开关磁阻电机发展概况1 发展简介开关磁阻电机(Swi tched Reluc tance Mot or, 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(SRDLtd.),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0ULT0N1984年TASC驱动系统公司也推出了他们的产品另外 SRDLtd.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附表 几种常见变速传动系统主要经济宿标比较表系统类型比较项目直流调 速系统PWM变频 调速系统开关磁阻 调速系统成本1.01.51.0效率〔％〉额定转速时1/2额767783定转速时6 56580电动机容量/体积1・0二1・0控制能力1-00-50-9控制电踣复杂性1・01 •呂1・2可靠性1.00・91・12 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3 SRD系统构成SRD系统主要由四部分组成:SR电机本体、功率变换器、控制器及位置和电流检测器。
它们之间的关系如图1所示:图1 开关磁阻电机驱动系统(SRD)框图3.1 SR电机本体SR电机本体是SRD的执行元件，如图2所示开关磁阻电机的电机结构原理图，电机为了增加出力而设计成双凸极结构，转子仅 由硅钢叠片叠压而成，既无绕组也无永磁体;定子各极上有集中绕组, 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”一一磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合，因此磁场扭曲而产生磁 阻性质的电磁转矩若顺序给D-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SI、S2导通时，A相绕组从直 流电源V吸收电能;当SI、S2关断时，绕组电流通过续流二级管D1、 D2将剩余的能量回馈给电源图2 典型的4相8/6极SRM横截面图3.2 功率变换器功率变换器是开关磁阻电动机运行时所需能量的供给者，是 连接电源和电动机绕组的功率开关部件80年代初，主开关器件皆用SCR鉴于SRD电流脉冲峰值较 大，而SCR电流峰值/平均电流比值高，能承受很大的浪涌冲击，一 度被视为SRD中最理想的主开关器件但SCR无自关断能力，开关频 率低，强迫换相电路成本高，可靠性差，构成的SRD总体性能有局限。
后来较多应用GTR，但GTR承受浪涌电流能力差，存在二次击穿问题, 不易保护，限制了其在高压、大功率场合下的应用80年代中期，结合了 SCR、GTR两者优点的GTO受到重视 因GTO兼有自关断、快速开关能力，能承受较GTR咼的电流、电压 所以TASC Drives公司的OULTON SRD产品中均用GTO作主开关器件近年来，考虑到GTO在关断时要求相当大的反向控制电流， 关断控制实现有难度，国外小功率SRD中常用MOSFET，较大功率则 采用IGBT功率变换器的拓扑结构与传统逆变器有很大差异，具有多种形式，并 且与开关磁阻电动机的相数、绕组连接形式有密切的关系其中，最 常见的拓扑结构有:不对称半桥式、直流电源分裂式等3.3 控制器SR电机的运行离不开控制器，它是实现SR电机自同步运行 和发挥优良性能的关键它综合位置检测器、电流检测器提供的电机 转子位置、速度和电流等反馈信息，以及外部输入的命令，然后通过 分析处理，决定控制策略，向SRD系统的功率变换器发出一系列开关 信号，进而控制SR电动机的运行伴随着微电子器件的飞速发展，SR电机的控制系统也从早期 的分立模拟器件组成的简单控制系统逐渐发展成为以高性能微控制 器为核心的数字化控制系统，相应地专为电机控制设计的高性能数字 信号处理器(DSP)给各种高级复杂控制策略的实现提供了可能。
数字 控制器由具有较强的信息处理功能的CPU和数字逻辑电路及接口电 路等部分组成数字控制器的信息处理功能大部分是由软件完成因 此，软件也是控制器的一个重要组成部分软、硬件的配合是否恰当， 对控制器的性能将产生重大影响3.4 位置、电流检测器位置检测器是转子位置及速度等信号的提供者它及时向控 制器提供定、转子极间相对位置的信号常见的位置检测方案有光敏 式、磁敏式及接近开关等含机械的检测方案电流检测器向控制器提供SR电机绕组的电流信息，常见的电流检测方案有:电阻采样、霍尔元件采样和磁敏电阻采样等4 SRD系统研究热点针对SRD系统的特点，国内外学者正在进行以下几个方面的深入研究4.1 功率变换器拓扑结构设计由于SRD系统的性能和成本很大程度上取决于功率变换器的 性能和成本，因此功率变换器的研究意义重大，目前研究主要集中在 功率变换器拓扑结构设计、主开关器件的选择和使用等方面SRD系统功率变换器是由一定数量的电力电子器件按照一定的拓扑结 构组合而成SRD系统功率变换器研究初期，最少量主开关器件的拓 扑结构曾是研究的热点，这是因为主开关器件的减少，意味者相应的 驱动电路、缓冲电路以及功率损耗等相应减少，因此系统的体积以及 成本会全面降低。
随着研究深入，这种观点不再特别突出，主要原因 是各种以减少主开关器件数目的拓扑结构在减少主开关器件数目的 同时，又引进了其他诸如电容、电感等无源储能元件以及辅助开关器 件，系统的体积与成本并未显著降低，其实质只是通过增加单个主开 关器件的容量来减少主开关器件的数目因此更理想的功率变换器拓 扑结构应该为:(1) 能够独立、快速又精确地对SR电机各相相电流进行控制；(2) 磁场储能尽可能地转换为机械能输出，当向电源回馈时应高效、快速;(3) 驱动同等功率等级的SR电机，具有最小的伏安容量，或者同等伏 安容量，可以驱动更高功率等级的SR电机；(4) 每相主开关器件数目最少4.2 多目标优化控制在控制参数的优化方面，根据不同的系统要求，可选取不同 的目标函数，如系统的效率最高、平均转矩最大、转矩脉动系数最小 等由于SRD控制参数多、电机模型复杂，使得优化过程计算量大， 而且得到的只是针对单个系统的优化结果与传统的电机调速系统相 比，SRD系统实现优化控制的难度要高一些但是随着各种控制理论 在传统电机调速系统中应用的研究日益深入，它们在SRD系统中的应 用也逐渐增多如采用传统的 PI 调节器，以斩波电流限为控制变量， 实现了 SR电机的转速和转矩控制。
一些现代的控制理论和方法在SR 电机的控制中也得到了应用，如模糊控制、模糊控制与PI控制结合 在一起的混合式调节、滑模控制，自适应控制、线性回馈控制以及人 工神经网络控制等这些现代控制技术的使用部分解决了 SRD系统的 非线性多变量强耦合问题，但离实用技术还有一定距离，主要表现在 一些控制技术中为设计目的提出的模型太过复杂而难以用于SR电机 实时控制，而有的为控制目的提出的模型则过于简单而影响了控制的 实际效果，或者因控制参数难于确定而失去实用的价值但随着微电 子技术和高级控制技术的发展，这些控制技术必将在SRD系统中得到 切实应用4.3 消除转矩脉动控制SR电机转矩脉动产生机理较为复杂，受到许多因素的影响， 如电机结构、几何尺寸、绕组匝数、转速及控制参数等由于SRM的 双凸极结构，电磁特性以及开关的非线性影响，采用传统控制策略得 到的合成转矩不是一恒定转矩，因而导致了相当大的转矩脉动这点 限制了 SRD在很多直接驱动领域的应用提出有效减小转矩脉动的方 法具有十分重要的意义目前已有很多文献论及这个领域，取得了一定的效果4.4 低噪声控制针对SR电机本体，噪声是一个非常突出和有待解决的问题。
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随着研究的 深入和SR电机应用的日益广泛，降低SR电机的噪声成了一个关键的 研究课题4.5 无转子位置检测位置检测是SR电机同步运行的基础，也是SR电机区别于步 进电机的主要方面之一，SR电机的各种高级控制技术都是以高精度 的位置检测为首要条件，为了得到良好的性能， SR 电机的控制器需 要知道转子的位置信息目前普遍采用外装光电式或磁敏式等轴位置 检测器，这不仅增加了系统的体积和成本，而且降低了系统的可靠性 为了消除轴位置检测器这一不利因素，无转子位置检测技术成为 SR 电机研究的一大热点。