各种特殊使用要求。五、srd在家用电器中的应用

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。

(一)在洗衣机中的应用

目前，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：

1.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。

2.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。

3.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。

(二)在空调和电冰箱的应用

空调、电冰箱的核心部件是压缩机，可是目前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：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。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。

六、小结

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

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