开关磁阻电机工作原理及其驱动系统
开关磁阻电机
Switched Reluctance Drivesystem, SRD
开关磁阻电机驱动系统(Switched Reluctance Drive system, SRD)具有一些很有特色的优点:电机结构简单、坚固、维护方便甚至免维护，起动及低速时转矩大、电流小;高速恒功率区范围宽、性能好，在宽广转速和功率范围内都具有高输出和高效率而且有很好的容错能力。这使得SR电机驱动系统在家用电器、通用工业、伺服与调速系统、牵引电机、高转速电机、航空航天等领域得到广泛应用。
SR电机是一种机电能量转换装置。根据可逆原理，SR电机和传统电机一样，它既可将电能转换为机械能——电动运行，在这方面的理论趋于成熟;也可将机械能转换为电能——发电运行，其内部的能量转换关系不能简单看成是SR电动机的逆过程。
开关磁阻电机的发展概况和发展趋势
“开关磁阻电机(Switched reluctance motor)”一词源见于美国学者
S.A.Nasarl969年所撰论文，它描述了这种电机的两个基本特征：①开关性——电机必须工作在一种连续的开关模式，这是为什么在各种新型功率半导体器件可以获得后这种电机才得以发展的主要原因；②磁阻性——它是真正的磁阻电机，定、转子具有可变磁阻磁路，更确切地说，是一种双凸极电机。开关磁阻电机的概念实际非常久远，可以追溯到19世纪称为“电磁发动机”的发明，这也是现代步进电机的先驱。在美国，这种电机常常被称为“可变磁阻电机(variable reluctance motor, VR电机)”一词, 但是VR电机也是步进电机的一种形式，容易引起混淆。有时人们也用“无刷磁阻电机(Brushless reluctance motor)”一词，以强调这种电机的无刷性。“电子换向磁阻电机(Electronically commutated reluctance motor)”一词也曾采用，从工作原理来看，甚至比“开关磁阻”的说法更准确—些，但也容易与电子换向的水磁直流电机相混淆。毫无疑问，正是由于英国 P．J．Lawrenson教授及其同事们的杰出贡献，赋予了现代SR电机新的意义，开关磁阻电机一词也因此逐渐为人们所接受和采用。
从电机结构和运行原理上看，SR电机与大步距角的反应式步进电机十分相似，因此有人将SR电机看成是一种高速大步距角的步进电机。但事实上，两者是有本质差别的，这种差别体现在电机设计、控制方法、性能特性和应用场合等方面，见表11-1。
开关磁阻电机也可视为一种反应式同步磁阻电机，但它与常规的反应式同步磁阻电机有许多个同之处，见表11-2
1.1开关磁阻电机驱动系统的组成
开关磁阻电机驱动系统(SRD)主要由开关磁阻电机、功率变换器、控制器和检测器四部分组成，如图1-1所示。
1.1.1开关磁阻电机
SR电机可以设计成单相、两相、三相、四相及多相等不同相数结构，且有每极单齿结构和每极多齿结构，轴向气隙、径向气隙和轴向—径向混合气隙结构，内转子和外转子结构，低于三相的SR电机一般没有自起动能力。相数多，有利于减小转矩波动，但导致结构复杂、主开关器件多、成本增高。目前应用较多的是二相6／4极结构和四相8／6极结构。下表为常见SR电机定、转子极数组
合方案。
三相开关磁阻电机
1.1.2控制器和位量检测器
控制器综合处理位置检测器、电流检测器提供的电机转子位置、速度和电流等反馈信息及外部输人的指令，实现SR电机运行状态的控制，是SRD的指挥中枢。控制器一般由单片机及外围接口电路等组成。在SRD中，要求控制器具有下述性能：
(1)电流斩波控制;
(2)角度位置控制;
(3)起动、制动、停车及四象限运行;
(4)速度调节。
位置传感器向控制器提供转子位置及速度等信号，使控制器能正确地决定绕组的导通和关断时刻。通常采用光电器件、霍耳元件或电磁线圈法进行位置检测，采用无位置传感器的位置检测方法是SRD的发展方向，对降低系统成本、提高系统可靠性有重要的意义。
1.2开关磁阻电机的工作原理
开关磁阻电机的转矩是磁阻性质，其运行原理遵循“磁阻最小原理”——磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合，因磁场扭曲而产生切向磁拉力，如下图所示，具体过程如下：
当A相绕组电流控制开关S1、S2闭合时，A相励磁，所产生的磁场力图使转子旋转到转子极轴线aa'与定子极轴线AA'的重合位置，从而产生磁阻性质的电磁转矩。顺序给A—B—C—D相绕组通电(B、C、D各相绕组在图中未画出)，则转子便按逆时针方向连续转动起来；反之，依次给D—C—B—A相绕组通电，则转子会沿顺时针方向转动。在多相电机实际运行中，也常出现两相或两相以上绕组同时导通的情况。当q相定子绕组轮流通电一次，转子转过一个转子极距。
设每相绕组开关频率(主开关开关频率)为f Ph，转子极数为N r则SR电机的同步转速(r／min)可表示为
由于是磁阻性质的电磁转矩，SR电机的转向与相绕组的电流方向无关，仅取决于相绕组通电的顺序．这使得能够充分简化功率变换器电路。当主开关S1、S2接通时，A相绕组从直流电源U吸收电能，而当S1、S2断开时，绕组电流通过续流二极管VD1、VD2将剩余能量回馈给电源U。因此，SR电机具有能量回馈的特点，系统效率高。
对SRD的理论研究和实践证明，该系统具有明显的特点：
(1)电机结构简单、坚固，制造工艺简单。成本低，转子仅由硅钢片叠压而成，可工作于极高转速；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、高温其至强振动环境。
(2)损耗主要产生在定子，电机易于冷却；转子无永磁体，允许有较高的温升。
(3)转矩方向与相电流方向无关，从而可减少功率变换器的开关器件数，降低系统成本。
(4)功率变换器不会出现直通故障，可靠性高。
(5)起动转矩大，低速性能好，无异步电动机在起动时所出现的冲击电流现象。
(6)调速范围宽，控制灵活，易于实现各种待殊要求的转矩——速度特性。
(7)在宽广的转速和功率范围内都具有高效率。
(8)能四象限运行，具有较强的再生制动能力。
相数
Single-Phase Motor
These are the simplest SR motors with fewestconnections between machine and electronics. The disadvantages lie in very hightorque ripple and inability to start at all angular positions. Maybe attractivefor very high speed applications, but starting problems may preclude their use. Two-Phase Motor
Problems of starting compared with single phasemachines can be overcome by stepping the air-gap, or providing asymmetry in therotor poles. This machine may be of interest where the cost of windingconnections is important, but again high torque ripple may be detrimental.
Three-Phase Motor
Offers simplest solution to starting and torqueripple without resorting to high numbers of phases. Hence has been the mostpopular topology in its 6/4 form. Alternative 3-phase machines with doubled-uppole numbers can offer a better solution for lower speed applications. Butagain watch-out
for torque ripple especially in the voltage controlsingle-pulse operating mode.
Four-Phase Motor
Maybe popular for reducing torque ripplefurther, but the large number of power devices and connections will probablylimit four phase to a limited application field. Five- and six-phase motors canoffer better torque ripple reduction compared with four-phase and three-phase.
对永磁无刷直流电机和开关磁阻电机的理解 一、永磁无刷直流电动机 （1）、简介 直流电动机虽然起动和调速性能好，堵转转矩大，但是直流电动机具有电刷和换向器组成的机械换向装置，其间的滑动接触严重影响了电机的精度和可靠性，缩短电机寿命，需要经常维，产生的火花会引起无线电干扰，并且电刷换向装置又使直流电机变得结构复杂，工作噪声大。在微电子技术、电力电子技术和电机控制技术日趋成熟的基础上，人们应用高性能永磁材料创造出了无接触式换向的直流电机，我们称之为永磁无刷直流电机。 （2）、基本结构 永磁无刷直流电动机主要由永磁电动机本体、转子位置传感器和功率电子开关三部分组成。直流电源通过电子开关向电动机定子绕组供电，由位置传感器检测电动机转子位置并发出电信号去控制功率电子开关的导通和关断，使电动机转动。 （3）、工作原理 以下举一相导通星形三相三状态的例子说明。 一相导通星形三相三状态永磁无刷直流电动机三只光电位置传感器H1、H2、H3在空间对称均布，遮光圆盘与电机转子同轴安装，调整圆盘缺口与转子磁极的相对位置使缺口边沿位置与转子磁极的空间位置相对应。缺口位置使光电传感器H1受光而输出高电平，功率开关管VT1导通，电流流入A相绕组，形成位于A相绕组轴线上的电枢磁动势Fa，Fa顺时针方向超前于转子磁动势Ff150°电角度。Fa与Ff相互作用拖动转子顺时针旋转，当转子转过120°电角度时，与转子同轴安装的圆盘转到使光电传感器H2受光、H1遮光，功率开关管VT1关断、VT2导通，A相绕组断开，电流流入B相绕组，电流换相。电枢磁动势变为Fb，Fb在顺时针方向继续领先转子磁势Ff150°电角度，两者相互作用，又驱动转子顺时针方向旋转。当转子磁极转到240°时，电枢电流从B相换流到C相，产生的电磁转矩继续使电机转子旋转，直至重新回到起始位置，完成一个循环。 （4）、控制方法 永磁无刷直流电动机的控制方法，按有无转子位置传感器，可分为有位置传感器控制和无位置传感器控制。 有位置传感器控制：转子位置传感器产生的转子位置信号，被送至转子位置译码电路，经放大和逻辑变换形成正确的换向顺序信号，去触发导通相应功率开关元件，使之按一定顺序接通或关断绕组，确保电枢产生的步进磁场和转子永磁磁场保持平均的垂直关系，以利于产生最大转矩。换向信号逻辑变换电路则可在控制指令的干预下，根据现行运行状态和对正转、反转，电动、制动，高速、低速等要求实现换相信号分配，导通相应的功率电子开关器件，产生出相应大小和方向的转矩，实现电机的运行控制。保护电路实现电流控制、过电流保护、欠电压保护和过热保护等。 无位置传感器控制：无位置传感器控制方法是指电机无机械式位置传感器，就是不在无刷直流电动机的定子上直接安装位置传感器来检测转子位置。永磁无刷直流电机无位置传感器控制的关键是设计一转子位置信号检测电路，从硬件和软件两个方面来间接获取可靠的转子位置信号。检测得到转子位置信号后电机的控制方法和上述的有位置传感器控制相同。目前大多是利用定子电压、电流等容易获取的物理量进行转子位置的估算，以获取转子位置信号。 二、开关磁阻电机 （1）、简介 开关磁阻电机是一种新型调速电机，是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统的最
驱动电机 直流电机： 早期的电动汽车，无轨电车，电动叉车等在使用直流驱动电机。直流电机分为永磁式和电励磁式，电励磁式又分为他励，并励，串励，复励（积复励、差复励）。无刷直流电机（BLDCM Brushless DC Motor）中的转子是永磁体，电子换向器产生方波驱动电流或正弦波驱动电流(交流)，正弦波驱动的永磁无刷直流电机也称永磁同步电机（PMSM Permanent magnet synchronous motor）,永磁同步电机的发展，得益于稀土永磁体的出现，用稀土永磁体制造的电动机的磁体体积较原来磁场极所占空间小，并没用损耗，不发热，与传统电动机相比有明显的优势。 交流感应电机: 感应电机驱动系统是电动汽车用电驱动系统的理想选择，尤其是驱动系统功率需求较大的电动客车。 开关磁阻电机： (SR电机Switched Reluctanc Motor)运行原理是“磁阻最小原理”----磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合。磁阻电机是指电机各磁路的磁阻随转子位置而改变，因而电机的磁场能量也将随转子位置的变化而变化，并将磁能变换成机械能。 图a所示为圆柱形转子，它的位置变化并不影响磁阻的大小及磁力线的分布,因而不产生磁阻转矩。图b和c所示转子结构的对称轴线与磁场轴线一致，磁力线与转子轴线对称，也不产生磁阻转矩。图d所示转子直轴轴线比定子磁场轴线滞后了一个角度θ(称功率角)，于是气隙磁场扭斜,磁力线所经路径被拉长,磁阻增大。被拉长了的磁力线力图缩短，于是产生了磁阻转矩。 永磁磁阻电机： (PRM Permanent-Magnet Reluctance Motor)实质上是永磁电动机和磁阻电动机复合而成。为了产生较大的磁阻转矩，把永久磁铁放入转子铁心的V型槽中。
开关磁阻电机工作原理及其驱动系统 开关磁阻电机 Switched Reluctance Drivesystem, SRD 开关磁阻电机驱动系统(Switched Reluctance Drive system, SRD)具有一些很有特色的优点:电机结构简单、坚固、维护方便甚至免维护，起动及低速时转矩大、电流小;高速恒功率区范围宽、性能好，在宽广转速和功率范围内都具有高输出和高效率而且有很好的容错能力。这使得SR电机驱动系统在家用电器、通用工业、伺服与调速系统、牵引电机、高转速电机、航空航天等领域得到广泛应用。 SR电机是一种机电能量转换装置。根据可逆原理，SR电机和传统电机一样，它既可将电能转换为机械能——电动运行，在这方面的理论趋于成熟;也可将机械能转换为电能——发电运行，其内部的能量转换关系不能简单看成是SR电动机的逆过程。 开关磁阻电机的发展概况和发展趋势 “开关磁阻电机(Switched reluctance motor)”一词源见于美国学者 S.A.Nasarl969年所撰论文，它描述了这种电机的两个基本特征：①开关性——电机必须工作在一种连续的开关模式，这是为什么在各种新型功率半导体器件可以获得后这种电机才得以发展的主要原因；②磁阻性——它是真正的磁阻电机，定、转子具有可变磁阻磁路，更确切地说，是一种双凸极电机。开关磁阻电机的概念实际非常久远，可以追溯到19世纪称为“电磁发动机”的发明，这也是现代步进电机的先驱。在美国，这种电机常常被称为“可变磁阻电机(variable reluctance motor, VR电机)”一词, 但是VR电机也是步进电机的一种形式，容易引起混淆。有时人们也用“无刷磁阻电机(Brushless reluctance motor)”一词，以强调这种电机的无刷性。“电子换向磁阻电机(Electronically commutated reluctance motor)”一词也曾采用，从工作原理来看，甚至比“开关磁阻”的说法更准确—些，但也容易与电子换向的水磁直流电机相混淆。毫无疑问，正是由于英国 P．J．Lawrenson教授及其同事们的杰出贡献，赋予了现代SR电机新的意义，开关磁阻电机一词也因此逐渐为人们所接受和采用。 从电机结构和运行原理上看，SR电机与大步距角的反应式步进电机十分相似，因此有人将SR电机看成是一种高速大步距角的步进电机。但事实上，两者是有本质差别的，这种差别体现在电机设计、控制方法、性能特性和应用场合等方面，见表11-1。
开关磁阻电机原理 开关磁阻电机是一种新型的非接触式电机，它是利用磁阻效应实现电能转换成机械能 的机电系统。开关磁阻电机是一种以永磁体为励磁源、以铁心瞬时磁阻变化为工作原理的 非线性电机，是一种新型的电力传动技术。下面将从原理、结构、工作过程三个方面对开 关磁阻电机进行解析。 开关磁阻电机的原理是利用磁场产生的磁阻力来驱动转子旋转，从而转换电能为机械能。这种电机的组成主要包括永磁体、铁芯、绕组、中心轴、定子等部分。永磁体是该电 机的励磁源，它产生的磁力线通过铁芯传递到定子上，使定子上的绕组产生电磁力。在电 机工作过程中，控制电路会对绕组进行加电和切断，以使定子的磁阻力变化。定子磁阻力 变化可以驱动转子旋转。 三、开关磁阻电机的工作过程 开关磁阻电机的工作过程可以分为四个阶段：励磁阶段、瞬间通电阶段、瞬间切断电 流阶段和减速阶段。励磁阶段是该电机最开始的状态，永磁体提供磁场，定子上的绕组中 没有电流通过，此时转子处于静止状态。瞬间通电阶段是定子上的磁场急剧变化的时候， 此时控制电路会向绕组中加入短脉冲电流，使定子上的磁场忽然变大，这会产生向转子端 的磁阻力。瞬间切断电流阶段是在达到一定功率后，控制电路将绕组中的电流切断，此时 定子上的磁场急剧消失，转子也因惯性而继续运动，此时又产生了向转子端的磁阻力，抵 消了转子的惯性。减速阶段是电机停止工作的状态，此时定子的磁场和转子的转动都已经 消失。 总之，开关磁阻电机是一种基于磁阻效应的非线性电机，是一种全新的电力传动技术。它的主要原理是利用磁场变化产生的磁阻力来驱动转子旋转，从而将电能转换成机械能。 该电机具有构造简单、效率高、输出扭矩大等优点，适用于一些对质量、体积有严格要求 的场合。
江苏大学硕士学位论文 摘要 开关磁阻电机是上世纪70年代发展起来的新型调速电机，具有结构简单坚固、起动性能好、成本低、容错性好、可四象限运行等突出优点。ISAD（Integrated Starter Alternator Damper）系统是混合动力汽车中起动、助力、发电、阻尼多功能一体化的系统。将开关磁阻电机应用于混合动力汽车ISAD系统，可提高汽车整车性能，降低汽车油耗和排放，具有很好的应用前景和研究价值。 本文以12/10结构开关磁阻电机在混合动力汽车ISAD系统中的应用为研究背景，重点研究了开关磁阻电机在起动、助力、发电状态的运行控制。结合开关磁阻电机的数学模型，分析了开关磁阻电机在电动与发电状态下的运行特点。根据ISAD系统的性能要求，分别提出了开关磁阻电机在起动、助力、发电三种工作模式下的控制方法。在此基础上，构建了开关磁阻电机的ISAD系统实验平台，设计了开关磁阻电机的控制软件。所设计的开关磁阻电机ISAD系统，通过对不同状态下反馈输入，判断运行状态并根据所在状态调节控制参数。能够在一定负载下带载起动；在助力状态下以效率最优和转矩最优模式为发动机助力；在发电状态，能够为蓄电池提供恒流和恒压两种模式的闭环充电。实验证明，研究的开关磁阻电机ISAD系统运行控制方法性能良好，具有很好的应用前景。 关键词：开关磁阻电机，ISAD，混合动力汽车，DSP I
江苏大学硕士学位论文 AΒSTRACT Switched Reluctance Motor（SRM）is a novel drive machine developed since 1970s, with the inherent characteristics of simple and rugged construction, good start performance, low-cost, fault tolerant and four-quadrant operation capability,. Integrated Starter Alternator Damper (ISAD）is a system within Hybrid Electrical Vehicle (HEV), combining the starter, alternator, and Damper. The application of SRM in ISAD is prospective for .well performances of the whole HEV, lower oil consumption and emission. Focused on a 12/10 SRM applied in ISAD for HEV, the control scheme of SRM is studied. Considering the mathematical model of SRM, the characteristics of SRM in the motor and generator operation are analyzed . According to the performance requirement of ISAD, control strategies of SRM in starter, booster and Alternator modes are presented respectively. Then the SRM-based ISAD experimental platform is established, the control software is also designed. The designed system recognizes running mode with the current and voltage feedback, and then adjusts control parameters accordingly. When in starter mode, it starts with load to idle speed. When in boost mode, it boosts the engine with efficiency and torque optimum. When in alternator mode, it charges battery with current-constant mode or voltage-constant mode. The experimental results illuminates the performances of the designed ISAD system based on SRM and justify the presented control strategy. KEY WORDS: SRM , ISAD , HEV , DSP II
开关磁阻电机的基本学习内容 1 开关磁阻电机的基本原理以及结构 开关磁阻电动机(Switched Reluctance Motor ，简称SRM) 定转子为双凸极结构，铁心均由普通硅钢片叠压而成，其定子极上有集中绕组，径向相对的两个绕组串联构成一相，转子非永磁体，其上也无绕组[1,3]。SRM 的定转子极数必须满足如下约束关系： s r s N =2km N = N + 2k (1-1) 其中，Ns ，Nr 分别为电机定、转子数；m 为电机相数值减1；k 为一常数。以下图1-1所示一个典型四相8/6极SRM 为例，相数为4，因而m=3，取k=1，则Ns=6，Nr=8。m 及k 值越高，越利于高控制性能控制，但相应成本越高，结构越复杂。目前技术较为成熟，发展较为迅速的产品多为三、四相SRM [2]。
图1-1即为一典型四相8/6结构的SRM电机本体及其不对称功率变换器主电路的示意图（图1-1在末尾手画）。为表述清晰，图中仅画出不对称半桥电路的一相，其他各相均与该相相同，并省略了相应的驱动及检测电路。完整的开关磁阻电机调速系统（Switched Reluctance Motor Drive，简称SRD）则由SRM、功率变换器、控制器、位置检测器等四大部分组成，如下图1-2示。 SRM可以认为是同步电机的一个分支，它运行时遵循磁阻最小原理，同步进电机较为类似[2,30]。其具体运行原理如下：首先要保证励磁相的定子凸极和最近的转子凹极中心线不重合，也即初始位移不能位于磁阻最小位置。通以交流电后，经过一个整流桥变为直流电源，当开关S1和S2开通时，AA’相通电励磁，产生一个磁拉力。在该电磁力的轴向分量作用下，产生电磁转矩，凸极转子铁心趋向于旋转到定转子极轴线B-B’与A-A’重合的位置；而电磁力的径向力分量则造成定子的“变形”，这也是产生转矩脉动和电机噪声的根本原因之一。在该过程中电机吸收电能。关断S1和S2，开通BB’相，此时AA’相经续流二极管VD1、VD2将电能回馈给电源，同时BB’相趋向运行到定转子极轴线C-C’与B-B’重合的位置。以此类推，顺次给A→B→C→D相循环励磁，在惯性和轴向力的作用下，转子将一直逆着励磁顺序旋转，从而完成自同步运行。同理若改变励磁顺序为C→B→A→D，则转子沿顺时针方向转动。由此可以看出， SRM与直流电机不同，其运行方向与相电流方向无关，而仅与相绕组通电顺序有关。
开关磁阻电机驱动系统的运行原理及应用（二） （低轴阻发电机参考资料） 1 引言 开关磁阻电机驱动系统(SDR)具有一些很有特色的优点:电机结构简单、坚固、维护方便甚至免维护，启动及低速时转矩大、电流小;高速恒功率区范围宽、性能好，在宽广转速和功率访问内都具有高输出和高效率而且有很好的容错能力。这使得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、航空航天等领域得到广泛应用。 SR电机是一种机电能量转换装置。根据可逆原理，SR电机和传统电机一样，它既可将电能转换为机械能—电动运行，在这方面的理论趋于成熟;也可将机械能转换为电能—发电运行，其内部的能量转换关系不能简单看成是SR电动机的逆过程。本文将从SR 电机电动和发电运行这两个角度阐述SR电机的运行原理。 2 电动运行原理 2.1 转矩产生原理 控制器根据位置检测器检测到的定转子间相对位置信息，结合给定的运行命令(正转或反转)，导通相应的定子相绕组的主开关元件。对应相绕组中有电流流过，产生磁场;磁场总是趋于“磁阻最小”而产生的磁阻性电磁转矩使转子转向“极对极”位置。当转子转到被吸引的转子磁极与定子激磁相相重合(平衡位置)时，电磁转矩消失。此时控制器根据新的位置信息，在定转子即将达到平衡位置时，向功率变换器发出命令，关断当前相的主开关元件，而导通下一相，则转子又会向下一个平衡位置转动;这样，控制器根据相应的位置信息按一定的控制逻辑连续地导通和关断相应的相绕组的主开关，就可产生连续的同转向的电磁转矩，使转子在一定的转速下连续运行;再根据一定的控制策略控制各相绕组的通、断时刻以及绕组电流的大小，就可使系统在最隹状态下运行。
开关磁阻电机的原理及其控制系统 开关磁阻电机80年代初随着电力电子、微电脑和控制理论的迅速发展而发展起来的一种新型调速驱动系统。具有结构简单、运行可靠、成本低、效率高等突出优点，目前已成为交流电机调速系统、直流电机调速系统、无刷直流电机调速系统的强有力的竞争者。 一、开关磁阻电机的工作原理 开关磁阻电机的工作原理遵循磁磁阻最小原理，即磁通总是要沿着磁阻最小路径闭合。因此，它的结构原则是转子旋转时磁路的磁阻要有尽可能大的变化。所以开关磁阻电动机采用凸极定子和凸极转子的双凸极结构，并且定转子极数不同。 开关磁阻电机的定子和转子都是凸极式齿槽结构。定、转子铁芯均由硅钢片冲成一定形状的齿槽，然后叠压而成，其定、转子冲片的结构如图1所示。
图1：开关磁阻电机定、转子结构图 图1所示为12/8极三相开关磁阻电动机，S1. S2是电子开关，VD1, VD2是二极管，是直流电源。 电机定子和转子呈凸极形状，极数互不相等，转子由叠片构成，定子绕组可根据需要采用串联、并联或串并联结合的形式在相应的极上得到径向磁场，转子带有位置检测器以提供转子位置信号，使定子绕组按一定的顺序通断，保持电机的连续运行。电机磁阻随着转子磁极与定子磁极的中心线对准或错开而变化，因 为电感与磁阻成反比，当转子磁极在定子磁极中心线位置时，相绕组电感最大，
当转子极间中心线对准定子磁极中心线时，相绕组电感最小。 当定子A相磁极轴线OA与转子磁极轴线O1不重合时，开关S1, S2合上，A相绕组通电，电动机内建立起以OA为轴线的径向磁场，磁通通过定子扼、定子极、气隙、转子极、转子扼等处闭合。通过气隙的磁力线是弯曲的，此时磁路的磁导小于定、转子磁极轴线重合时的磁导，因此，转子将受到气隙中弯曲磁力线的切向磁拉力产生的转矩的作用，使转子逆时针方向转动，转子磁极的轴线O1向定子A相磁极轴线OA趋近。当OA和O1轴线重合时，转子己达到平衡位置，即当A相定、转子极对极时，切向磁拉力消失。此时打开A相开关S1, S2，合上B相开关，即在A相断电的同时B相通电，建立以B相定子磁极为轴线的磁场，电动机内磁场沿顺时针方向转过300，转子在磁场磁拉力的作用下继续沿着逆时针方向转过15,。依此类推，定子绕组A-B-C三相轮流通电一次，转子逆时针转动了一个转子极距Tr(T.=2π/N,)，对于三相12/8极开关磁阻电机，45，定子磁极产生的磁场轴线则顺时针移动了3×30'=90'空间角。可T=3600/8=o 见，连续不断地按A-B-C-A的顺序分别给定子各相绕组通电，电动机内磁场轴线沿A-B-C-A的方向不断移动，转子沿A-C-B-A的方向逆时针旋转。如果按 A-C-B-A的顺序给定子各相绕组轮流通电，则磁场沿着A-C-B-A的方向转动，转子则沿着与之相反的A-B-C-A方向顺时针旋转。 二、开关磁阻电机的控制原理 传统的PID控制一方面参数的整定没有实现自动化，另一方面这种控制必须精确地确定对象模型。而开关磁阻电动机( SRM) 得不到精确的数学模型, 控制参数变化和非线性, 使得固定参数的PID 控制不能使开关磁阻电动机控制系统在各种工况下保持设计时的性能指标。
开关磁阻电机智能驱动系统和变频器调速电机系统的特性比较
一、变频器调速电机系统 1、基本概念和原理 把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置，以实现电机的变速运行，称作“变频器”。该设备首先要把三相或单相交流电变换为直流电，然后再把直流电变换为三相或单相交流电。 交流异步感应电动机的转速公式是：n = f/p*（1-s）*60rpm, （其中n: 同步速度，f: 电源频率，p: 电机极数，S是转差率），因此，如想改变此类电机转速n，就需要通过改变其频率或极对数或转差率来进行。而变频器就是通过改变电源频率来改变此类电机转速的。 所谓“频率”其实是电机供电电源的电信号，其值能够在电机的外面经过调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的控制了。 变频器，通过其运算电路，将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定其逆变器的输出电压、频率。这样经过调整的频率，进入电机，从而实现了电机转速的变化。改变了电机的运行曲线，使电机运行曲线平行下移。 2、基本性能特点 1）变频器具有调压、调频、调速等基本功能，使电机的速度可以无极调节，因此用对了场合，可以实现一定的节电。 2）可以使电机以较小的启动电流，获得较大的启动转矩，即变频器可以一定程度的启动重载负荷，具有一定的软启动性能。 3）功率因数较高 3、使用结果和问题 变频器的兴起，满足了人们对交流电机进行可控无极调速的要求，因此十几年以来获得了很大的发展。然而，变频器在我国的使用，是完全的“硬连接”，即电机是电机，变频器是变频器，买来了就用，完全不考虑电机和变频器的内在匹配性以及和工况的匹配性。而变频器在西方国家得到了极大的利用，其性能发
基于单片机的开关磁阻电机驱动系统设计 摘要：该文介绍了开关磁阻电机的基本原理，设计了一种用80C196单片机实现的开关磁阻电机驱动系统，并对该开关磁阻电机调速系统的性能进行了实验与测试，实验证明该系统运行可靠。 1 引言 开关磁阻电动机是磁阻电动机与电子开关驱动控制器组成的控制装置，又称开关磁阻电机驱动系统（Switched Reluctance Motor drive,简称SRD）。电机结构简单坚固，运行可靠，系统具有启动转矩高、启动电流低、调速范围宽、运行效率高，特别适用于频繁启停及正反转运行，使得SRD成为交，直流电机驱动系统以及无刷直流电机驱动系统的强有力竞争者。目前，SRD已用于多个领域，如：电动车驱动、家用电器、伺服与调速系统等许多领域。 本文设计了一个以80C196单片机为控制核心的SRD的控制系统，充分利用了SRD电机控制方式灵活的特点，采用数字化控制系统对SR电机进行控制，简化了硬件电路，提高了系统的可靠性。 2 SR电机工作原理 SR电机运行原理遵循磁阻最小原理——磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，因磁场扭曲而产生切向的磁拉力，当具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必使自己的主轴线与磁场的轴线重合。典型的SR电机结构原理如图1所示。 具体过程如下：当A相绕组电流控制开关S1，S2闭合时，A相励磁，所产生的磁场力使转子旋转到转子轴线与定子轴线重合的位置，从而产生磁阻性质的电磁转矩。顺序给A-B-C-D 相绕组通电（B、C、D各相绕组在图中未画出），则转子便按逆时针方向连续转动起来。反之，依次给B-A-D-C相绕组通电，则转子会按顺时针方向转动。 图1 SR电机结构原理图 由于是磁阻性质的电磁转矩，SR电机的转向与相绕组的电流方向无关，仅取决于相绕组的通电顺序，这使得能够简化功率变化器电路，当S1或S2闭合时，A相绕组从电源上吸收电能，而S1或S2断开时，绕组电流通过二极管VD1、VD2将剩余能量回馈给电源，因此SR 电机具有能量回馈的特点，系统效率高。 2 SRD系统硬件设计 2.1系统基本组成 SRD系统主要由四部分组成：开关磁阻电机、功率变换器、控制器及传感器。它们之间的关系如图2所示。 图2 SRD基本组成结构图 SR电动机是整个系统的执行部件，采用双凸极结构的磁阻的电机、功率变换器向SR电
电动汽车开关磁阻电机驱动控制系统 开关磁阻电机驱动（Switched Reluctance Motor Drive，简称SRD）系统是一种新型的开关磁阻电机调速系统，主要由开关磁阻电机、功率变换器、控制器和检测器等几部分组成。开关磁阻电机驱动系统兼有交流调速系统和直流调速系统的优点，结构简单、坚固耐用、可控参数多、控制方式灵活、可得到多种机械特性，在宽广的调速范围内均具有很高的效率，因此在工业电气传动、自动化控制和航空航天等领域均有着十分广阔的应用前景。 1 开关磁阻电机控制系统的结构 开关磁阻电机驱动系统主要由开关磁阻电机、功率变换器、控制器和检测器等几部分组成。开关磁阻电机是SRD系统中实现机电能量转换的部件；功率变换器的作用是将电源提供的电能经适当转换后提供给开关磁阻电机。控制器则是SRD系统的中枢，它综合处理速度指令、速度反馈信号以及电流传感器、位置传感器的反馈信息，控制功率变换器中主开关器件的工作状态，从而实现对电机运行状态的控制，使之满足预定的运行要求；检测器包括电流检测和位置检测两部分，其中电流检测用以实现系统的电流反馈，位置检测则是通过检测定、转子的相对位置，来确定对相应绕组的换相操作和计算转速。 2 电动汽车开关磁阻电机驱动控制系统 1/ 4
2.1 系统硬件以及组成设计 首先应将位置信号确定为频率信号，而将电流信号全部模拟成相应的电压信号，再经过A/D专业转换之后再进行输入；对于开停信号还有各种保护信号等都需要在对进行相应的外围电路处理之后，让它逐渐转变成为开关信号，然后经I/O口输入。需要注意的是，在信号输出过程中，相触发信号又被称作开关信号，而其余各种指示信号又被称作开关信号，所以在实际的运作过程中，我们可以使用单片机的I/O来进行信号输出。 位置传感器中的信号输入电路能够将电动机位置上的传感器所发出的信号波形，经过相应的整形转换在输进专用的8751单片机之后进行有效实现：①利用传感器波形来对电动机转子位置进行有效确定，从而对电动机通电相序进行有效控制；②利用传感器波形来对电动机运行过程中的实际转速进行有效确定，从而进行有效的PID运算。 这里所讲的位置传感器，其内部是由中间经过开槽之后的光电管还有6个安装在SR电机转子轴上的齿槽遮光转盘组成的。在安装过程中，应将齿槽的角度调整到30°，而2个光电管也应控制15°左右。当SR电机同遮光转盘同时间旋转时，能够迅速低输出两个周期为60°，且时间间隔位置同为16°的位置信号，然后这个信号在经过专用CD*****整形以及CD4009转换之后， 再输进相应的8751单片机之内。 2/ 4
SRD开关磁阻电机驱动系统控制原理 SRD (Switched Reluctance Drive) 开关磁阻电机驱动系统是一种采 用交绕、直流偏置磁通和数字控制技术的新型电机驱动系统。相比于传统 的电机驱动系统，SRD系统具有简单的结构、高效的转换特性和灵活的控 制模式。本文将通过以下几个方面介绍SRD开关磁阻电机驱动系统的控制 原理。 1.SRD系统的基本结构 2.SRD系统的工作原理 SRD系统在运行时，通过控制定子线圈的电流方向和大小来控制电机 的转矩和转速。当定子线圈通电时，在铁心片之间产生磁场，吸引转子中 的铁心片。通过改变定子线圈的电流方向和大小，可以控制吸引和排斥转 子铁心片的力，从而控制电机的转矩。 3.SRD系统的控制模式 SRD系统采用数字控制技术，可以灵活地选择不同的控制模式。常见 的控制模式包括速度闭环控制、转矩闭环控制和位置闭环控制。速度闭环 控制通过测量电机的转速，并根据设定值调整电流的大小和方向来控制转速。转矩闭环控制通过测量电机的转矩，并根据设定值调整电流的大小和 方向来控制转矩。位置闭环控制通过测量电机的位置，并根据设定值调整 电流的大小和方向来控制位置。 4.SRD系统的控制策略 SRD系统采用先进的控制策略，如模糊控制、PID控制和自适应控制。在速度闭环控制模式下，可采用PID控制策略，根据转速误差和误差的变
化率来调整电流的大小和方向。在转矩闭环控制模式下，可采用自适应控 制策略，根据转矩误差和电流的变化率来调整电流的大小和方向。在位置 闭环控制模式下，可采用模糊控制策略，根据位置误差和电流的变化率来 调整电流的大小和方向。 5.SRD系统的优势 SRD系统相比传统的电机驱动系统具有以下几个优势：首先，SRD系 统结构简单，易于制造和维护。其次，SRD系统具有高效的转换特性，能 够实现高转矩密度和高效能的特点。此外，SRD系统的数字控制技术使其 具有灵活的控制模式和优秀的控制性能。 总结： SRD开关磁阻电机驱动系统通过控制定子线圈的电流方向和大小来控 制电机的转矩和转速，并采用数字控制技术实现灵活的控制模式。该系统 的控制原理包括基本结构、工作原理、控制模式、控制策略和优势等方面。SRD系统的优势在于结构简单、转换特性高效、控制灵活等特点。
小功率高速开关磁阻电机驱动系统的设计与应用 小功率高速开关磁阻电机驱动系统的设计与应用 1. 引言 1.1 主题介绍 在现代工业应用中，电机作为关键的能源转换装置，其驱动系统 的设计和应用一直是一个重要的研究领域。本文将深入探讨小功率高 速开关磁阻电机驱动系统的设计与应用，以介绍其原理、特点及在工 业领域中的重要性。 1.2 文章目的 本文的目的是通过深入剖析小功率高速开关磁阻电机驱动系统的 设计与应用，帮助读者深入理解其原理及其在不同领域中的广泛应用。 2. 小功率高速开关磁阻电机的概述 2.1 定义 小功率高速开关磁阻电机是一种采用电磁铁吸力控制转子运动的 电动机。它具有结构简单、高效能、高稳定性等特点，因此在很多应 用场景中取得了成功。 2.2 工作原理 小功率高速开关磁阻电机驱动系统的工作原理主要包括电磁铁的 磁性吸引力、开关磁阻控制、电流调节等。其关键是通过电流变化来
控制电磁铁的磁性吸引力，从而使转子运动。 2.3 特点和优势 小功率高速开关磁阻电机驱动系统具有领先的转矩密度、高响应 速度、宽速度范围、低惯性等特点。这些特点使其在精密仪器、自动 化设备等领域得到广泛应用。 3. 小功率高速开关磁阻电机驱动系统的设计与应用 3.1 系统设计 小功率高速开关磁阻电机驱动系统的设计主要包括电源设计、控 制器设计、传感器设计、保护设计等方面。其中，控制器设计是一个 核心环节，需要考虑实时性、稳定性、可靠性等因素。 3.2 电机参数选择 在小功率高速开关磁阻电机驱动系统的应用中，合理选择电机参 数至关重要。其中包括电机功率、电机转速、电机电流等参数的选取。这些参数将直接影响驱动系统的性能和使用效果。 3.3 驱动系统的应用 小功率高速开关磁阻电机驱动系统在工业领域中有着广泛的应用。它可以应用于机械加工设备、医疗设备、机器人等领域。它还可以用 于一些特殊环境，例如高温环境、高湿度环境等。 4. 小功率高速开关磁阻电机驱动系统的优势与挑战 4.1 优势 小功率高速开关磁阻电机驱动系统相对于传统的电机驱动系统具
第二章开关磁阻电机及其调速系统 2.1 开关磁阻电机的发展概况 磁阻式电机诞生于160年前，一直被认为是一种性能不高的电机。然而通过近20年的研究与改进，使磁阻式电机的性能不断提高，目前已能在较大功率范围内不低于其它型式的电机[9]。 70年代初，美国福特电动机（Ford Motor）公司研制出最早的开关磁阻电机调速系统。其结构为轴向气隙电动机、晶闸管功率电路，具有电动机和发电机运行状态和较宽范围调速的能力，特别适用于蓄电池供电的电动车辆的传动。 70年代中期，英国里兹（Leeds）大学和诺丁汉（Nottingham）大学，共同研制以电动车辆为目标的开关磁阻电机调速系统。样机容量从10W至50KW，转速从750 r/min至10000 r/min，其系统效率和电机利用系数等主要指标达到或超过了传统传动系统。该产品的出现，在电气传动界引起了不小的反响。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使用的一些变速传动系统。 近年来，国内外已有众多高校、研究所和企业投入了开关磁阻电机调速系统的研究、开发和制造工作。至今已推出了不同性能、不同用途的几十个系列的产品，应用于纺织、冶金、机械、汽车等行业中。 目前，在汽车行业意大利FIAT公司研制的电动车和中国第二汽车制造厂研制的电动客车都采用了开关磁阻电机。SRM是没有任何形式的转子线圈和永久磁铁的无刷电动机，它的定子磁极和转子磁极都是凸的。由于SRM具有集中的定子绕组和脉冲电流，其功率变换器可以采用更可靠的电路拓扑形式。SRM具有简单可靠、在较宽转速和转矩范围内高效运行、控制灵活、可四象限运行、响应速度快、成本较低等优点，这是其它调速系统难以比拟的，作为具有潜力的电动车电气驱动系统日益受到重视。然而目前SRM还存在转矩波动大、噪声大、需要位置检测器、系统非线性等缺点，所以，它的广泛应用还受到限制。 2.2 开关磁阻电机的基本结构与特点 开关磁阻电机为定、转子双凸极可变磁阻电机。其定、转子铁心均由硅钢片
开关磁阻电机的电磁设计 开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor，简称SRM）是一种利用磁阻力产生转矩的电机。在SRM电机中，转动部件是一个由一系列磁场互相耦合的铁磁材料构成的转子，它和定子之间没有任何电磁感应元件。因此，SRM电机具有许多优点，例如结构简单、容量小、重量轻、高效率以及低成本等。 SRM电机的电磁设计是SRM电机设计中的一个重要环节。其设计目标是使电机的转矩和功率因数优化，并使其达到高效率运行。为了实现这个目标，需要进行以下几个方面的电磁设计。 首先，需要确定电机的工作原理和各种性能指标。在SRM电机的设计中，常用的工作原理是磁阻推力原理。在该原理下，通过改变定子上电流的大小和方向，可以产生一个斥力，进而驱动转子转动。因此，需要确定电机的定子电流和栅极火花的位置和数量等参数。 其次，需要进行电机的磁路设计。磁路设计主要包括定子和转子的磁路结构设计。在定子的磁路设计中，需要确定定子的槽形和定子线圈的绕组方式。在转子的磁路设计中，需要确定转子的磁阻分布和转子磁通闭合的路径。通过对定子和转子的磁路设计，可以优化电机的磁通分布，提高电机的磁阻和转矩。 然后，需要进行电机的线圈设计。线圈设计主要包括定子线圈和转子线圈设计。定子线圈设计中，要考虑线圈元件的形状和尺寸，以及线圈的绕组结构和电流密度。转子线圈设计中，要考虑转子线圈的尺寸和形状，以及线圈的绕组方式和电流密度。通过优化线圈的设计，可以提高电机的工作效率和功率因数。
最后，需要进行电机的性能评估和优化设计。性能评估主要包括电机 的转矩、功率因数、效率等。通过对电机的性能进行评估，可以找出电机 的不足之处，进行相应的优化设计，以提高电机的性能。 总之，SRM电机的电磁设计是SRM电机设计中的一个重要环节。通过 合理的电磁设计，可以提高电机的转矩和效率，实现电机的高效运行。但是，电磁设计还需要考虑其他因素，如电机的机械设计、控制系统设计等。只有将这些环节都考虑进去，才能设计出性能优良的SRM电机。
开关磁阻电机的工作原理 开关磁阻电机是一种常见的电机类型，它基于磁阻效应来实现电机转动。下面将详细介绍开关磁阻电机的工作原理。 一、磁阻效应简介 磁阻效应是指材料在外磁场作用下，磁通量通过材料时会引起材料内部磁场的变化。根据材料的磁导率和磁场的变化情况，磁阻效应可分为正磁阻效应和负磁阻效应。正磁阻效应是指在磁场作用下，磁通量增加时，材料的磁导率减小；负磁阻效应则相反，磁通量增加时，材料的磁导率增大。 二、磁阻电机的基本结构 开关磁阻电机由转子、定子、磁阻切换器和电源组成。其中，转子是电机的旋转部分，定子是电机的固定部分，磁阻切换器用于切换磁通的路径，电源提供电流给电机。 三、工作原理 1. 初始状态：在电机初始状态下，磁阻切换器将磁通量导向转子的一个极性，使得转子与定子之间存在磁阻。 2. 通电启动：当电源给电机提供电流时，电流通过定子线圈，产生磁场。此时，由于磁阻切换器的作用，磁通量无法直接通过转子，导致转子受到磁阻的阻碍，无法自由转动。
3. 磁阻切换：在转子受到磁阻的阻碍时，磁阻切换器会切换磁通的路径，使得磁通量可以通过转子。通过切换，磁通量的路径发生变化，从而改变了转子所受到的磁阻大小。 4. 磁阻变化：磁阻切换后，转子所受到的磁阻发生变化，转子受到的力矩也随之改变。根据磁阻效应的原理，当转子在磁阻变化的作用下，会趋向于转到较小磁阻路径的方向运动。 5. 转动运行：当转子受到磁阻的作用，趋向于转到较小磁阻路径的方向运动时，电机开始转动。转子的转动会继续改变磁阻切换器的状态，从而引起磁通量的改变，进一步推动转子的转动。这样就实现了电能向机械能的转换，使得电机正常运行。 四、优势和应用 开关磁阻电机具有以下优势： 1. 结构简单：相比传统的电机结构，开关磁阻电机的结构较为简单，减少了动力传输的损耗。 2. 超低速驱动：开关磁阻电机具有较好的低速性能，在一些特殊应用中具有优势。 3. 节能环保：开关磁阻电机的能效较高，能够有效节约能源和减少环境污染。 开关磁阻电机的应用非常广泛，例如： 1. 家电领域：开关磁阻电机可以用于洗衣机、冰箱、空调等家电产
开关践俎电机 开关磁阻电机是一种新型调速电机，调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点，是继、调速系统的最新一代无极调速系统。它的结构简单坚固，调速范围宽，调速性能优异，且在整个调速范围内都具有较高效率，高。主要由开关磁阻电机、功率变换器、控制器与位置检测器四部分组成。控制器内包含控制电路与功率变换器，而转子位置检测器则安装在电机的一端。 其电机部分由于是运用了磁阻最小原理，故称为磁阻电动机，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。 特征 开关磁阻电机结构简单，性能优越，可靠性高，覆盖功率范围10VC5MW的各种高低速驱动调速系统。使的开关磁阻电机存在许多潜在的领域，在各种需要调速和高效率的场合均能得到广泛使用（电动车驱动、通用工业、家用电器、纺织机械、电力传动系统等各个领域）。 优点 ♦其结构简单.价格便宜・电机的转子没有绕组和战铁。 ♦电机转子无永磁体.允许较高的.由干绕组均在定子上.电机容易冷却。效率奇・损耗小。 ♦转矩方向与电流方向无关.只需单方相绕组电流•毎相一个功率开关•功率电路简单町扱♦转子上没有电刷结沟坚固.适用干高速 驰动。 ♦转子的转动惯扯小.有牧高转矩惯煲比.
♦调速范m.控制灵活・易于实现备种再生制动能力。 ♦并具频繁启动（1000 ；v小时）•正向反向运转的特殊场合使用・ ♦且启动电流小•启动转矩人•低逮时更为突出。 ♦电机的绕组电流方向为单方向.电力控制电路简单・具有较烏的经济性和吋維性。 ♦对通过机和电的统一协调设汁满足备种特殊使用要求。 缺点 其工作原理决定了.如果需要开关磁阻电机运行程定对維.必须使电机与控制配合的很好。 因其要使用位HL传感器・增加了结沟災杂性，降低了可靠性。 对干电机本身而肓.转矩馱动大是其固有的缺点：在电机远离设计点的时候.转矩脉动人仝体现的更加明協。 如果单纯使用电流斩波或最优导通角控制方法.对其转矩脉动的改售不是很人.需耍加入更加如朵的貳法。 另外.运行时噪音和撮动较人.非线形性强也足开关險阻电机需耍解决的何題。 目前国内实用的隐阻电机屈于初级阶段.部分产品控制相对粗放.电机的响应速度慢、低速卜•的脉动人.难以实现较高的控制稱度。 结构原理 双凸极结构 开关磁阻电机构适⑴ 与普通电机一样.转子与定子之河有很小缝險.转子对在定子内自由转动。 由干定子与转子都有凸起的齿极.这种形式也称为双凸极结构。 在定子齿极上绕有线圈（定子绕组〉.足向电机捉供工作啟场的励出绕组。在转子上没有线悅这是减阻电机的主要特点. 三相6/4结构工作原理