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1、一、 开关磁阻电机的结构开关磁阻电机是典型的机电一体化装置，由开关磁阻电机本体、位置传感器、控制和功率电路等部分组成，如图1所示。位置传感器检测转子位置和速度信号，控制器根据这些信号决定绕组的导通和关断时刻，功率电路根据导通和关断信号为电机绕组供电。 图1 开关磁阻电机系统的组成 如图2所示为开关磁阻电机本体的典型结构，由定子和转子两部分组成，定、转子铁心均由硅钢片叠压而成。转子上既无绕组也无永磁铁；定子齿上绕有几种绕组，相对极上的绕组串联，构成一相绕组。开关磁阻电机可以设计为单相、二相、三相、四相及多相等不同相数，低于三相的开关磁阻电机一般没有自启动能力。相数多，有利于较小转矩波动，但结构复
2、杂，主开关器件多，成本增加。目前应用较多的是三相6/4极结构和四相8/6极结构。 图2 开关磁阻电机本体的经典结构表1 常见的定、转子级数组合项目 数 值相数m3 456定子级数Ns 6 8 10 12转子级数Nr 4 6 8 10二、开关磁阻电机的工作原理开关磁阻电机的运行遵循“磁阻最小原理”，即磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合，磁场扭曲产生切向力，从而产生电磁转矩。下面通过图示来说明转子的工作原理，下面是磁阻电动机的正视图，定子六个齿极上绕有线圈，径向相对的两个线圈是连接在一起的，组成一“相”，该电机有3相，结合定子与转子的极数就称该电机为三相6 / 4结构。在下图标注的A、B、C相线圈仅为
3、后面分析磁路带来方便，并不是连接三相交流电。 假设电机定、转子的初始状态如图3。B相线圈接通电源产生磁通，磁力线从最近的转子齿极通过转子铁芯，磁力线可看成极有弹力的线，在磁力的牵引下转子开始异时针转动；图4是转子转了10度的图，图5是B相对齐后的状态，磁力一直牵引转子与B相对齐为止不再转动，此时磁路最短。 图3 初始状态 图4 转过10后图5 B转至相对齐为了使转子继续转动，在转子转到与B相对齐后已切断B相电源，接通C相电源，磁通从最近的转子齿极通过转子铁芯，于是转子继续转动。依次类推。这样不停的重复下去，转子就会不停的旋转。这就是磁阻电动机的工作原理。由于是运用了利用磁阻最小原理，故称为磁阻
4、电动机，又由于线圈电流通断、磁通状态直接受开关控制，故称为开关磁阻电动机。若按顺序B-C-A-B依次给各组绕组通电，则转子沿逆时针方向连续旋转；反之，若按顺序C-A-B-C依次给各相绕组通电，则转子沿顺时针方向连续旋转。另外，向线圈供电的开关是用开关晶体管进行的，下面就是三相线圈与开关晶体管的连接示意图，BG1、BG2、BG3是三个开关晶体管，分别控制三相线圈A、B、C的电流通断，三极管旁边并联的二极管是用来续流的。（由于电机靠磁阻工作，跟磁通方向无关，即跟电流方向无关，故在上面运行图中没有标明磁力线的方向。） 如图6所示： 图6 三相线圈与开关晶体管的连接图在多相电机中，也常出现两相或两相以
5、上绕组同时导通的情况。m相定子绕组轮流通电一次，转子转过一个转子级距，设每相绕组开关频率为，转子级数为则开关磁阻电机的转速n(r/min)可表示为 我们可以知道该电机转子极距角为90。由于有三相绕组，故每相断电通电一次转子对应的转角（称为步距角）应为，每转步数为12。.对任意极数相数的开关磁阻电机，这一关系通常表示为：（是转子极数，m为相数）由于SR电机每转过转角，对应绕组通电切换一次，所以电机每转过一转，绕组通断切换次，当电机以转速n(r/min)，转动时，电机绕组的总通断切换频率为：每相绕组通断切换频率为：也是对应功率电路每个功率器件的开关频率。A、B、C各相线圈轮流通电看上去简单，实际情
6、况要复杂得多，线圈切断电源后产生的自感电流不会立即消失，要提前关断电源进行续流；为加大力矩相邻相线圈有电流的时间会有部分重合；调节电动机的转速、转矩也要调整开关时间，各相线圈开通与关断时间与转子定子间的相对位置直接相关，故电机还装有转子位置检测装置为准时开关各相线圈电流提供依据，何相线圈何时通断必须根据转子转到的位置与控制参数决定。三、开关磁阻电机的特点 (1）结构简单可靠，制造工艺简单，转子仅由硅钢片叠压而成，可工作于告诉场合；定子线圈为集中绕组，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；损耗主要由定子产生，易于冷却；转子无永磁体，可允许较高温升。 (2）转矩方
7、向与相电流方向无关，从而可减少功率电路的开关器件数量，降低系统成本；功率电路不会出现直通障碍，可靠性高。 (3）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。 (4）调速范围宽，控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩转速特征，能4象限运行，具有较强的再生制动能力。 (5）在宽广的转速和功率范围内都具有较高效率。 (6）由于采用双凸极结构，不可避免地存在转矩波动，噪声是其最主要的缺点。四、开关磁阻电机的应用近年来，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100000 r/m
8、in。3.1 电动车应用开关磁阻电机最初的应用领域就是电动车。目前电动摩托车和电动自行车的驱动电机主要有永磁无刷及永磁有刷两种，然而采用开关磁阻电机驱动有其独特的优势。当高能量密度和系统效率为关键指标时，开关磁阻电机变为首选对象。SRD开关磁阻电机驱动系统的电机结构紧凑牢固，适合于高速运行，并且驱动电路简单成本低、性能可靠，在宽广的转速范围内效率都比较高，而且可以方便地实现四象限控制。这些特点使SRD开关磁阻电机驱动系统很适合电动车辆的各种工况下运行，是电动车辆中极具有潜力的机种。SRD的最大特点是转矩脉动大，噪声大；此外，相对永磁电机而言，功率密度和效率偏低；另一个缺点是要使用位置传感器，增
9、加了结构复杂性，降低了可靠性。因此无传感器的SRD也是未来的发展趋势之一。其优点主要表现在以下几个方面：（1）开关磁阻电机不仅效率高，而且在很宽的功率和转速范围内都能保持高效率，这是其它类型驱动系统难以达到的。这种特性对电动车的运行情况尤为适合，有利于提高电动车的续驶里程。（2）开关磁阻电机很容易通过采用适当的控制策略和系统设计满足电动车四象限运行的要求，并且还能在高速运行区域保持强有力的制动能力。（3）开关磁阻电机有很好的散热特性，从而能以小的体积取得较大的输出功率，减小电机体积和重量。（4）通过调整开通角和关断角，开关磁阻电机完全可以达到它激直流电机驱动系统良好的控制特性，而且这是一种纯逻
10、辑的控制方式，很容易智能化，从而能通过重新编程或替换电路元件，方便地满足不同运行特性的要求。（5）开关磁阻电机无论电机还是功率变换器都十分坚固可靠，无需或很少需要维护，适用于各种恶劣、高温环境，具有良好的适应性。3.2 纺织工业应用近十多年来我国纺织机械行业的机电一体化水平有了较明显的提高，在新型纺织机械上普遍采用了机电一体化技术。这项技术的内容包含了先进的信息处理和控制技术，即以计算机为核心，有PLC、工控机、单片机、人机界面、现场总线等组成的控制系统；先进的驱动技术，有变频调速，交流伺服，步进电机等；检测传感技术和执行机构；精密机械技术等；棉纺织设备较有代表性的机电一体化产品，例如新型的粗
11、纱机、分条整经机、浆纱机等。其中，无梭织机的主传动技术也有了新的突破：采用开关磁阻电机作为无梭织机的主传动带来许多好处，减少传动齿轮、不用皮带和皮带盘，不用电磁离合器和刹车盘，不用寻纬电机，节能10%等优点，国内已有开关磁阻电机和驱动器的产品（北京中纺机电研究所），目前还在与无梭织机主机厂合作，共同开发应用技术，希望能尽快取得成功，填补国内空白。3.3 焦炭工业应用开关磁阻电机（SRD）因其起动力矩大、 起动电流小，可以频繁重载起动，无需其它的电源变压器，节能，维护简单，特别适用于矿井输送机、电牵引采煤机及中小型绞车等。90年代英国已研制成功300kW的开关磁阻电机，用于刮板输送机，效果很好。
12、我国已研制成功110kW的开关磁阻电机用于矸石山绞车 、132kW的开关磁阻电机用于带式输送机拖动，良好的起动和调速性能受到工人们的欢迎。我国还将开关磁阻电机用于电牵引采煤机牵引，运行试验表明新型采煤机性能良好。此外还成功地将开关磁阻电机用于电机车，提高了电机车运行的可靠性和效率。3.4 家电行业应用随着人们生活水平的提高，洗衣机已逐渐深入千家万户，洗衣机也经历了手动机械洗衣机、半自动洗衣机、全自动洗衣机的发展过程，并不断智能化。洗衣机电机也由简单的有级调速电机发展为无级调速电机。开关磁阻电机由于低成本、高性能、智能化已开始应用于洗衣机，在美国高档洗衣机中已小批量采用，并取得明显的优点：（1）
13、很低的洗涤速度。（2）良好的衣物分布性。（3）滚筒平衡性好。（4）快速安全停机。（5）软起动。（6）电流限幅。（7）最大速度高，低速转矩大。（8）机械特性易调整。（9）对水温、水流等易于智能控制。五、开关磁阻电机的发展趋势展望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。目前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、南斯拉夫、埃及等国家都开展了SRD系统的研制工作。在国外的应
14、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。近年来功率电子技术,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。7
