獨家原創:開關磁阻電機研究論文

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[摘要]我國對開關磁阻電動機調速系統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，但產業化及應用性研究工作相對滯后。由于srd的產業化，人們通常將其產品成為“開關磁阻調速電動機”。

[關鍵詞]開關磁阻電機研究

磁阻電機是指電機各磁路的磁阻隨轉子位置而改變，因而電機的磁場能量也將隨轉子位置的變化而變化，并將磁能變換成機械能。這種結構與步進電動機相似，開關磁阻電動機的運行亦遵循“磁阻最小原理”，即磁通總是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主軸線重合。當定子極勵磁時，所產生的磁力會力圖使轉子旋轉到轉子極軸線與定子極軸線重合的位置，并使勵磁繞組的電感最大。若以中定、轉子所對的位置作為起始位置，然后依次給四相繞組通電，轉子會逆著勵磁順序以逆時針方向連續旋轉：反之，則轉子會沿順時針方式轉動。可見，開關磁阻電動機的轉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。

一、開關磁阻電機驅動系統的優點

(一)電機結構簡單、堅固、維護方便甚至免維護，啟動及低速時轉矩大、電流小;高速恒功率區范圍寬、性能好，在寬廣轉速和功率訪問內都具有高輸出和高效率而且有很好的容錯能力

這使得srd電機系統在家用電器、通用工業、伺服與調速系統、牽引電機、高轉速電機、航空航天等領域得到廣泛應用。srd電機是一種機電能量轉換裝置。根據可逆原理，srd電機和傳統電機一樣，它既可將電能轉換為機械能—電動運行，在這方面的理論趨于成熟;也可將機械能轉換為電能—發電運行，其內部的能量轉換關系不能簡單看成是srd電動機的逆過程。

(二)開關磁阻電動機調速系統兼具直流、交流兩類調速系統

是繼變頻調速系統、無刷直流電動機調速系統之后發展起來的最新一代無級調速系統，是集現代微電子技術、數字技術、電力電子技術、紅外光電技術及現代電磁理論、設計和制作技術為一體的光、機、電一體化高新技術。

(三)開關磁阻電機是一種新型調速電機，調速系統兼具直流、交流兩類調速系統的優點，是繼變頻調速系統、無刷直流電動機調速系統的最新一代無極調速系統

它的結構簡單堅固，調速范圍寬，調速性能優異，且在整個調速范圍內都具有較高效率，系統可靠性高。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。控制器內包含控制電路與功率變換器，而轉子位置檢測器則安裝在電機的一端。

(四)其結構簡單，價格便宜，電機的轉子沒有繞組和磁鐵

開關磁阻電機結構簡單，性能優越，可靠性高，覆蓋功率范圍10W~5MW的各種高低速驅動調速系統。使的開關磁阻電機存在許多潛在的領域，在各種需要調速和高效率的場合均能得到廣泛使用。

電機轉子無永磁體，允許較高的溫升。由于繞組均在定子上，電機容易冷卻。效率高，損耗小。轉矩方向與電流方向無關，只需單方相繞組電流，每相一個功率開關，功率電路簡單可靠。轉子上沒有電刷結構堅固，適用于高速驅動。

轉子的轉動慣量小，有較高轉矩慣量比。調速范圍寬，控制靈活，易于實現各種再生制動能力。并具頻繁啟動（1000次／小時），正向反向運轉的特殊場合使用。

(五)且啟動電流小，啟動轉矩大，低速時更為突出

電機的繞組電流方向為單方向，電力控制電路簡單，具有較高的經濟性和可靠性。可通過機和電的統一協調設計滿足各種特殊使用要求。srd系統的組成

開關磁阻電動機調速系統主要由開關磁阻電動機、功率變換器、控制器、轉子位置檢測器四大部分組成，控制器內包含控制電路與功率變換器，而轉子位置檢測器則安裝在電機的一端，電動機與國產Y系列感應電動機同功率同機座號同外形。

二、srd系統各部件的結構

(一)開關磁阻電動機調速系統所用的開關磁阻電動機是srd中實現機電能量轉換的部件，也是srd有別于其他電動機驅動系統的主要標志

srd系雙凸極可變磁阻電動機，其定、轉子的凸極均由普通硅鋼片疊壓而成。轉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接起來，稱為“一相”，srd電動機可以設計成多種不同相數結構，且定、轉子的極數有多種不同的搭配。相數多、步距角小，有利于減少轉矩脈動，但結構復雜，且主開關器件多，成本高，目前應用較多的是四相結構和三相結構。

(二)控制器根據位置檢測器檢測到的定轉子間相對位置信息，結合給定的運行命令(正轉或反轉)，導通相應的定子相繞組的主開關元件

對應相繞組中有電流流過，產生磁場;磁場總是趨于“磁阻最小”而產生的磁阻性電磁轉矩使轉子轉向“極對極”位置。當轉子轉到被吸引的轉子磁極與定子激磁相相重合(平衡位置)時，電磁轉矩消失。

(三)電流的方向對轉矩沒有任何影響

電動機的轉向與電流方向無關，而僅取決于相繞組的通電順序。若通電順序改變，則電機的轉向也發生改變。為保證電機能連續地旋轉，位置檢測器要能及時給出定轉子極間相對位置，使控制器能及時和準確地控制定子各相繞組的通斷，使srdsrd能產生所要求的轉矩和轉速，達到預計的性能要求。

三、srd系統工作原理

(一)電路分析

電源vcc是一直流電源，3個電感分別表示srd的三相繞組，igbt1～igbt6為與繞組相連的可控開關元件，6個二極管為對應相的續流二極管。當第一相繞組的開關管導通時，電源給第一相勵磁，電流的回路(即勵磁階段)是由電源正極→上開關管→繞組→下開關管→電源負極，如圖2(a)所示。開關管關斷時，由于繞組是一個電感，根據電工理論，電感的電流不允許突變，此時電流的續流回路(即去磁階段)是繞組→上續流二極管→電源→下續流二極管→繞組。

(二)能量轉換關系

當忽略鐵耗和各種附加損耗時，srd工作時的能量轉換過程為:通電相繞組的電感處在電感上升區域內(轉子轉向“極對極”位置)，當開關管導通時，輸入的凈電能一部分轉化為磁場儲能，一部分轉化為機械能輸出;當開關管關斷時，繞組電流通過二極管和電源續流，存儲的磁場儲能一部分轉化為電能回饋電源，另一部分則轉化為機械能輸出。

(三)電動機的運行特性

srd電動機運行速度低于ωfc(第一臨界速度)的范圍內，為了保證ψsrdax和i不超過允許值，采用改變電壓、導通角和觸發角三者中任一個或任兩個，或三者同時配合控制。當srd電動機在高于ωfc范圍運行時，在外加電壓、導通角和觸發角都一定的條件下，隨著轉速的增加，磁鏈和電流將下降，轉矩則隨著轉速的平方下降(如圖3中細實線)。為了得到恒功率特性，必須采用可控條件。但是外施電壓最大值是由電源功率變換器決定的，而導通角又不能無限增加(一般不能超過半個轉子極距)。

(四)srd電動機的運行特性

開關磁阻電機一般運行在恒轉矩區和恒功率區。在這兩個區域中，電機的實際運行特性可控。通過控制條件，可以實現在粗實線以下的任意實際運行特性。而在串勵特性區，電機的可控條件都已達極限，電機的運行特性不再可控，電機呈現自然串勵運行特性，故電機一般不會運行在此區域。

四、srd系統的特點

開關磁組電動機調速系統之所以能在現代調速系統中異軍突起，主要是因為它卓越的系統性能，主要表現在：

(一)電動機結構簡單、成本低、可用于高速運轉

srd的結構比鼠籠式感應電動機還要簡單。其突出的優點是轉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。其轉子機械強度極高，可以用于超高速運轉（如每分鐘上萬轉）。在定子方面，它只有幾個集中繞組，因此制造簡便、絕緣結構簡單。

(二)功率電路簡單可靠

因為電動機轉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srd變頻器功率電路每相需兩個功率器件。因此，開關磁阻電動機調速系統較srd變頻器功率電路中所需的功率元件少，電路結構簡單。另外，srd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，易發生直通短路燒毀功率器件。而開關磁阻電動機調速系統中每個功率開關器件均直接與電動機繞組相串聯，根本上避免了直通短路現象。

(三)系統可靠性高

從電動機的電磁結構上看，各項繞組和磁路相互獨立，各自在一定軸角范圍內產生電磁轉矩。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生一個旋轉磁場，電動機才能正常運轉。從控制結構上看，各相電路各自給一相繞組供電，一般也是相互獨立工作。

(四)起動轉矩大，起動電流低

控制器從電源側吸收較少的電流，在電機側得到較大的起動轉矩是本系統的一大特點。典型產品的數據是：起動電流為額定電流的15%時，獲得起動轉矩為100%的額定轉矩；起動電流為額定電流的30%時，起動轉矩可達其額定轉矩的250%。而其他調速系統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%的轉矩。起動電流小而轉矩大的優點還可以延伸到低速運行段，因此本系統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。

(五)適用于頻繁起停及正反向轉換運行

本系統具有的高起動轉矩、低起動電流的特點，使之在起動過程中電流沖擊小，電動機和控制器發熱較連續額定運行時還要小。可控參數多使其制動運行能與電動運行具有同樣優良的轉矩輸出能力和工作特性。二者綜合作用的結果必然使之適用于頻繁起停及正反向轉換運行，次數可達1000次/小時。

(六)可控參數多，調速性能好

控制開關磁阻電動機的主要運行參數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。可控參數多，意味著控制靈活方便。可以根據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值，即可使之運行于最佳狀態（如出力最大、效率最高等），還可使之實現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，并具有最高起動轉矩和串勵電動機的負載能力曲線。由于srd速度閉環是必備的，因此系統具有很高的穩速精度，可以很方便的構成無靜差調速系統。

(七)效率高，損耗小

本系統是一種非常高效的調速系統。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多，靈活方便，易于在寬轉速范圍和不同負載下實現高效優化控制。以3kWsrd為例，其系統效率在很寬范圍內都在87%以上，這是其它一些調速系統不容易達到的。將本系統同srdsrd變頻器鼠籠型異步電動機的系統進行比較，本系統在不同轉速和不同負載下的效率均比變頻器系統高，一般要高5～10個百分點，可通過機和電的統一協調設計滿足各種特殊使用要求。五、srd在家用電器中的應用

由srd的結構、原理及特點介紹可見其有著極其廣泛的應用領域，現僅就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展趨勢可歸結為兩句話：“黑色家電數字化，白色家電調速化。”“白色家電”是指空調、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代調速系統的電動機來取代不調速的電動機。這里最具資格的當數無刷直流電動機調速系統和開關磁阻調速電動機系統。而在某些性能及性價比方面，開關磁阻調速電動機系統占有一定的優勢。

(一)在洗衣機中的應用

目前，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速轉動，且能頻繁地正反轉；脫水時要電機能高速旋轉。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：

1.調速性能差，在洗滌時只有一種轉速難以適應各種織物對洗滌轉速的要求，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的持續時間而已。而且為了照顧洗滌時對轉速的要求，往往使得脫水時的轉速偏低，一般僅為400轉/分鐘至600轉/分鐘。

2.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，這會對電網造成沖擊。如果用開關磁阻調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。

3.經測試比較，同樣的衣物，同樣一個“標準洗”，本系統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。

(二)在空調和電冰箱的應用

空調、電冰箱的核心部件是壓縮機，可是目前進入千家萬戶的普通空調、電冰箱的壓縮機大都是由單相異步電動機來驅動的。它的缺點表現為：采用簡單的通斷式來進行控溫，這樣將帶來許多毛病，如系統效率低、功率因素低、溫度起伏大、因起動電流大而對電網產生沖擊等。而開關磁阻調速電動機系統除了具有變頻調速系統的一系列優點外，它具有比變頻調速系統更高的電能—機械能轉換效率，特別是在中、低轉速運行時，這一優勢就更加明顯。這一點在此就不再贅述。

六、小結

開關磁阻調速電動機作為最新一代無級調速系統尚處于深化研究開發、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優良的調速性能和極高的性能價格比，一旦推廣普及可產生很好的經濟效益和社會效益，這有待于我國從事srd科研、開發與制造的高等院校、科研院所、企業以及為數更多的用戶中的有識之士共同努力

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