开关磁阻电机

图1所示是开关磁阻电机的典型结构原理图，电机为双凸极结构。转子仅由叠片叠压而成，即无绕组也无永磁体；定子各级上绕有集中绕组，径向相对极的绕组串联，构成一相。其工作原理遵循“磁阻最小原理”—磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合，因磁场扭曲而产生磁阻性质的电磁转矩。顺序给A—B—C—D相绕组通电，则转子便按逆时针方向连续转动起来。当主开关管S1、S2导通时，A时绕组从直流电源V吸收电能；而当S1、S2关断时，绕组电流通过续流二级管D1、D2，将剩余能量回馈给电源V。因此，开关磁阻电机具有再生的能力，系统效率高。对开关磁阻电机的理论研究和实践证明，该系统具有显著的特点：①电机结构简单、坚固、制造工艺简单，成本低，可工作于极高转速；定子线圈嵌放容易，端部短而牢固，工作可靠，能适用于各种恶劣、高温甚至强振动环境。②损耗主要产生在定子，电机易于冷却；转子无永磁体，无高温退磁现象；可允许有较高的升温。③转矩方向与电流方向无关，从而可最大限度简化功率变换器，降低系统成本。④功率变换器不会出现直通故障，可靠性高。⑤起动转矩大，低速性能好，无感应电动机在起动时所出现的冲击电流现象。⑥调速范围宽，控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩－速度特性。⑦在宽广的转速和功率范围内都具有高效率。⑧能四象限运作，具有较强的再生制动能力。
与当前广泛应用的变频调速感应电动机相比，开关磁阻电机在成本、效率、调速性能、单位体积功率、可靠性、散热性等具有明显的优势或竞争力、图2是不同功率等级开关磁阻电机和变频调速感应电机的效率比较（功率均折算到1500r/min），如果说第一带开关磁阻电机（1983年研制）在小功率范围的效率比高效变频调速感应电机低，第二代开关磁阻电机（1988年研制）的效率已全面超过了高效变频调速感应电动机。更难得的是，开关磁阻电机在宽广的速度和功率范围内都能保持较高的效率，这是变频调速成感应电动机难以比拟的。感应电动机要取得与直流电机相近的调速特性需采用复杂的矢量控制系统，而开关磁阻电机通过调速开通度、关断度、电压和电流，可以得到不同负载要求的机械特性，控制简单、灵活，能容易地实现软启动和四象限运作，而且由于这是一种纯逻辑的控制方式，很容易智能化，通过修改软件调整电机工作特性满足不同应用要求。与变频调速的另一类电机——永磁无刷直流电机相比，开关磁阻电机在成本、调速性能、可靠性和散热性等依然保持优势，但和变频感应电动机一样都存在励磁惩罚（即励磁电损耗）的问题，效率和单位体积功率稍显不足。但在一些应用场合，开关磁阻电机在效率和输出功率依然具有优势。




1 发展简介
开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor, SRM)最早可以追溯到1970年，英国Leeds大学步进电机研究小组首创一个开关磁阻电机雏形。到1972年进一步对带半导体开关的小功率电动机(10w～1kw)进行了研究。1975年有了实质性的进展，并一直发展到可以为50kw的电瓶汽车提供装置。1980年在英国成立了开关磁阻电机驱动装置有限公司(SRD Ltd.)，专门进行SRD系统的研究、开发和设计。1983年英国(SRD Ltd.)首先推出了SRD系列产品，该产品命名为OULTON。1984年TASC驱动系统公司也推出了他们的产品。另外SRD Ltd. 研制了一种适用于有轨电车的驱动系统，到1986年已运行500km。该产品的出现，在电气传动界引起不小的反响。在很多性能指标上达到了出人意料的高水平，整个系统的综合性能价格指标达到或超过了工业中长期广泛应用的一些变速传动系统。下表是当时对几种常用变速传动系统各项主要经济指标所作的比较。成本 1.0 1.5 1.0
美国、加拿大、南斯拉夫、埃及等国家也都开展了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。我国大约在1985年才开始对SRD系统进行研究。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。
从上世纪90年代国际会议的上有关SRD系统的文章来看，对SRD系统的研究工作已经从论证它的优点、开发应用阶段进入到设计理论、优化设计研究阶段。对SR电机、控制器、功率变换器等的运行理论、优化设计、结构形式等方面进行了更加深入的研究。
2 SRD系统的特点
SR电机系统具有一些很有特色的优点：
(1)电机结构简单、坚固、制造工艺简单，成本低，可工作于极高转速;定子线圈嵌放容易，端部尺寸短而牢固。工作可靠，能适用于各种恶劣、高温甚至强振动环境;
(2)损耗主要产生在定子，电机易于冷却;转子无永磁体高温退磁现象:可允许有较高的温度;
(3)转矩方向与电流方向无关，因而可简化功率变换器，降低系统成本。同时功率变换器不会出现直通故障，可靠性高；
(4)起动转矩大，低速性能好，无感应电动机在起动时所出现的冲击电流现象。
(5)调速范围宽，控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩-速度特性;
(6)在较广的转速和功率范围内具有较高的效率。能四象限运行，具有较强的再生制动能力;
(7)有很好的容错能力，可以缺相运行。
这些优点使得SR电机系统在家用电器、通用工业、伺服与调速系统、牵引电机、高转速电机等方面的到广泛的应用。
早期的SRD由于很少考虑电机的噪声，所有的样机或产品都具有相对较大的噪声，以至于成为SRD的一大特点而为人们接受。同时，SRD还具有很大的转矩脉动。目前，转矩脉动和噪声这两个突出问题已经制约了SRD的进一步推广和应用。随着研究的深入，降低SR电机的噪声和减小转矩脉动成了SRD的研究热点。
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