開關磁阻電動機

開關磁阻電機是一種新型調速電機，調速系統兼具直流、交流兩類調速系統的優點，是繼變頻調速系統、無刷直流電動機調速系統的最新一代無極調速系統。它的結構簡單堅固，調速範圍寬，調速性能優異，且在整個調速範圍內都具有較高效率，系統可靠性高。主要有開關磁阻電機、功率變換器、控制器與位置檢測器四部分組成。控制器內包含功率變換器和控制電路，而轉子位置檢測器則安裝在電機的一端。

現如今，開關磁阻電機的應用和發展取得了明顯的進步，已成功地應用於電動車驅動、通用工業、家用電器和紡織機械等各個領域，功率範圍從10W到5MW，最大速度高達100,000 r/min。

我國對開關磁阻電動機調速系統的研究與試製起步於20世紀80年代末90年代初，取得了從基礎理論到設計製造技術多方面的成果與進展，但產業化及應用性研究工作相對滯后。由於SRD的產業化，人們通常將其產品稱為“開關磁阻調速電動機”。

開關磁阻電動機調速系統主要由開關磁阻電動機（SRM）、功率變換器、控制器、轉子位置檢測器四大部分組成，系統框圖如圖1。控制器內包含控制電路與功率變換器，而轉子位置檢測器則安裝在電機的一端，電動機與國產Y系列感應電動機同功率同機座號同外形。

圖1 SRM系統框圖

開關磁阻電動機調速系統所用的開關磁阻電動機（SRM）是SRD中實現機電能量轉換的部件，也是SRD有別於其他電動機驅動系統的主要標誌。SRM系雙凸極可變磁阻電動機，其定、轉子的凸極均由普通硅鋼片疊壓而成。轉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接起來，稱為“一相”，SR電動機可以設計成多種不同相數結構，且定、轉子的極數有多種不同的搭配。相數多、步距角小，有利於減少轉矩脈動，但結構複雜，且主開關器件多，成本高，現今應用較多的是四相（8/6）結構和三相（12/8）結構。

圖2示出四相（8/6）結構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，當定子D-D’極勵磁時，1-1'向定子軸線D-D'重合的位置轉動，並使D相勵磁繞組的電感最大。若以圖中定、轉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，轉子即會逆著勵磁順序以逆時針方向連續旋轉；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動。可見，SR電動機的轉向與相繞組的電流方向無關，而僅取決於相繞組通電的順序。另外，從圖2可以看出，當主開關器件S1、S2導通時，A相繞組從直流電源US吸收電能，而當S1、S2關斷時，繞組電流經續流二極體VD1、VD2繼續流通，並回饋給電源US。因此，SR電動機傳動的共性特點是具有再生作用，系統效率高。

圖2 四相8/6級SR電動機典型結構(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衝的幅值、寬度及其與轉子的相對位置（即導通角、關斷角），即可控制SR電動機轉矩的大小與方向，這正是SR電動機調速控制的基本原理。

開關磁阻電動機調速系統之所以能在現代調速系統中異軍突起，主要是因為它卓越的系統性能，主要表現在：

結構簡單；電動機結構簡單、成本低、可用於高速運轉。SRD的結構比鼠籠式感應電動機還要簡單。其突出的優點是轉子上沒有任何形式的繞組，因此不會有鼠籠感應電機製造過程中鑄造不良和使用過程中的斷條等問題。其轉子機械強度極高，可以用於超高速運轉（如每分鐘上萬轉）。在定子方面，它只有幾個集中繞組，因此製造簡便、絕緣結構簡單。

電路可靠；功率電路簡單可靠。因為電動機轉矩方向與繞組電流方向無關，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。對比非同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，開關磁阻電動機調速系統較PWM變頻器功率電路中所需的功率元件少，電路結構簡單。另外，PWM變頻器功率電路中每橋臂兩個功率開關管直接跨在直流電源側，易發生直通短路燒毀功率器件。而開關磁阻電動機調速系統中每個功率開關器件均直接與電動機繞組相串聯，根本上避免了直通短路現象。因此開關磁阻調速電動機調速系統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。

系統可靠性高；系統可靠性高。從電動機的電磁結構上看，各項繞組和磁路相互獨立，各自在一定軸角範圍內產生電磁轉矩。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生一個旋轉磁場，電動機才能正常運轉。從控制結構上看，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，當電動機一相繞組或控制器一相電路發生故障時，只需停止該相工作，電動機除總輸出功率能力有所減小外，並無其他妨礙。

起動優點；起動轉矩大，起動電流低。控制器從電源側吸收較少的電流，在電機側得到較大的起動轉矩是本系統的一大特點。典型產品的數據是：起動電流為額定電流的15%時，獲得起動轉矩為100%的額定轉矩；起動電流為額定電流的30%時，起動轉矩可達其額定轉矩的250%。而其他調速系統的起動特性與之相比，如直流電機為100%的電流，鼠籠感應電動機為300%的電流，獲得100%的轉矩。起動電流小而轉矩大的優點還可以延伸到低速運行段，因此本系統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；適用於頻繁起停及正反向轉換運行。本系統具有的高起動轉矩、低起動電流的特點，使之在起動過程中電流衝擊小，電動機和控制器發熱較連續額定運行時還要小。可控參數多使其制動運行能與電動運行具有同樣優良的轉矩輸出能力和工作特性。二者綜合作用的結果必然使之適用於頻繁起停及正反向轉換運行，次數可達1000次/小時。

性能好；可控參數多，調速性能好。控制開關磁阻電動機的主要運行參數和常用方法至少有四種：相導通角、相關斷角、相電流幅值、相繞組電壓。可控參數多，意味著控制靈活方便。可以根據對電動機的運行要求和電動機的情況，採取不同控制方法和參數值，即可使之運行於最佳狀態（如出力最大、效率最高等），還可使之實現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，並具有最高起動轉矩和串勵電動機的負載能力曲線。由於SRD速度閉環是必備的，因此系統具有很高的穩速精度，可以很方便的構成無靜差調速系統。

效率高損耗小；效率高，損耗小。本系統是一種非常高效的調速系統。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多，靈活方便，易於在寬轉速範圍和不同負載下實現高效優化控制。以3kW SRD為例，其系統效率在很寬範圍內都在87%以上，這是其它一些調速系統不容易達到的。將本系統同PWM變頻器鼠籠型非同步電動機的系統進行比較，本系統在不同轉速和不同負載下的效率均比變頻器系統高，一般要高5～10個百分點。

滿足各種要求；可通過機和電的統一協調設計滿足各種特殊使用要求。

開關磁阻電動機傳動系統綜合了感應電動機傳動系統和直流電動汽車電機傳動系統的優點，是這些傳動系統的有力競爭者，其主要優點如下：

1、開關磁阻電動機有較大的電動機利用係數，可以是感應電動機利用係數的1.2~1.4倍。

2、電動機的結構簡單，轉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，具有製造工序少、成本低、工作可靠、維修量小等特點。

3、開關磁阻電動機的轉矩與電流極性無關，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元件，且與電動機繞組串聯，不會像PWM逆變器電源那樣，存在兩個開關元件直通的危險。所以，開關磁阻電動機驅動系統SED線路簡單，可靠性高，成本低於PWM交流調速系統。

4、開關磁阻電動機轉子的結構形式對轉速限制小，可製成高轉速電動機，而且轉子的轉動慣量小，在電流每次換相時又可以隨時改變相匝轉矩的大小和方向，因而系統有良好的動態響應。

5、SRD系統可以通過對電流的導通、斷開和對幅值的控制，得到滿足不同負載要求的機械特性，易於實現系統的軟啟動和四象限運行等功能，控制靈活。又由於SRD系統是自同步系統運行，不會像變頻供電的感應電動機那樣在低頻時出現不穩定和振蕩問題。

6、由於SR開關磁阻電動機採用了獨特的結構和設計方法以及相應的控制技巧，其單位處理可以與感應電動機相媲美，甚至還略佔優勢。SRD系統的效率和功率密度在寬廣的速度和負載範圍內都可以維持在教導水平。

開關磁阻電動機驅動系統SRD系統的主要缺點是：

1、有轉矩脈動。從工作原理可知，S開關磁阻電動機轉子上產生的轉矩是由一些列脈衝轉矩疊加而成的，由於雙凸極結構和磁路飽和非線性的影響，合成轉矩不是一個恆定轉矩，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電動機傳動系統的雜訊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計，採取適當措施，並從控制角度考慮採用合理策略可以得到改進。

由SRD的結構、原理及特點介紹可見其有著極其廣泛的應用領域，現僅就SRD在家用電器領域的應用作簡單介紹如下。

當今世界家用電器的發展趨勢可歸結為兩句話：“黑色家電數字化，白色家電調速化。” “白色家電”是指空調、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採用不調速的電動機。這對於進一步提高其功能和檔次已成為障礙，這類家用電器技術進步的總趨勢是採用具有現代調速系統的電動機來取代不調速的電動機。這裡最具資格的當數無刷直流電動機調速系統和開關磁阻調速電動機系統。而在某些性能及性價比方面，開關磁阻調速電動機系統佔有一定的優勢。

現今，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速轉動，且能頻繁地正反轉；脫水時要電機能高速旋轉。

長期以來，這兩類洗衣機基本上都採用了一種變極雙速單相感應電動機而勉強達到使用要求，但缺點是很明顯的：

● 調速性能差，在洗滌時只有一種轉速難以適應各種織物對洗滌轉速的要求，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的持續時間而已。而且為了照顧洗滌時對轉速的要求，往往使得脫水時的轉速偏低，一般僅為400轉/分鐘至600轉/分鐘。

● 單相變極雙速感應電動機的效率很低，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，這會對電網造成衝擊。

如果用開關磁阻調速電動機來取代單相變極雙速感應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了用於5kg滾筒洗衣機的SRD專用系統，取得了令人振奮的效果。

系統的“標準洗”，滾筒的轉速為57轉/分鐘；而“輕柔洗”、“絲絨洗”滾筒轉速則為25轉/分鐘。真正做到高檔織物不損傷。“脫水”時滾筒轉速可在400轉/分鐘至1200轉/分鐘之間任意設定選取。

系統還為洗衣機的各種動作設計了專用程序。如為正轉、反轉洗滌設計了特定的起動、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計了特定的起動、均布升速程序，有效避免在脫水時由於衣物在滾筒上分佈不均而造成的振動和雜訊；而對於根本不可能均勻分佈的洗滌物，則可智能地為其選擇較低的脫水轉速。

經測試比較，同樣的衣物，同樣一個“標準洗”，本系統的用電量僅為普通滾筒洗衣機（雙速感應電動機為動力）的44%；其耗電、耗水、洗凈度、脫水率、雜訊等一系列指標都達到了歐洲A類洗衣機的標準。

空調、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、電冰箱的壓縮機大都是由單相非同步電動機來驅動的。它的缺點表現為：一、由於他們採用簡單的通斷式來進行控溫，這樣將帶來許多毛病，如系統效率低、功率因素低、溫度起伏大、因起動電流大而對電網產生衝擊等。二、如今出現了“變頻空調”新產品，它採用非同步電動機變頻調速系統來取代單相非同步電動機。相比較而言，變頻空調具有製冷速度快、環境舒適度好、對電網無衝擊、運行雜訊小、效率高和節能等一系列優點，是空調升級換代的革命性措施。但變頻調速系統在運行中、低速時，機械特性通常變差，系統效率和功率因素下降明顯。而變頻空調系統壓縮機的電動機恰恰絕大多數時間在中、低轉速狀態下運行，只是剛開始時是高速運轉。因此，這給變頻空調系統的節能優越性大大的打了個折扣。

而開關磁阻調速電動機系統除了具有變頻調速系統的一系列優點外，它具有比變頻調速系統更高的電能 — 機械能轉換效率，特別是在中、低轉速運行時，這一優勢就更加明顯。這一點在此就不再贅述。

作為一種新型調速驅動系統，開關磁阻電機以其結構簡單、低成本、高效率、優良的調速性能和靈活的可控性，愈來愈得到人們的認可和應用。已成功應用於在電動車用驅動系統、家用電器、工業應用、伺服系統、高速驅動、航空航天等眾多領域中，成為交流電機調速系統、直流電機調速系統和無刷直流電機調速系統的強有力競爭者。

美國、加拿大、埃及等國家都開展了SRD系統的研製工作。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。SRD系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。

現如今功率電子技術，數字信號處理技術和控制技術的快速發展，而且隨著智能技術的不斷成熟及高速高效低價格的數字信號處理晶元（DSP）的出現，利用高性能DSP開發各種複雜演演算法的間接位置檢測技術，無需附加外部硬體電路，大大提高了開關磁阻電機檢測的可靠性和適用性，必將更大限度地顯示SRD的優越性。

90年代進一步以計算機控制的柔性製造系統、主體倉庫、機器人進行裝配等組合起來，由計算機控制材料、部件的供應管理、達到全廠高效率、高質量的全自動化均衡生產，設計和製造水平不斷提高，專用控制晶元和集成功率器件不斷被開發出來，開關磁阻電機性能和適用性不斷增強。隨著國民經濟建設的日益發展，各行各業的機械化、自動化程度越來越高，為開關磁阻電機提供了巨大的潛在市場。

開關磁阻調速電動機作為最新一代無級調速系統尚處於深化研究開發、不斷完善提高的階段，其應用領域也在不斷拓展之中。由於SRD優良的調速性能和極高的性能價格比，一旦推廣普及可產生很好的經濟效益和社會效益，這有待於我國從事SRD科研、開發與製造的高等院校、科研院所、企業以及為數更多的用戶中的有識之士共同努力。