•                                          開關(guān)磁阻電動機

    開關(guān)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(shù)、數(shù)字技術(shù)、電力電子技術(shù)、紅外光電技術(shù)及現(xiàn)代電磁理論、設(shè)計和制作技術(shù)為一體的光、機、電一體化高新技術(shù)。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(guān)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(yīng)用于家用電器、航空、航天、電子、機械及電動車輛等領(lǐng)域。

簡介

   開關(guān)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(guān)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(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(guān)磁阻電機的應(yīng)用和發(fā)展取得了明顯的進步，已成功地應(yīng)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(lǐng)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(guān)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(chǔ)理論到設(shè)計制造技術(shù)多方面的成果與進展，但產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)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(guān)磁阻調(diào)速電動機”。

SRD系統(tǒng)

    開關(guān)磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)主要由開關(guān)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(yīng)電動機同功率同機座號同外形。

工作原理

   開關(guān)磁阻電動機 調(diào)速系統(tǒng)所用的開關(guān)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(shè)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(fù)雜，且主開關(guān)器件多，成本高，現(xiàn)今應(yīng)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(dāng)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?，SR電動機的轉(zhuǎn)向與相繞組的電流方向無關(guān)，而僅取決于相繞組通電的順序。另外，從圖2可以看出，當(dāng)主開關(guān)器件S1、S2導(dǎo)通時，A相繞組從直流電源US吸收電能，而當(dāng)S1、S2關(guān)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(dǎo)通角、關(guān)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(guān)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(yīng)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(yīng)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(guān)，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(guān)。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(guān)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(guān)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(guān)磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)中每個功率開關(guān)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(guān)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(dāng)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。控制器從電源側(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(yīng)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(guān)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(dǎo)通角、相關(guān)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。可以根據(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??；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(shè)計滿足各種特殊使用要求。

優(yōu)缺點

   開關(guān)磁阻電動機傳動系統(tǒng)綜合了感應(yīng)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(guān)磁阻電動機有較大的電動機利用系數(shù)，可以是感應(yīng)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(guān)磁阻電動機的轉(zhuǎn)矩與電流極性無關(guān)，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(guān)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(guān)元件直通的危險。所以，開關(guān)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(guān)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(yīng)。

5、SRD系統(tǒng)可以通過對電流的導(dǎo)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(yīng)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(guān)磁阻電動機采用了獨特的結(jié)構(gòu)和設(shè)計方法以及相應(yīng)的控制技巧，其單位處理可以與感應(yīng)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(dǎo)水平。

開關(guān)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(guān)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(shè)計，采取適當(dāng)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(yīng)用領(lǐng)域，現(xiàn)僅就SRD在家用電器領(lǐng)域的應(yīng)用作簡單介紹如下 。

當(dāng)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(shù)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(dāng)數(shù)無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)和開關(guān)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(guān)磁阻調(diào)速電動機系統(tǒng)占有一定的優(yōu)勢。

洗衣機應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(guān)磁阻調(diào)速電動機來取代單相變極雙速感應(yīng)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(shè)定選取。

   系統(tǒng)還為洗衣機的各種動作設(shè)計了專用程序。如為正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)洗滌設(shè)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(shè)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(yīng)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(yīng)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(guān)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(guān)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(yīng)用。已成功應(yīng)用于在電動車用驅(qū)動系統(tǒng)、家用電器、工業(yè)應(yīng)用、伺服系統(tǒng)、高速驅(qū)動、航空航天等眾多領(lǐng)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(yīng)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(shù)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(xué)開關(guān)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(yīng)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(yīng)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(shù),數(shù)字信號處理技術(shù)和控制技術(shù)的快速發(fā)展，而且隨著智能技術(shù)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(fù)雜算法的間接位置檢測技術(shù),無需附加外部硬件電路，大大提高了開關(guān)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(yīng)管理、達到全廠高效率、高質(zhì)量的全自動化均衡生產(chǎn)，設(shè)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(guān)磁阻電機性能和適用性不斷增強。隨著國民經(jīng)濟建設(shè)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(guān)磁阻電機提供了巨大的潛在市場。

前景

   開關(guān)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(yīng)用領(lǐng)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。