導(dǎo)語：獨(dú)家原創(chuàng):開關(guān)磁阻電機(jī)研究論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

[摘要]我國對開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究與試制起步于20世紀(jì)80年代末90年代初，取得了從基礎(chǔ)理論到設(shè)計(jì)制造技術(shù)多方面的成果與進(jìn)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)品成為“開關(guān)磁阻調(diào)速電動機(jī)”。

[關(guān)鍵詞]開關(guān)磁阻電機(jī)研究

磁阻電機(jī)是指電機(jī)各磁路的磁阻隨轉(zhuǎn)子位置而改變，因而電機(jī)的磁場能量也將隨轉(zhuǎn)子位置的變化而變化，并將磁能變換成機(jī)械能。這種結(jié)構(gòu)與步進(jìn)電動機(jī)相似，開關(guān)磁阻電動機(jī)的運(yùn)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(dāng)定子極勵磁時，所產(chǎn)生的磁力會力圖使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子所對的位置作為起始位置，然后依次給四相繞組通電，轉(zhuǎn)子會逆著勵磁順序以逆時針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)：反之，則轉(zhuǎn)子會沿順時針方式轉(zhuǎn)動。可見，開關(guān)磁阻電動機(jī)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。

一、開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

(一)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固、維護(hù)方便甚至免維護(hù)，啟動及低速時轉(zhuǎn)矩大、電流小;高速恒功率區(qū)范圍寬、性能好，在寬廣轉(zhuǎn)速和功率訪問內(nèi)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(jī)系統(tǒng)在家用電器、通用工業(yè)、伺服與調(diào)速系統(tǒng)、牽引電機(jī)、高轉(zhuǎn)速電機(jī)、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。srd電機(jī)是一種機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置。根據(jù)可逆原理，srd電機(jī)和傳統(tǒng)電機(jī)一樣，它既可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能—電動運(yùn)行，在這方面的理論趨于成熟;也可將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能—發(fā)電運(yùn)行，其內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系不能簡單看成是srd電動機(jī)的逆過程。

(二)開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)兼具直流、交流兩類調(diào)速系統(tǒng)

是繼變頻調(diào)速系統(tǒng)、無刷直流電動機(jī)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(jì)和制作技術(shù)為一體的光、機(jī)、電一體化高新技術(shù)。

(三)開關(guān)磁阻電機(jī)是一種新型調(diào)速電機(jī)，調(diào)速系統(tǒng)兼具直流、交流兩類調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，是繼變頻調(diào)速系統(tǒng)、無刷直流電動機(jī)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(jiān)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(jī)、功率變換器、控制器與位置檢測器四部分組成?？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(jī)的一端。

(四)其結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，電機(jī)的轉(zhuǎn)子沒有繞組和磁鐵

開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，性能優(yōu)越，可靠性高，覆蓋功率范圍10W~5MW的各種高低速驅(qū)動調(diào)速系統(tǒng)。使的開關(guān)磁阻電機(jī)存在許多潛在的領(lǐng)域，在各種需要調(diào)速和高效率的場合均能得到廣泛使用。

電機(jī)轉(zhuǎn)子無永磁體，允許較高的溫升。由于繞組均在定子上，電機(jī)容易冷卻。效率高，損耗小。轉(zhuǎn)矩方向與電流方向無關(guān)，只需單方相繞組電流，每相一個功率開關(guān)，功率電路簡單可靠。轉(zhuǎn)子上沒有電刷結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，適用于高速驅(qū)動。

轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量小，有較高轉(zhuǎn)矩慣量比。調(diào)速范圍寬，控制靈活，易于實(shí)現(xiàn)各種再生制動能力。并具頻繁啟動（1000次／小時），正向反向運(yùn)轉(zhuǎn)的特殊場合使用。

(五)且啟動電流小，啟動轉(zhuǎn)矩大，低速時更為突出

電機(jī)的繞組電流方向?yàn)閱畏较?，電力控制電路簡單，具有較高的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。可通過機(jī)和電的統(tǒng)一協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)滿足各種特殊使用要求。srd系統(tǒng)的組成

開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要由開關(guān)磁阻電動機(jī)、功率變換器、控制器、轉(zhuǎn)子位置檢測器四大部分組成，控制器內(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(jī)的一端，電動機(jī)與國產(chǎn)Y系列感應(yīng)電動機(jī)同功率同機(jī)座號同外形。

二、srd系統(tǒng)各部件的結(jié)構(gòu)

(一)開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)所用的開關(guān)磁阻電動機(jī)是srd中實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的部件，也是srd有別于其他電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的主要標(biāo)志

srd系雙凸極可變磁阻電動機(jī)，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”，srd電動機(jī)可以設(shè)計(jì)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，目前應(yīng)用較多的是四相結(jié)構(gòu)和三相結(jié)構(gòu)。

(二)控制器根據(jù)位置檢測器檢測到的定轉(zhuǎn)子間相對位置信息，結(jié)合給定的運(yùn)行命令(正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn))，導(dǎo)通相應(yīng)的定子相繞組的主開關(guān)元件

對應(yīng)相繞組中有電流流過，產(chǎn)生磁場;磁場總是趨于“磁阻最小”而產(chǎn)生的磁阻性電磁轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向“極對極”位置。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到被吸引的轉(zhuǎn)子磁極與定子激磁相相重合(平衡位置)時，電磁轉(zhuǎn)矩消失。

(三)電流的方向?qū)D(zhuǎn)矩沒有任何影響

電動機(jī)的轉(zhuǎn)向與電流方向無關(guān)，而僅取決于相繞組的通電順序。若通電順序改變，則電機(jī)的轉(zhuǎn)向也發(fā)生改變。為保證電機(jī)能連續(xù)地旋轉(zhuǎn)，位置檢測器要能及時給出定轉(zhuǎn)子極間相對位置，使控制器能及時和準(zhǔn)確地控制定子各相繞組的通斷，使srdsrd能產(chǎn)生所要求的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，達(dá)到預(yù)計(jì)的性能要求。

三、srd系統(tǒng)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(guān)元件，6個二極管為對應(yīng)相的續(xù)流二極管。當(dāng)?shù)谝幌嗬@組的開關(guān)管導(dǎo)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(guān)管→繞組→下開關(guān)管→電源負(fù)極，如圖2(a)所示。開關(guān)管關(guān)斷時，由于繞組是一個電感，根據(jù)電工理論，電感的電流不允許突變，此時電流的續(xù)流回路(即去磁階段)是繞組→上續(xù)流二極管→電源→下續(xù)流二極管→繞組。

(二)能量轉(zhuǎn)換關(guān)系

當(dāng)忽略鐵耗和各種附加損耗時，srd工作時的能量轉(zhuǎn)換過程為:通電相繞組的電感處在電感上升區(qū)域內(nèi)(轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向“極對極”位置)，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，輸入的凈電能一部分轉(zhuǎn)化為磁場儲能，一部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能輸出;當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，繞組電流通過二極管和電源續(xù)流，存儲的磁場儲能一部分轉(zhuǎn)化為電能回饋電源，另一部分則轉(zhuǎn)化為機(jī)械能輸出。

(三)電動機(jī)的運(yùn)行特性

srd電動機(jī)運(yùn)行速度低于ωfc(第一臨界速度)的范圍內(nèi)，為了保證ψsrdax和i不超過允許值，采用改變電壓、導(dǎo)通角和觸發(fā)角三者中任一個或任兩個，或三者同時配合控制。當(dāng)srd電動機(jī)在高于ωfc范圍運(yùn)行時，在外加電壓、導(dǎo)通角和觸發(fā)角都一定的條件下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，磁鏈和電流將下降，轉(zhuǎn)矩則隨著轉(zhuǎn)速的平方下降(如圖3中細(xì)實(shí)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(dǎo)通角又不能無限增加(一般不能超過半個轉(zhuǎn)子極距)。

(四)srd電動機(jī)的運(yùn)行特性

開關(guān)磁阻電機(jī)一般運(yùn)行在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)。在這兩個區(qū)域中，電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行特性可控。通過控制條件，可以實(shí)現(xiàn)在粗實(shí)線以下的任意實(shí)際運(yùn)行特性。而在串勵特性區(qū)，電機(jī)的可控條件都已達(dá)極限，電機(jī)的運(yùn)行特性不再可控，電機(jī)呈現(xiàn)自然串勵運(yùn)行特性，故電機(jī)一般不會運(yùn)行在此區(qū)域。

四、srd系統(tǒng)的特點(diǎn)

開關(guān)磁組電動機(jī)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?yàn)樗吭降南到y(tǒng)性能，主要表現(xiàn)在：

(一)電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可用于高速運(yùn)轉(zhuǎn)

srd的結(jié)構(gòu)比鼠籠式感應(yīng)電動機(jī)還要簡單。其突出的優(yōu)點(diǎn)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(jī)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(jī)械強(qiáng)度極高，可以用于超高速運(yùn)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。

(二)功率電路簡單可靠

因?yàn)殡妱訖C(jī)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(jī)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(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)較srd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，srd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(jī)調(diào)速系統(tǒng)中每個功率開關(guān)器件均直接與電動機(jī)繞組相串聯(lián)，根本上避免了直通短路現(xiàn)象。

(三)系統(tǒng)可靠性高

從電動機(jī)的電磁結(jié)構(gòu)上看，各項(xiàng)繞組和磁路相互獨(dú)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(jī)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(jī)才能正常運(yùn)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(dú)立工作。

(四)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(jī)側(cè)得到較大的起動轉(zhuǎn)矩是本系統(tǒng)的一大特點(diǎn)。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(dá)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(jī)為100%的電流，鼠籠感應(yīng)電動機(jī)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(diǎn)還可以延伸到低速運(yùn)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(yùn)行的機(jī)械。

(五)適用于頻繁起停及正反向轉(zhuǎn)換運(yùn)行

本系統(tǒng)具有的高起動轉(zhuǎn)矩、低起動電流的特點(diǎn)，使之在起動過程中電流沖擊小，電動機(jī)和控制器發(fā)熱較連續(xù)額定運(yùn)行時還要小?？煽貐?shù)多使其制動運(yùn)行能與電動運(yùn)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(yùn)行，次數(shù)可達(dá)1000次/小時。

(六)可控參數(shù)多，調(diào)速性能好

控制開關(guān)磁阻電動機(jī)的主要運(yùn)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?？梢愿鶕?jù)對電動機(jī)的運(yùn)行要求和電動機(jī)的情況，采取不同控制方法和參數(shù)值，即可使之運(yùn)行于最佳狀態(tài)（如出力最大、效率最高等），還可使之實(shí)現(xiàn)各種不同的功能的特定曲線。如使電動機(jī)具有完全相同的四象限運(yùn)行能力，并具有最高起動轉(zhuǎn)矩和串勵電動機(jī)的負(fù)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)。

(七)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?yàn)橐环矫骐妱訖C(jī)繞組無銅損；另一方面電動機(jī)可控參數(shù)多，靈活方便，易于在寬轉(zhuǎn)速范圍和不同負(fù)載下實(shí)現(xiàn)高效優(yōu)化控制。以3kWsrd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(dá)到的。將本系統(tǒng)同srdsrd變頻器鼠籠型異步電動機(jī)的系統(tǒng)進(jìn)行比較，本系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速和不同負(fù)載下的效率均比變頻器系統(tǒng)高，一般要高5～10個百分點(diǎn)，可通過機(jī)和電的統(tǒng)一協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)滿足各種特殊使用要求。五、srd在家用電器中的應(yīng)用

由srd的結(jié)構(gòu)、原理及特點(diǎn)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?！薄鞍咨译姟笔侵缚照{(diào)、冰箱、洗衣機(jī)等，其共同特點(diǎn)是都用電動機(jī)作動力。老一代的白色家電一般均采用不調(diào)速的電動機(jī)。這對于進(jìn)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(jìn)步的總趨勢是采用具有現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)的電動機(jī)來取代不調(diào)速的電動機(jī)。這里最具資格的當(dāng)數(shù)無刷直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和開關(guān)磁阻調(diào)速電動機(jī)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(jī)系統(tǒng)占有一定的優(yōu)勢。

(一)在洗衣機(jī)中的應(yīng)用

目前，世界上使用面廣、為廣大用戶所接受的洗衣機(jī)主要有兩大類：一類是波輪式全自動洗衣機(jī)；另一類是滾筒式全自動洗衣機(jī)。

這兩類洗衣機(jī)對電動機(jī)有著共同的性能要求：洗滌時要電動機(jī)低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，且能頻繁地正反轉(zhuǎn)；脫水時要電機(jī)能高速旋轉(zhuǎn)。長期以來，這兩類洗衣機(jī)基本上都采用了一種變極雙速單相感應(yīng)電動機(jī)而勉強(qiáng)達(dá)到使用要求，但缺點(diǎn)是很明顯的：

1.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(qiáng)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。

2.單相變極雙速感應(yīng)電動機(jī)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(jī)來取代單相變極雙速感應(yīng)電動機(jī)則可以取得十分滿意的效果。

3.經(jīng)測試比較，同樣的衣物，同樣一個“標(biāo)準(zhǔn)洗”，本系統(tǒng)的用電量僅為普通滾筒洗衣機(jī)（雙速感應(yīng)電動機(jī)為動力）的44%；其耗電、耗水、洗凈度、脫水率、噪聲等一系列指標(biāo)都達(dá)到了歐洲A類洗衣機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)。

(二)在空調(diào)和電冰箱的應(yīng)用

空調(diào)、電冰箱的核心部件是壓縮機(jī)，可是目前進(jìn)入千家萬戶的普通空調(diào)、電冰箱的壓縮機(jī)大都是由單相異步電動機(jī)來驅(qū)動的。它的缺點(diǎn)表現(xiàn)為：采用簡單的通斷式來進(jìn)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。而開關(guān)磁阻調(diào)速電動機(jī)系統(tǒng)除了具有變頻調(diào)速系統(tǒng)的一系列優(yōu)點(diǎn)外，它具有比變頻調(diào)速系統(tǒng)更高的電能—機(jī)械能轉(zhuǎn)換效率，特別是在中、低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時，這一優(yōu)勢就更加明顯。這一點(diǎn)在此就不再贅述。

六、小結(jié)

開關(guān)磁阻調(diào)速電動機(jī)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(jì)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

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