開關磁阻電機

近日有人拿來一台“開關磁阻電機"xiangyaowomendaitibianpintiaosudianjishiyong，xiaoguoshangke。youyudiyicijiechu，zhaleyidianziliao
，yeshuoyouhenhaodexingnengheyoushi，danhaoxiangxianzaiyingyongdebushihenguangfan，shibushiyinweijiagegaoernanyituiguangne？jiagegaozainali？kannagekongzhixianghaoxianghaimeiyoubianpinqifuzama。

摘一點文章過來
圖1所示是開關磁阻電機的典型結構原理圖，電機為雙凸極結構。轉子僅由疊片疊壓而成，即無繞組也無永磁體

；定子各級上繞有集中繞組，徑向相對極的繞組串聯，構成一相。其工作原理遵循“磁阻最小原理”—磁通總是要沿磁阻最小的路徑閉合，因磁場扭曲而產生磁阻性質的電磁轉矩。順序給A—B—C—D相繞組通電，則轉子便按逆時針方向連續轉動起來。當主開關管S1
、S2導通時，A時繞組從直流電源V吸收電能；而當S1
、S2關斷時，繞組電流通過續流二級管D1
、D2
，將剩餘能量回饋給電源V。因此，開關磁阻電機具有再生的能力，係統效率高。對開關磁阻電機的理論研究和實踐證明，該係統具有顯著的特點：①電機結構簡單
、堅固、製造工藝簡單，成本低，可工作於極高轉速；定子線圈嵌放容易
，端部短而牢固，工作可靠，能適用於各種惡劣、高溫甚至強振動環境。②損耗主要產生在定子，電機易於冷卻
；轉子無永磁體
，無高溫退磁現象；可允許有較高的升溫。③轉矩方向與電流方向無關，從而可最大限度簡化功率變換器，降低係統成本。④功率變換器不會出現直通故障
，可靠性高。⑤起動轉矩大
，低速性能好
，無感應電動機在起動時所出現的衝擊電流現象。⑥調速範圍寬，控製靈活
，易於實現各種特殊要求的轉矩－速度特性。⑦在寬廣的轉速和功率範圍內都具有高效率。⑧能四象限運作，具有較強的再生製動能力。
與當前廣泛應用的變頻調速感應電動機相比
，開關磁阻電機在成本
、效率、調速性能、單位體積功率、可靠性
、散熱性等具有明顯的優勢或競爭力
、圖2是不同功率等級開關磁阻電機和變頻調速感應電機的效率比較（功率均折算到1500r/min）
，如果說第一帶開關磁阻電機（1983年研製）在小功率範圍的效率比高效變頻調速感應電機低，第二代開關磁阻電機（1988年研製）dexiaolvyiquanmianchaoguolegaoxiaobianpintiaosuganyingdiandongji。gengnandedeshi，kaiguancizudianjizaikuanguangdesuduhegonglvfanweineidounengbaochijiaogaodexiaolv，zheshibianpintiaosuchengganyingdiandongjinanyibinide。ganyingdiandongjiyaoqudeyuzhiliudianjixiangjindetiaosutexingxucaiyongfuzadeshiliangkongzhixitong
，erkaiguancizudianjitongguotiaosukaitongdu
、關斷度、電壓和電流
，可以得到不同負載要求的機械特性
，控製簡單、靈(ling)活(huo)，能(neng)容(rong)易(yi)地(di)實(shi)現(xian)軟(ruan)啟(qi)動(dong)和(he)四(si)象(xiang)限(xian)運(yun)作(zuo)，而(er)且(qie)由(you)於(yu)這(zhe)是(shi)一(yi)種(zhong)純(chun)邏(luo)輯(ji)的(de)控(kong)製(zhi)方(fang)式(shi)，很(hen)容(rong)易(yi)智(zhi)能(neng)化(hua)，通(tong)過(guo)修(xiu)改(gai)軟(ruan)件(jian)調(tiao)整(zheng)電(dian)機(ji)工(gong)作(zuo)特(te)性(xing)滿(man)足(zu)不(bu)同(tong)應(ying)用(yong)要(yao)求(qiu)。與(yu)變(bian)頻(pin)調(tiao)速(su)的(de)另(ling)一(yi)類(lei)電(dian)機(ji)——永磁無刷直流電機相比，開關磁阻電機在成本、調速性能、可靠性和散熱性等依然保持優勢，但和變頻感應電動機一樣都存在勵磁懲罰（即勵磁電損耗）的問題

，效率和單位體積功率稍顯不足。但在一些應用場合，開關磁阻電機在效率和輸出功率依然具有優勢。

再摘一些文章——
1 發展簡介
   開關磁阻電機(Switched Reluctance Motor, SRM)最早可以追溯到1970年，英國Leeds大學步進電機研究小組首創一個開關磁阻電機雛形。到1972年進一步對帶半導體開關的小功率電動機(10w～1kw)進行了研究。1975年有了實質性的進展，並一直發展到可以為50kw的電瓶汽車提供裝置。1980年在英國成立了開關磁阻電機驅動裝置有限公司(SRD Ltd.)，專門進行SRD係統的研究、開發和設計。1983年英國(SRD Ltd.)首先推出了SRD係列產品
，該產品命名為OULTON。1984年TASC驅動係統公司也推出了他們的產品。另外SRD Ltd. 研製了一種適用於有軌電車的驅動係統，到1986年已運行500km。該(gai)產(chan)品(pin)的(de)出(chu)現(xian)，在(zai)電(dian)氣(qi)傳(chuan)動(dong)界(jie)引(yin)起(qi)不(bu)小(xiao)的(de)反(fan)響(xiang)。在(zai)很(hen)多(duo)性(xing)能(neng)指(zhi)標(biao)上(shang)達(da)到(dao)了(le)出(chu)人(ren)意(yi)料(liao)的(de)高(gao)水(shui)平(ping)，整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)的(de)綜(zong)合(he)性(xing)能(neng)價(jia)格(ge)指(zhi)標(biao)達(da)到(dao)或(huo)超(chao)過(guo)了(le)工(gong)業(ye)中(zhong)長(chang)期(qi)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)的(de)一(yi)些(xie)變(bian)速(su)傳(chuan)動(dong)係(xi)統(tong)。下(xia)表(biao)是(shi)當(dang)時(shi)對(dui)幾(ji)種(zhong)常(chang)用(yong)變(bian)速(su)傳(chuan)動(dong)係(xi)統(tong)各(ge)項(xiang)主(zhu)要(yao)經(jing)濟(ji)指(zhi)標(biao)所(suo)作(zuo)的(de)比(bi)較(jiao)。成(cheng)本(ben) 1.0 1.5 1.0
美國、加拿大
、南斯拉夫、埃及等國家也都開展了SRD係統的研製工作。在國外的應用中，SRD一般用於牽引中，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。據報道，美國為空間技術研製了一個25000r/min、90kW的高速SRD樣機。我國大約在1985年才開始對SRD係統進行研究。SRD係統的研究已被列入我國中、小型電機“八五”、“九五”和“十五”科研規劃項目。華中科技大學開關磁阻電機課題組在“九五”項目中研製出使用SRD的純電動轎車
，在“十五”項目中將SRD應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應用於毛巾印花機、卷布機，煤礦牽引及電動車輛等

，取得了顯著的經濟效益。
從上世紀90年代國際會議的上有關SRD係統的文章來看
，對SRD係統的研究工作已經從論證它的優點、開發應用階段進入到設計理論、優化設計研究階段。對SR電機、控製器、功率變換器等的運行理論


、優化設計
、結構形式等方麵進行了更加深入的研究。

2 SRD係統的特點
SR電機係統具有一些很有特色的優點：
(1)電機結構簡單、堅固
、製造工藝簡單，成本低

，可工作於極高轉速;定子線圈嵌放容易
，端部尺寸短而牢固。工作可靠

，能適用於各種惡劣、高溫甚至強振動環境;
(2)損耗主要產生在定子

，電機易於冷卻;轉子無永磁體高溫退磁現象:可允許有較高的溫度;
(3)轉矩方向與電流方向無關，因而可簡化功率變換器，降低係統成本。同時功率變換器不會出現直通故障
，可靠性高；
(4)起動轉矩大，低速性能好
，無感應電動機在起動時所出現的衝擊電流現象。
(5)調速範圍寬，控製靈活，易於實現各種特殊要求的轉矩-速度特性;
(6)在較廣的轉速和功率範圍內具有較高的效率。能四象限運行
，具有較強的再生製動能力;
(7)有很好的容錯能力

，可以缺相運行。

   這些優點使得SR電機係統在家用電器、通用工業、伺服與調速係統、牽引電機、高轉速電機等方麵的到廣泛的應用。
   早期的SRD由於很少考慮電機的噪聲，所有的樣機或產品都具有相對較大的噪聲，以至於成為SRD的一大特點而為人們接受。同時
，SRD還具有很大的轉矩脈動。目前，轉矩脈動和噪聲這兩個突出問題已經製約了SRD的進一步推廣和應用。隨著研究的深入，降低SR電機的噪聲和減小轉矩脈動成了SRD的研究熱點。

3 SRD係統構成
   SRD係統主要由四部分組成:SR電機本體
、功率變換器、控製器及位置和電流檢測器。它們之間的關係如圖1所示：
3.1 SR電機本體
   SR電機本體是SRD的執行元件， 如圖2所示開關磁阻電機的電機結構原理圖，電機為了增加出力而設計成雙凸極結構，轉子僅由矽鋼疊片疊壓而成，既無繞組也無永磁體;定子各極上有集中繞組，徑向相對極的繞組串聯，構成一相。其工作原理遵循“磁阻最小原理”——磁通總是要沿磁阻最小的路徑閉合
，因此磁場扭曲而產生磁阻性質的電磁轉矩。若順序給D-A-B-C-D相繞組通電,則轉子便按逆時針方向連續轉動起來。當主開關管S1、S2導通時
，A相繞組從直流電源V吸收電能;當S1、S2關斷時,繞組電流通過續流二級管D1
、D2將剩餘的能量回饋給電源。
3.2 功率變換器
   功率變換器是開關磁阻電動機運行時所需能量的供給者
，是連接電源和電動機繞組的功率開關部件。
   80年代初
，主開關器件皆用SCR。鑒於SRD電流脈衝峰值較大
，而SCR電流峰值/平均電流比值高，能承受很大的浪湧衝擊，一度被視為SRD中最理想的主開關器件。但SCR無自關斷能力
，開關頻率低，強迫換相電路成本高，可靠性差
，構成的SRD總體性能有局限。後來較多應用GTR，但GTR承受浪湧電流能力差，存在二次擊穿問題，不易保護，限製了其在高壓、大功率場合下的應用。
   80年代中期，結合了SCR、GTR兩者優點的GTO受到重視。因GTO兼有自關斷
、快速開關能力，能承受較GTR高的電流、電壓。所以TASC Drives公司的OULTON SRD產品中均用GTO作主開關器件。
   近年來

，考慮到GTO在關斷時要求相當大的反向控製電流
，關斷控製實現有難度，國外小功率SRD中常用MOSFET，較大功率則采用IGBT。
功率變換器的拓撲結構與傳統逆變器有很大差異，具有多種形式
，並且與開關磁阻電動機的相數、繞組連接形式有密切的關係。其中，最常見的拓撲結構有:不對稱半橋式、直流電源分裂式等。

3.3 控製器
   SR電機的運行離不開控製器，它是實現SR電機自同步運行和發揮優良性能的關鍵。它綜合位置檢測器、電流檢測器提供的電機轉子位置、速度和電流等反饋信息，以及外部輸入的命令
，然後通過分析處理，決定控製策略，向SRD係統的功率變換器發出一係列開關信號
，進而控製SR電動機的運行。
   伴隨著微電子器件的飛速發展
，SRdianjidekongzhixitongyecongzaoqidefenlimoniqijianzuchengdejiandankongzhixitongzhujianfazhanchengweiyigaoxingnengweikongzhiqiweihexindeshuzihuakongzhixitong，xiangyingdizhuanweidianjikongzhishejidegaoxingnengshuzixinhaochuliqi(DSP)給各種高級複雜控製策略的實現提供了可能。數字控製器由具有較強的信息處理功能的CPU和he數shu字zi邏luo輯ji電dian路lu及ji接jie口kou電dian路lu等deng部bu分fen組zu成cheng。數shu字zi控kong製zhi器qi的de信xin息xi處chu理li功gong能neng大da部bu分fen是shi由you軟ruan件jian完wan成cheng。因yin此ci，軟ruan件jian也ye是shi控kong製zhi器qi的de一yi個ge重zhong要yao組zu成cheng部bu分fen。軟ruan、硬件的配合是否恰當，對控製器的性能將產生重大影響。

3.4 位置、電流檢測器
   位置檢測器是轉子位置及速度等信號的提供者。它及時向控製器提供定
、轉子極間相對位置的信號。常見的位置檢測方案有光敏式、磁敏式及接近開關等含機械的檢測方案。
電流檢測器向控製器提供SR電機繞組的電流信息，常見的電流檢測方案有:電阻采樣、霍爾元件采樣和磁敏電阻采樣等。

4 SRD係統研究熱點
   針對SRD係統的特點
，國內外學者正在進行以下幾個方麵的深入研究。

4.1 功率變換器拓撲結構設計
   由於SRD係xi統tong的de性xing能neng和he成cheng本ben很hen大da程cheng度du上shang取qu決jue於yu功gong率lv變bian換huan器qi的de性xing能neng和he成cheng本ben
，因yin此ci功gong率lv變bian換huan器qi的de研yan究jiu意yi義yi重zhong大da，目mu前qian研yan究jiu主zhu要yao集ji中zhong在zai功gong率lv變bian換huan器qi拓tuo撲pu結jie構gou設she計ji、主開關器件的選擇和使用等方麵。
SRD係統功率變換器是由一定數量的電力電子器件按照一定的拓撲結構組合而成。SRD係統功率變換器研究初期，最少量主開關器件的拓撲結構曾是研究的熱點，這是因為主開關器件的減少，意味者相應的驅動電路、huanchongdianluyijigonglvsunhaodengxiangyingjianshao，yincixitongdetijiyijichengbenhuiquanmianjiangdi。suizheyanjiushenru，zhezhongguandianbuzaitebietuchu，zhuyaoyuanyinshigezhongyijianshaozhukaiguanqijianshumudetuopujiegouzaijianshaozhukaiguanqijianshumudetongshi，youyinjinleqitazhurudianrong、diangandengwuyuanchunengyuanjianyijifuzhukaiguanqijian
，xitongdetijiyuchengbenbingweixianzhujiangdi
，qishizhizhishitongguozengjiadangezhukaiguanqijianderonglianglaijianshaozhukaiguanqijiandeshumu。yincigenglixiangdegonglvbianhuanqituopujiegouyinggaiwei:

(1)能夠獨立
、快速又精確地對SR電機各相相電流進行控製;
(2)磁場儲能盡可能地轉換為機械能輸出，當向電源回饋時應高效、快速;
(3)驅動同等功率等級的SR電機，具有最小的伏安容量
，或者同等伏安容量
，可以驅動更高功率等級的SR電機;
(4)每相主開關器件數目最少。

4.2 多目標優化控製
   在控製參數的優化方麵
，根據不同的係統要求，可選取不同的目標函數，如係統的效率最高、平均轉矩最大
、轉矩脈動係數最小等。由於SRD控製參數多
、電機模型複雜
，使得優化過程計算量大，而且得到的隻是針對單個係統的優化結果。與傳統的電機調速係統相比，SRD係統實現優化控製的難度要高一些。但是隨著各種控製理論在傳統電機調速係統中應用的研究日益深入
，它們在SRD係統中的應用也逐漸增多。如采用傳統的PI調節器，以斬波電流限為控製變量
，實現了SR電機的轉速和轉矩控製。一些現代的控製理論和方法在SR電機的控製中也得到了應用

，如模糊控製、模糊控製與PI控製結合在一起的混合式調節、滑模控製
，自適應控製
、線性回饋控製以及人工神經網絡控製等。這些現代控製技術的使用部分解決了SRD係統的非線性多變量強耦合問題，但離實用技術還有一定距離，主要表現在一些控製技術中為設計目的提出的模型太過複雜而難以用於SR電(dian)機(ji)實(shi)時(shi)控(kong)製(zhi)，而(er)有(you)的(de)為(wei)控(kong)製(zhi)目(mu)的(de)提(ti)出(chu)的(de)模(mo)型(xing)則(ze)過(guo)於(yu)簡(jian)單(dan)而(er)影(ying)響(xiang)了(le)控(kong)製(zhi)的(de)實(shi)際(ji)效(xiao)果(guo)，或(huo)者(zhe)因(yin)控(kong)製(zhi)參(can)數(shu)難(nan)於(yu)確(que)定(ding)而(er)失(shi)去(qu)實(shi)用(yong)的(de)價(jia)值(zhi)。但(dan)隨(sui)著(zhe)微(wei)電(dian)子(zi)技(ji)術(shu)和(he)高(gao)級(ji)控(kong)製(zhi)技(ji)術(shu)的(de)發(fa)展(zhan)
，這(zhe)些(xie)控(kong)製(zhi)技(ji)術(shu)必(bi)將(jiang)在(zai)SRD係統中得到切實應用。

4.3 消除轉矩脈動控製
   SR電機轉矩脈動產生機理較為複雜，受到許多因素的影響
，如電機結構

、幾何尺寸、繞組匝數
、轉速及控製參數等。由於SRM的de雙shuang凸tu極ji結jie構gou，電dian磁ci特te性xing以yi及ji開kai關guan的de非fei線xian性xing影ying響xiang，采cai用yong傳chuan統tong控kong製zhi策ce略lve得de到dao的de合he成cheng轉zhuan矩ju不bu是shi一yi恒heng定ding轉zhuan矩ju，因yin而er導dao致zhi了le相xiang當dang大da的de轉zhuan矩ju脈mai動dong。這zhe點dian限xian製zhi了leSRD在很多直接驅動領域的應用。提出有效減小轉矩脈動的方法具有十分重要的意義。
目前已有很多文獻論及這個領域，取得了一定的效果。

4.4 低噪聲控製
   針對SR電機本體
，噪聲是一個非常突出和有待解決的問題。早期的SRD由於很少考慮電機的噪聲
，所有的樣機或產品都具有相對較大的噪聲，以至於成為SRD的一大特點而為人們接受。隨著研究的深入和SR電機應用的日益廣泛，降低SR電機的噪聲成了一個關鍵的研究課題。

4.5 無轉子位置檢測
   位置檢測是SR電機同步運行的基礎，也是SR電機區別於步進電機的主要方麵之一，SR電機的各種高級控製技術都是以高精度的位置檢測為首要條件，為了得到良好的性能，SR電(dian)機(ji)的(de)控(kong)製(zhi)器(qi)需(xu)要(yao)知(zhi)道(dao)轉(zhuan)子(zi)的(de)位(wei)置(zhi)信(xin)息(xi)。目(mu)前(qian)普(pu)遍(bian)采(cai)用(yong)外(wai)裝(zhuang)光(guang)電(dian)式(shi)或(huo)磁(ci)敏(min)式(shi)等(deng)軸(zhou)位(wei)置(zhi)檢(jian)測(ce)器(qi)，這(zhe)不(bu)僅(jin)增(zeng)加(jia)了(le)係(xi)統(tong)的(de)體(ti)積(ji)和(he)成(cheng)本(ben)，而(er)且(qie)降(jiang)低(di)了(le)係(xi)統(tong)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)。為(wei)了(le)消(xiao)除(chu)軸(zhou)位(wei)置(zhi)檢(jian)測(ce)器(qi)這(zhe)一(yi)不(bu)利(li)因(yin)素(su)，無(wu)轉(zhuan)子(zi)位(wei)置(zhi)檢(jian)測(ce)技(ji)術(shu)成(cheng)為(wei)SR電機研究的一大熱點