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
叠压而成，定、转子冲片上均冲有齿槽，构成双凸极结构。按照定、转子的齿槽的多少，形成不同极数的开关磁阻电机。为避免单相磁拉力，径向必须对称，故定子极数和转子极数应该为偶数。一般来说，极数和相数越多，电机转矩脉动越小，运行更平稳，但同时也增加了电机的复杂性，特别是功率电路的成本提高。
图2.1 是三相（6/4）SR 电机结构原理图。转子无绕组，也无永磁体，定子极上有集中绕组，并根据对应磁极的绕组相互串联，形成A 、B 、C 三相绕组。其运行原理遵循“磁阻最小原理”――磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合，而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。当某相绕组通电时，就产生一个使邻近转子极与该相绕组轴线重合的电磁转矩，顺序对三相绕组通电(如A-B-C-A)，则转子可连续转动，改变通电的次序，可改变电机的转向，控制通电电流的大小和通断时间，则可改变电机的转矩和速度。可见，SR 电动机的转向与相绕组的电流方向无关，而仅取决于相绕组通电的顺序。因此，如果发动机采用开关磁阻电机驱动，我们只需加一些简单的电路设备和控制SR 电机相绕组通电的顺序、相绕组通电电流的大小和通断时间，就可以完成对发动机的起动、助力、减震和制动的控制。
图2.1 三相（6/4）结构SR 电机截面图
从图2.1所示的三相（6/4）结构SR 电机，我们可以知道该电机转子极距角r θ为90°。由于有三相绕组，故每相通电断电一次转子对应的转角p α（称为步距角）应为30°，每转步数p N 为12。对任意极数相数的开关磁阻电机，这一关系通常表示为：（r N 是转子极数，m 为相数）
r
r N
360=θ （2-1）
r r p mN m
360==θα （2-2）
r p p mN N ==α
360 （2-3）
由于SR 电机每转过转角p α，对应绕组通电切换一次，所以电机每转过一转，绕组通断切换p N 次。当电机以转速n （r/min ）转动时，电机绕组的总通断切换频率为
r mN n f 60
= （2-4） 每相绕组通断切换频率为 r N n f 60=φ （2-5）
φf 也是对应功率电路每个功率器件的开关频率。
由于三相6/4极开关磁阻电机是可双向自起动、最少极数、最少相数的电机，故经济性较好，但转矩脉动较大。由于同样转速时要求功率电路开关频率最低，因此特别适合用作高速电机。我们这里也主要以这种结构的SR 电机作为研究对象。
开关磁阻电机综合了交流电机和直流电机的优点，由它构成的驱动系统在电机本体结构、变换器型式以及控制方式上都与众不同[10]。开关磁阻电机的主要特点如下:
(1) 转子上无任何绕组，结构简单，可高速旋转而不致变形; 电动机转子转动惯量小，易于加、减速。定子上只有集中绕组，端部较短，没有相间跨接线，因而具有制造工序少、成本低、工作可靠、维修量小等优点。
(2) 转矩方向与相电流极性无关，只需单向电流励磁。只要控制主开关器件的导通角度，即可改变电动机的工作状态，实现四象限运行。故可减少SR 电机功率变换器的开关器件数，降低系统成本，提高了系统的可靠性。
(3) 定子线圈嵌装容易，端部短而牢固，热耗大部分在定子，易于冷却；转子无永磁体，可有较高的最大允许温升，能适应恶劣的工作环境。
(4) 调速范围宽，控制参数多、控制方式灵活，在宽广的转速和功率范围内均具有高输出和高效率。
(5) 电机的振动和噪声大于一般电机，且电机和功率器件的连线较多，这是SR
电机较为突出的缺点。
但应该指出，与转矩脉动达100%的单相异步电动机相比，SR 电动机的转矩脉动并不算很大。只要根据SR 电机的动态性能，采取合适的控制技术，SR 电机调速系统转矩脉动的大幅减小是可能的。至于噪声问题，据有关文献报道，SR 电动机采用合适的定子压装技术，加上适当的控制，其在满载和空载情况下，整个转速范围内的噪声水平可以做到比具有代表性的、高质量的PWM 异步电动机在满载下的噪声水平更优良。
2.3 开关磁阻电机的数学模型
建立SR 电机数学模型的主要困难在于，电机的磁路饱和、涡流、磁滞效应等产生的严重非线性，加上运行时的开关性和受控性，使电机内部的电磁关系十分复杂，难以建立与常规电机那样规范的数学关系。考虑到列出一个精确的数学模型，计算相当繁琐，但其所有电磁过程仍然符合电工理论中的基本定律，因此，在如下假设的基础上我们以准线性模型为主进行分析：
(1) 主电路电源的直流电压（±Us ）不变；
(2) 半导体开关器件为理想开关，即导通时压降为零，关断时电流为零；
(3) 忽略铁心的磁滞和涡流效应，即忽略铁耗；
(4) 电机各相参数对称，每相的两个线圈作正相串联，忽略相间互感；
(5) 在一个电流脉动周期内，认为转速恒定。
准线性模型是为了近似考虑铁心磁阻以及饱和效应、边缘效应的影响，将非线性特性分段线性化，用解析式来计算和分析SR 电机的性能，确定其控制方案[11]。
SR 电机的数学模型等式如下：
j j j v ri dt d +-=/ψ
（2-6） J T T dt d j e /)(/-=ω
（2-7） ωθ=dt d /
（2-8） j j j i i L ),(θψ=
（2-9） θθ∂∂=)
,(/j e i W T （2-10）
上式j =1、2、3代表了图2.1 中SRM 的三相，r 是每相的相电阻，j j j i v ψ,,
代表j 相的相电压、相电流、相磁链。e T 是电机的电磁扭矩，l T 是负载扭矩。在任意时刻，电机扭矩是所有三相扭矩之和：
∑=),(j j e i T T θ （2-11）
2.3.1 开关磁阻电机的转矩分析
A θ
θ
图2.2 磁共能与电流、转子位置变化关系
如图2.2 所示，当A 相单独通电时，设相电流为A i ，转子位置为θ，则磁共
能为
⎰=A i dt W 0'ψ （2-12） 其中),(i iL θψ=，则根据电磁场的基本理论可知，开关磁阻电机的电磁转矩的数学表达式为：
const i em W T =∂∂=|'θ （2-13）
定义电磁转矩方向与转子运动方向一致时为正，如图 2.2 所示，电机从当前磁状态出发，当转子有虚位移θ∆+时，由（2-13）式可以得到电磁转矩如下：
θθ∆=∂∂==OABO W T const i em 面积|' （2-14）
此时电机输出的电磁转矩为正值，即电磁转矩方向与转子运动方向一致，电机工作在电动状态[12]。当电机从当前磁状态出发，当转子有虚位移θ∆-时，由（2-13）式可以得到电磁转矩如下：
θθ∆-=∂∂==OACO W T const i em 面积|' （2-15）
式中负号表示此时电磁转矩方向与转子运动方向相反，即电机工作在再生制
动状态，机械能转换为电能通过续流电路反馈给电源。假设开关磁阻电机的电感为线性的，即电感值不随电流大小变化仅为转子位置的函数：i L )()(θθψ=。磁共能和电磁转矩可以分别表示为：
2'21Li W =
（2-16） θ∂∂=L i T em 221 （2-17）
从式（2-17）我们可以知道，随转子位置而变化的相电感是产生扭矩的重要因素。磁路电感随着转子极逐渐与定子极重叠而相应增加；电感随着转子极移出重叠区而减小。
由以上分析可得如下结论：
(1) 电机的电磁转矩是由转子转动时气隙磁导变化θ∂∂/L 产生的，当磁导变化θ∂∂/L 大时，转矩也大。若磁导的变化率为零，则转矩也为零。
(2) 电磁转矩的大小同绕组电流i 的平方成正比，因此，可以通过增大电流有效地增大转矩。
(3) 在电感曲线的上升段，通入绕组电流产生正向电磁转矩；在电感曲线的下降段，通入绕组电流产生反向电磁转矩。在电机向不同方向转动时，仅通过改变绕组通电时刻便能实现正向电动、反向电动、正向制动和反向制动状态的全部四象限运行。上述转矩的大小与方向均与绕组电流方向无关。
(4) 电机的平均扭矩av T 为正、反向转矩的平均值：
⎰=t av Td t T 01θ （2-18）
当正向扭矩为主时，平均转矩为正，反之为负。
(5) 虽然上述分析是在一系列假设条件下得出，但它对了解电机的基本工作原理，对定性分析电机的工作状态及转矩产生是十分有益的。
2.3.2 开关磁阻电机的电流分析
由于SR 电机存在严重的饱和效应和边缘效应，j ψ作为电流i 和转子位置角θ的非线性函数，一般没有解析式，故为非线性模型。
由图 2.3，当SR 电机由恒定直流电源U s 供电时，由于绕组电阻压降j ri 与
dt d j /ψ相比很小，否则电机的效率就不会很高，故可忽略电阻压降，并且由此
图2.3 开关磁阻电机驱动系统构成原理图
引起的误差不会超过线性化假设带来的误差。根据式（2-6）,整理可得
θωψ∂∂+=+==L i dt di L dt dL i dt di L dt d U s / （2-19）
根据图2-4，我们可以将式（2-19）分别写成电动和发电模式[13]：
Lmin
I(θ0
on on off off 图2.4 相绕组电感随角位置变化曲线及对应的电动、制动运行相电流波形
电动：θθωθ∂∂+=)()(L i dt di L U m m s （2-20）
发电：θπθωπ
θ∂+∂++=)()(r g g r s N L i dt di N L U （2-21）
其中0≤≤θπ
r N ，r N 代表转子极数。对式（2-20）、（2-21）进行求解，设
⎥⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=θθωθθτd dL dL )()()(，电流可大致表示为：
电动：)1)()(()()(θτθθωt s m e d dL U t i --= （2-22） 发电：⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣
⎡-⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤
⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡+=+-)(1)()(r N t r s g e d N dL U t i πθτθπθω （2-23）
这个等式清楚地告诉我们，对于给定转速和电压，电动状态下和发电状态下的电流波形是对称的。电动状态即SRM 下反电动势限制相电流的上升；而在发电状态即SRG 下反电动势在关断以后反而会促进电流的上升。因而，电动状态下仅仅通过开通角就可以决定相电流的最大值，而发电时相电流的最大值与开通角和关断角都有关系。
2.4 开关磁阻电机的基本控制原理
对于给定的开关磁阻电机，在最高外施电压s U 、允许的最大磁链max ψ与最大电流max i 条件下，存在一个临界角速度b ω，它是SR 电动机能得到最大转矩的最高角速度。这一临界角速度b ω称为“基速”。显然，基速b ω也就是SR 电动机能得到最大电磁功率的最低角速度。
根据SR 电机的基本运行原理可知，通过控制SR 电机相绕组的励磁顺序和励磁电流的区域，可实现电机的正转、反转、电动及制动等功能；通过调节励磁绕组电流的大小及其在电感变化区的通电角度来调节SR 电机的电磁转矩，可达到调节SR 电机转速的目的。
b s
c T r
图2.5 开关磁阻电机的运行特性
在文献[14]中，将b ω（最大功率下的最低转速）和sc ω（最大功率下的最高转速）定义为“第一临界速度”和“第二临界速度”,见图 2.5。在以b ω和sc ω为边界的不同区域内，采用不同的控制方式，给出控制变量（s U 、ref I 、on θ、off θ）的不同组合，便能得到满足不同需要的机械特性。
下面就汽车驱动装置所需的典型转矩一转速特性，从静止到基速具有恒转矩特性(保证电动汽车的起动转矩大，提速快)，在基速以上输出恒功率特性(可以充分利用电源功率，根据行驶状况自动调节转速)，这也是多数传动装置所需的一种典型转矩一转速特性。
2.4.1 基速b ω以下的情况
基速b ω以下时，采用电流斩波控制（Chopped Current Control ,简称CCC ），输出恒扭矩特性。
由开关磁阻电机的运行特性可知，当SR 电动机在低于b ω的速度范围内运行时，最大磁通max ψ与最大电流max i 随角速度r ω的降低而增大，为限制max ψ与max i 不超过允许值，应调节外加电压s U 、开通角on θ和关断角off θ这三个可控变量。我们采取的是通过斩波控制电压s U ，用电流限值max i 调制外加电压s U 加在导通相绕组上的有效时间宽度来改变外加电压的有效值，进而控制输出转矩变化。实际上，在负载转矩不变的条件下，调节s U 占空比的大小， r ω将随s U 有效值的变化而变化。而相电流波形除频率变化外，其大小、形状与on θ和off θ有关。因此，SR 电动机在调压调速时的运行特性像直流电动机一样，自然地给出了恒转矩的转速控制。
2.4.2 基速b ω以上, sc ω以下的情况
基速b ω以上时，采用角度位置控制（Angle Position Control ，简称APC ），输出恒功率特性。
当开关磁阻电机在高于b ω的速度范围内运行时，因旋转电动势较大，且各相主开关器件导通时间较短，因此电流较小。由SR 电机的运行特性可知，在外加电
压s U 、开通角on θ和关断角off θ一定的条件下，随着角速度r ω的增加，磁通链ψ
或电流i 将以1-r ω下降，转矩av T 则“自然”地以1-r ω下降，但这种自然降落可通
过按比例地增大导通角on off c θθθ-=来补偿，这样可控制导通时间不以1-r ω下
降，若做到使磁通以2/1-r ω下降，则转矩将受控制地随1-r ω下降(转矩与磁通的平
方程正比)，即可在一个较宽的速度范围内得到恒功率输出特性。因此，开关磁阻电机的APC 方式类似于直流电动机中减弱磁场的控制，适合恒功率负载[15]。 平均扭矩av T 自然的降落可以通过增大导通角c θ来补偿，但导通角的增大是有极限的，当开通角on θ和关断角off θ己调到极限值，没有进一步调节的余地，这时，SR 电机将回复到对应的自然机械特性上运行，转矩不再随转速的一次方下降，而是与转速的平方成反比，即呈串励特性运行，导通角增加到极限所对应的运行角速度。sc ω是APC 方式的上限。
2.5 开关磁阻电机调速系统
2.5.1 调速系统的组成
开关磁阻电机调速系统〔Switched Reluctance Drive,简称SRD 〕，主要由四部分组成:开关磁阻电机、功率电路、控制器和角位移传感器[9]，如图2.6所示。
电源-
图2.6 开关磁阻电机调速系统 开关磁阻电机是SRD 系统的执行元件，是实现机电能量转换的部件，也是SRD 系统有别于其它电动机系统的主要标志。SR 电机可以设计成多种不同相数结构，且定、转子的极数有多种不同的搭配。相数多，步距角小，利于减小转矩脉动，但结构复杂，且主开关器件多，成本高，它遵循“磁阻最小”原理，产生的磁拉力使转子转动。如图2.1所示，若三相绕组轮流通电，即A-B-C-A …,则转子连续
逆时针旋转，若改变通电相序为A-C-B-A…，则可使转子顺时针转动；若改变相电流大小，则可改变电机转矩的大小，进而改变转速；若在转子极转离定子极时通电，所产生的电磁转矩与转子旋转方向相反，为制动转矩。由此可知，通过简单地改变控制方式便可改变电机的转向、转矩、转速和工作状态。
功率电路是连接电源和电机绕组的开关部件，它的作用是电动时将电源提供的能量经适当转换后提供给电机，制动时将电机的能量反馈给电源。由于SR电机绕组是单向的，使得其功率变换器的主电路不仅简单，而且具有普通交流及无刷直流驱动系统所没有的优点，即相绕组与主开关器件是串联的，因而可预防短路故障。功率变换器的线路有多种形式，并且与SR电动机的相数、绕组形式等有密切关系。
控制器是SRD系统的中枢，起决策和指挥作用。它综合位置检测器、电流检测器所提供的电动机转子位置、速度和电流等反馈信息及外部输入的指令，然后通过分析处理，决定控制策略，向功率变换器发出一系列执行命令，从而控制SR 电机运行状态。它一般包括操作电路、调节器电路、工作逻辑电路、传感器电路、保护电路、信号输出电路、状态显示电路等。本课题采用德州仪器公司（TI）的TMS320F240 DSP数字信号处理器同ALTERA公司的MAX7000系列芯片及外围电路等组成的硬件系统,采用汇编语言编写程序，实现调速系统的控制。
SRD工作在自同步状态。位置闭环正是SRD有别于步进电动机传动系统的重要标志之一。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、转子齿极间实际相对位置的信号和转子运行速度的信号。而转子位置信号是各相主开关器件正确进行逻辑切换的根据。
2.5.2 系统的工作原理与特点
开关磁阻电机调速系统的整体工作原理如下：控制电路接受起动命令信号，在检测系统状态一切正常的情况下，根据位置传感器提供的电机转子位置信号，按起动逻辑给出相应的输出信号；该信号控制功率电路向电机绕组供电，使电机转子开始转动；当转子转过一定角度时，控制电路根据位置传感器信号的变化通过功率电路使电机通电相变化；当电机转速达到一定值时，控制电路从起动逻辑转化为低速运行逻辑，或再从低速运行逻辑转换为高速运行逻辑。运行中，控制电路测试电机运行中的转速或转矩等，并对其进行连续调节。当操作命令改变时，
如停车、制动等，控制电路再次改变工作逻辑，通过功率电路使电机实现操作要求。若运行中出现故障情况，如堵转、过载等，控制电路通过功率电路采取故障停车等保护措施，并通过显示电路报警。
由上述工作过程描述可以深刻体会到，开关磁阻电机调速系统是由SR电机、角位移传感器、功率电路和控制电路所组成的高性能机电一体化产品，其各部分紧密结合，缺一不可。
开关磁阻电机调速系统的性能特点：
1)SR电机结构简单，成本低，其突出的优点是转子上没有任何型式的绕组，因
此机械强度极高，可以用于超高速运转（如每分钟上万转）。
2)功率电路简单可靠。其每个功率开关器件均直接与电机绕组相串联，根本上
避免了直通短路现象。
3)系统可靠性高。从电机的电磁结构上看，各相绕组和磁路相互独立，当其中
一相绕组或控制器的一相发生故障时，只需停止该相工作，电机除了总输出功率能力有所减小外，并无其它妨碍。由此本系统可构成可靠性极高的系统，可以适用于宇航等特殊场合。
4)效率高，损耗小。一方面电机转子不存在绕组铜损耗，另一方面电机可控参
数多，灵活方便，易于在宽转速范围和不同负载下实现高效优化控制。
5)高起动转矩，低起动电流。这是本系统的一大特点。典型产品的数据是：起
动电流为15％额定电流时获得100％额定转矩的起动转矩。对比其它调速系统的起动特性，如直流电动机
为100％电流，获得100％转
矩；笼型异步电动机为300％
的电流，获得100％的转矩。
系统的这一优点可以延伸到
低速运行段，十分适合那些需
要重载起动和较长时间低速
重载运行的机械，如电动车辆
等。
6)可控参数多，调整性能好。控
N (%)
制开关磁阻电机的主要运行参数至少有四种：开通角、关断角、相电流幅值和相绕组电压等。我们采用不同的控制方法和参数值，既可使之运行于最佳状态(扭矩最大、效率最高、转矩脉动最小等)，还可使之实现不同的功能和特定的特性曲线，如四象限运行能力，并具有高起动转矩和串励电动机的负载能力曲线，如图2.7所示
7)适用于频繁起停及正反向转换运行。这类生产机械有龙门刨床、铣床冶金行
业的可逆轧机、飞锯、飞剪等。
8)本系统当然也存在一些不足，如振动噪声较大，低速扭矩脉动较大等。但是
随着有关研究工作的深入，这些缺点正在被逐步克服。
开关磁阻电机 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，是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统的最新一代无极调速系统。它的构造简单稳固，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，系统可靠性高。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，而转子位置检测器那么安装在电机的一端。 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、磁通状态直承受开关控制，故称为开关磁阻电动机。 特征 开关磁阻电机构造简单，性能优越，可靠性高，覆盖功率范围10W~5MW的各种上下速驱动调速系统。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 ◆其构造简单，价格廉价，电机的转子没有绕组和磁铁。 ◆电机转子无永磁体，允许较高的温升。由于绕组均在定子上，电机容易冷却。效率高，损耗小。 ◆转矩方向与电流方向无关，只需单方相绕组电流，每相一个功率开关，功率电路简单可靠。 ◆转子上没有电刷构造稳固，适用于高速驱动。 ◆转子的转动惯量小，有较高转矩惯量比。 ◆调速范围宽，控制灵敏，易于实现各种再生制动才能。 ◆并具频繁启动〔1000次/小时〕，正向反向运转的特殊场合使用。 ◆且启动电流小，启动转矩大，低速时更为突出。 ◆电机的绕组电流方向为单方向，电力控制电路简单，具有较高的经济性和可靠性。 ◆可通过机和电的统一协调设计满足各种特殊使用要求。 缺点 其工作原理决定了，假设需要开关磁阻电机运行稳定可靠，必须使电机与控制配合的很好。 因其要使用位置传感器，增加了构造复杂性，降低了可靠性。 对于电机本身而言，转矩脉动大是其固有的缺点；在电机远离设计点的时候，转矩脉动大会表达的更加明显。 假设单纯使用电流斩波或最优导通角控制方法，对其转矩脉动的改善不是很大，需要参加更加复杂的算法。 另外，运行时噪音和振动较大、非线形性强也是开关磁阻电机需要解决的问题。 目前国内实用的磁阻电机属于初级阶段，部分产品控制相对粗放，电机的响应速度慢、低速下的脉动大，难以实现较高的控制精度。 构造原理 双凸极构造
7.2 开关磁阻电动机 开关磁阻电动机调速系统（Switched Reluctance Drive ，简称SRD ）是20世纪80年代中期发展起来的新型交流调速系统， 它由开关磁阻电动机（SRM ）、功率变 换器、位置检测器及控制器所构成， 其系统构成与永磁无刷直流电动机几 乎一样，如图7-19所示。它以其电机 结构简单可靠、系统效率高、高速运行区域宽等优良性能成为交流调速领域中的一支新军。 7.2.1 开关磁阻电动机的结构及其动作原理 典型的三相开关磁阻电动机的结构如图7-20所示。其定子和转子均为凸极结构，图示电机的定子有6个极（6s N =），转子有4个极（4r N =）。定子极上套有集中线圈，两个空间位置相对的极上的线圈顺向串联构成一相绕组，图7-20 a)中只画出了A 相绕组；转子由硅钢片叠压而成，转子上无绕组。该电机则称三相6/4极开关磁阻电动机。在结构形式及工作原理上，开关磁阻电动机与大步距反应式步进电机并无差别；但在控制方式上步进电机应归属于他控式变频，而 开关磁阻电动机则 归属于自控式变频； 在应用上步进电机都用作“控制电机”而开关磁阻电机则是拖动用电机，因此电机设计时所追求的目标不同而使电机的设计参数不同. 工作原理 当A 相绕组通电时，因磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，将力图使转子转动最终使转子1、3极和定子A 、A '极对齐，A 相断电、B 相通电时，则B 相电流产生的磁吸力要吸引转子2、4极，使转子逆时针转动，最终使转子2、4极与定子B 、B '对齐，转子在空间转过30θ=机械角。再使B 相断电、C 相通电，转子又将逆时针转过30,一个通电周期使转子在空间转过了一个齿距。电机若按A-C-B-A 的顺序通电，则反方向旋转。电流的方向不影响上述的动作过程。 为保证开关磁阻电动机能连续旋转，当A 相吸合时,B 相的定、转子极轴线应错开1/m 个转子极距，m 为电机相数，若电机极对数为p ，定子极数2s N mp =，则转子极数应为 p m N r /)1(2 =。根据这个规律，可得到各种不同相数、不同极数的开关磁阻电机，常用 的有：三相6/4极，三相6/8极，四相8/6极，四相8/10极，三相12/8极等。 当电机定子每相绕组的通电频率为f 时，每个电周期转子转过一个转子极距，每秒钟转过f 个转子极距，即每秒转过r f N 转。电动机的转速与绕组通电频率的关系为 60r f n N = （7-5） 7.2.2 开关磁阻电动机的工作原理 图7-20 开关磁阻电动机动作原理图
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。
开关磁阻电机组成-概述说明以及解释 1.引言 1.1 概述 开关磁阻电机是一种新型的电机，它利用磁阻效应来实现能量转换。相比传统电机，它具有结构简单、体积小、效率高的优点，因此在各种领域都有着广泛的应用前景。本文将对开关磁阻电机的原理、组成部分、工作特点以及未来发展前景进行深入探讨，旨在帮助读者全面了解这一新型电机的优势和应用领域，以及对未来的展望。1.1 概述部分的内容 1.2 文章结构 文章结构部分介绍了整篇文章的框架和组织方式。首先，我们会简要介绍每个章节的内容，包括引言、正文和结论部分。然后，我们会详细说明每个章节的具体内容和重点，以便读者了解文章的整体结构和主要讨论内容。最后，我们会强调本文的目的和意义，引导读者对整篇文章有一个清晰的认识。通过文章结构部分的介绍，读者可以更好地把握整篇文章的主旨和重点内容，有助于他们更好地理解和消化文章所述的知识。 1.3 目的 本文旨在深入探讨开关磁阻电机的组成和工作原理，以便读者对其有更全面的了解。通过对开关磁阻电机的结构和工作特点进行介绍，读者可以更好地理解其在工程和科技领域的应用。同时，本文也旨在总结开关磁
阻电机的优势，并展望其在未来的发展前景，为读者提供关于这一领域的前沿信息和未来发展趋势。希望本文能够为读者提供有益的知识，让他们对开关磁阻电机有更深入的了解和认识。 2.正文 2.1 开关磁阻电机的原理 开关磁阻电机的原理是基于磁通分配原理。当电机的定子和转子上的绕组通电时，产生的磁场会使铁心中的磁通分布发生变化。在转子位置发生变化时，会引起定子和转子之间的相对运动，从而产生电动势和电流，从而驱动转子转动。 开关磁阻电机利用磁阻效应来调节电机转子位置，从而实现电机的正反转和调速。它通过在绕组中引入开关电源，改变磁通的路径，使得磁阻产生变化，从而控制转子的位置和速度。 在开关磁阻电机中，通过精确控制磁阻，可以实现高效率、快速响应的电机运行。这种原理使得开关磁阻电机具有良好的动态性能和节能特点，适用于需要快速响应和高效率的应用场景。 2.2 开关磁阻电机的组成部分 开关磁阻电机的组成部分包括以下几个主要部件： 1. 转子：开关磁阻电机的转子通常由多极磁性材料制成，其特殊的磁
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
开关磁阻电机控制系统 摘要:开关磁阻电机(SRM)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新一代调速系统。它的结构简单坚固，调速范围宽，系统可靠性高,可以进一步提升系统的安全稳定性。 关键词：驱动系统；电动机；开关磁阻电机 1引言 开关磁阻电机是SRD系统中实现能量转换的部件,也是SRD系统有别于其他电动机驱动系统的主要标志。与反应式步进电机相似,SR电机系双凸极源可变磁阻电动机,其定,转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成,且定,转子极数不同。定子上装有简单的集中绕组,转子只由叠片构成,没有绕组和永磁体。功率变换器向SR 电机提供运转所需的能量,由蓄电池和交流电整流后得到知的直流电供电。控制器是系统的中枢。它综合处理速度指令,速度反馈信号及电流传感器,位置传感器的反馈信息,控制功率变换器中道主开关器件的工作状态。 2电动机的种类区分 如今最常使用的电动机分别有一下四类 （1）直流电动机 直流电动机的成本低廉、电路简单、易于实现平滑调速，同时有着良好的四象限运行能力，满足用于电动汽车的部分需求。
然而传统直流电机存在机械换向器和电刷，运行中会产生电火花和电磁辐射，从而干扰到车辆的电子控制系统，不利于车联网体系的建立。除此之外，机械换 向器有着极为复杂的结构，难以简单制造且使车速到达高速。 （2）交流感应电机 交流感应电机一般采用六用鼠笼型的结构，对比与其他电机，三相鼠笼型电 动机成本较低，运行效率高，拥有良好的可靠性的同时便于维修的优点，而且体 积小。通过一定的控制策略，，交流感应电机也可以实现类似于直流电机的良好 调速特性。但与此同时，交流感应电机用电量大，在使用过程中发热严重，调 速性能不佳，控制系统复杂且需要一定的成本。 （3）无刷永磁电机 永磁电机是一种高性能新兴电机。永磁无刷直流电机结构中不含换向器和电刷，这样一来永磁电机一方面继承了直流电机优秀的调速性能又避免了机械换向 器和电刷带来的负面影响。相较于此前介绍的几种电机，永磁电机有更高的功率 和转矩，极限转速高、制动性能好。散热性能更好。加之永磁电机也具有优异的 四象限运行能力，使得永磁电机作为较晚出现的电动车用电机却后来者居上，近 些年来表现出越来越迅猛的发展势头。然而，在应用反面永磁电机有几个不可回 避的缺点。其一，永磁材料受温度影响大，在大电流负载时，温度的上升会导致 永磁材料性能下降。其二、受限于转子磁轭与定子之间安装的机械强度，永磁电 机难以承受高速运行状态。其三、稀土永磁体的价格昂贵，导致永磁电机的制造 成本上升。其四、大型稀土永磁体会吸引周围飞散的金属碎屑，对电极稳定运行 不利。其五、受限于自身的结构及材料特点，永磁电机难以获得高于基速两倍及 以上的转速。这些问题在实际应用中限制了永磁电机的适用范围。 （4）开关磁阻电机 开关磁阻电机（SRM）是一种双凸极变磁阻电机，转子不含永磁体而是由硅 钢片叠压而成。从结构上来看对比与其他电机，开关磁阻电机相对较为稳定，并 且在转速、转矩方面的调速范围更广，并且在可靠性已经稳定方面，开关磁阻电
1.1开关磁阻电机 开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor，SRM）是一种定子单边激励，定转子双凸极的磁阻式电动机，由于定子电流由变频电源供电，电动机必须在特定的连续的开关模式下工作，所以通常称为“开关磁阻电机”。它是上世纪八十年代出现的一种新型无刷电机，具有结构简单、可控参数多、控制灵活、效率高等优点，使得其在电动车驱动系统、家用电器、先进制造、矿山机械、航空航天等领域得到了广泛应用。 目前，国内对开关磁阻电机的研究主要集中在控制算法研究、噪声和振动研究、损耗分析等方面。国外对开关磁阻电机在高速燃油泵电机、高速发电机、高速起动/发电机等航空、航天方面的应用进行了大量研究，例如美国研制的250千瓦、222,24转/分航空开关磁阻起动/发电机的功率密度高达5.3kw /kg；法国研制了一台1千瓦、转轴采用复合材料的超高速运行的开关磁阻电机，其最高转速可达200,000转/分。 SRM是双凸极可变磁阻电动机，它的定子、转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成。转子既无绕组也无永磁体，定子极上绕有几种绕组，按相数和齿极数来分，开关磁阻电机有三相6/4、12/8或四相8/6、16/12等结构。对于SR电机，转子磁场变化频率与转子齿数成正比，而转子损耗主要来自于转子磁场变化所产生磁滞损耗和涡流损耗。电机的定、转子的极数有多种不同的搭配，相数越多，步距角小，利于减小转矩脉动，但结构复杂，且主开关器件多，成本高。目前应用较多的是四相（8/6）结构，见图1-1。图中只画出了A相绕组及其供电电路。 图1-1 四相SR电动机结构图（其中的一相）
SRM 有如下优点： （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，可允许有较高的温升。 （3）转矩方向与电流方向无关，从而可最大限度简化功率变换器，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，无感应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，易于实现各种特殊要求的转矩－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。 （9）容错能力强。开关磁阻电机的容错体现在电机某一相损坏，电机照样可以运行。 当然SRM 也有其缺点，目前存在的主要缺点有： （1）采用的是磁阻式电动机，其能量转换密度低于电磁式电动机。 （2）转矩脉动较大，通常的转矩脉动典型值是 15%。由转矩脉动所导致的噪声及特 定频率下的谐振问题也较为突出。 （3）相数越多，主接线数越多。 （4）需要根据定转子的相对位置投励。 （5）必须与控制器一同使用，而不能直接接入电网作稳速运行。 2.1开关磁阻电动机调速系统 开关磁阻电动机调速系统(简称SRD)是一新型的机电一体化交流调速系统,它融新的电 动机结构——开关磁阻电动机(简称SR 电机)与现代电力电子技术、控制技术为一体,是当前国内外现代交流调速领域热门的研究课题。 SRD 主要由SRM 、功率变换器、控制器、位置检测器等四大部分构成，如图2-1所示。 功率变换器 位置检测 电流检测 SRM 控制器 机械 输出 电源速度 给定 图2-1 SRD 基本构成框图
开关磁阻电机调速系统及其应用 中心议题： ?开关磁阻电机调速系统发展概况 ?开关磁阻电机调速系统基本构成 ?开关磁阻电机调速系统的应用 解决方案： ?磁阻电机 ?功率变换器 ?控制器 ?位置检测器 开关磁阻电动机调速系统SRD（SwitchedReluctanceDrive）是继变频调速系统、无换向器电动机调速系统之后发展起来的最新一代交流无级调速系统。它具有结构简单、坚固、成本低、工作可靠、控制灵活、运行效率高等诸多优点，由其构成的传动系统具有交、直流传动系统所没有的优点。本文主要介绍了开关磁阻电机调速系统的发展概况及基本构成，并对开关磁阻电机调速原理进行分析，并在对其优缺点的基础上详细阐述了其应用场合与领域。 1开关磁阻电机调速系统发展概况 开关磁阻电机（SwitchedReluctanceMotor，SRM或SR电机）基本原理最早提出在19世纪40年代，当时的研究人员认为利用顺序磁拉力使电动机旋转是简单可行的。1842年，英国的Aberdeen和Davidson制造出了最初的SRM模型，但是因为当时的科技条件落后，电动机的运行特性很差。以后的100多年间，开关磁阻电机的发展缓慢。1975年，英国Leeds大学和Nottingha大学这2所大学的研
究小组联合参了Chlorid公司发起的制造蓄电池车辆驱动装的研究，成功地研制出驱动电动汽车的SRD。1980年，Leeds大学的Lawrenson及其同事总结了自己的研究成果，发表论文“开关磁阻调速电动机”，标志着SR正式得到国际承认。1983年，英国TASCDriv公司推出第1台商品化SRD——Oulton传动置（7.5kW，1500r/min）；1984年又推出4~kW4个规格的系列产品[1]。作为一种性能价格高的新型调速系统，SRD的问世不久，引起各界的广泛关注。美国、加拿大等国竞相发展，并在系统一体化设计、微机应用、电动机电磁分析、功率元件应用、新型结构开发等方面取得了很大进展。 我国对开关磁阻电动机调速系统的研究起步尽管较晚，但是起点较高，在借鉴国外经验的基础上发展速度较快。我国对开关磁阻电动机调速系统的研究与试制起步于20世纪80年代。1988年在南京召开的第一届开关磁阻电机研讨会。1992年，在中国电工技术学会中小型电机专业委员会领导下成立了开关磁阻电机学组，以更好地推动开关磁阻电机研究工作的进展。在借鉴国外经验的基础上，国内对开关磁阻电机调速系统的开发研究尽管起步较晚，但是起点较高，研制目标基本都集中在较为成熟的三相或四相控制方案上。一批高等院校、研究所开展了这项工作，部分重点高校招了多期以开关磁阻电动机调速系统为课题的博士生、硕士生，取得了从基础理论到设计制造技术多方面成果与进展。迄今为止，已有十余家单位推出不同性能、不同用途的几十个系列规格产品，应用于纺织、冶金、机械、运输等行业的数十种生产机械和交通工具中，开关磁阻电动机调速系统在一些机械中发挥出独有的优势。 2开关磁阻电机调速系统基本构成 开关磁阻电动机调速系统主要由开关磁阻电动机（SRM）、功率变换器、控制器和检测器组成[2]。如图1所示： （1）磁阻电机
开关磁阻电机调速系统 电动机作为一种量大面广的机电产品，是最主要的电能消耗设备，在我国，仅中小型电动机所消耗电能就占全国发电量的60%以上。在各类电动机中，需要调速运行或可采用调速运行的近三分之一。这些电动机采用调速节电技术后，平均节电率可达20%，每年能够为国家节约用电数百亿度，具有巨大的经济与社会效益。开关型磁阻电动机调速系统（Switched Reluctance Driver，简称SRD）是以现代电力电子与微机控制技术为基础的机电一体化产品。它由开关型磁阻电动机（简称SR电动机）与微机智能控制器两部分组成，其突出特点是效率高、节能效果好，调速范围广，无起动冲击电流，起动转矩大，控制灵活，此外，还具有结构简单、坚固可靠，成本低等优点。除可以取代已有的电气传动调速系统（如变频调速系统）外，SRD还十分适用于运输车辆驱动、龙门刨床、提升机械等需要重载起动，频繁起动、正反转，长期低速运行等特殊应用场合。SRD是当代电气传动领域的热门课题。国外已有正式的产品，我国已从理论研究迈步到工业应用阶段。目前，SRD技术正处于产业化突破的关键时期，谁开发出了成熟的工业化产品，谁就抢得了市场先机，必将能够获得丰厚的利润回报。 2001年，山东科汇电气股份有限公司与淄博牵引电机（集团）股份有限公司合作，发挥两个单位分别在电力电子技术与电机技术开发方面的优势，加快SRD产品开发进度。SRD课题组与北京交通大学、山东理工大学合作，攻克了数个技术难关，已推出1.1kW～132kW 具有自主知识产权的系列产品，鉴定为世界先进产品，具备了批量生产条件。 SRD技术特点 （1）效率高，节能效果好。在所有的调速和功率范围内，SRD整体效率比交流异步电动机变频调速系统（简称变频调速）至少高3%以上，在低速工作的状态下其效率能够提高10%以上。与直流调速、串级调速、电磁调速等系统相比，SRD节电效果更明显。 （2）起动转矩大，特别适合于那些需要重载起动和负载变化明显并且频繁的场合。SRD控制器从电源侧吸收较少的电流，在电机侧可得到较大的起动转矩，起动转矩达额定转矩的150%时、起动电流仅为额定电流的30%，比之交流电动机的300%电流获得100%的转矩的性能，优势非常明显。 （3）调速范围广。SR电动机可以在低速下长期运行。由于效率高，在低速下的温升程度比额定工况时还要低，解决了变频调速低速运行下电机发热问题。此外，SR电动机最高转速不会像交流电动机那样受极数的限制，可以根据实际需要灵活地设定最高转速。 （4）可频繁正、反转，频繁起动、停止，因此，非常适合于龙门刨床、可逆轧机、油田抽油机等应用场合。 （5）起动电流小，避免了对电网的冲击。SRD具有软起动特性，没有普通交流电动机起动电流大于额定电流5～7倍的现象。 （6）功率因数高，不需要加装无功补偿装置。普通交流电动机空载时的功率因数在0.2～0.4，之间，满载在0.8～0.9之间；而开关磁阻电机调速系统在空载和满载下的功率因数均大于0.98。 （7）电机结构简单、坚固、制造工艺简单，成本低。工作可靠，能适用于各种恶劣、高温甚至强振动环境。
开关磁阻电机简介及工作原理 摘要：开关磁阻电动机调速系统（Switched Reluctance Drive ：SRD）是继变频调速系统、无刷直流电动 机调速系统之后发展起来的最新一代无级调速系统，是集现代微电子技术、数字技术、电力电子技术、红 外光电技术及现代电磁理论、设计和制作技术为一体的光、机、电一体化高新技术。它具有调速系统兼具 直流、交流两类调速系统的优点。英、美等经济发达国家对开关磁阻电动机调速系统的研究起步较早，并 已取得显著效果，产品功率等级从数w直到数百kw，广泛应用于家用电器、航空、航天、电子、机械及电 动车辆等领域。 关键词：开关磁阻电动机调速系统开关磁阻电机不对称桥式驱动电路 一.SRG的简介 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，是继变频调速系统、无刷直流电动机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，系统可靠性高。主要有开关磁阻电机、功率变换器、控制器与位置检测器四部分组成。控制器内包含功率变换器和控制电路，而转子位置检测器则安装在电机的一端。 现如今，开关磁阻电机的应用和发展取得了明显的进步，已成功地应用于电动车驱动、通用工业、家用电器和纺织机械等各个领域，功率范围从10W到5MW，最大速度高达100,000r/min。 开关磁阻电机是磁阻电机与现代电力电子技术、微机控制技术相结合的产物，它既继承了磁阻电机结构简单坚固的优点。又在高速发展的电力电子和微机控制技术的支持下获得了良好的可控性以及较高容错能力。因此它在驱动调速领域得到了广泛的应用，同时也在发电领域，如航天启动，发电系统和风力发电系统等应用方面得到越来越多的重视。 二.SRG的基本结构与工作原理 SRG采用双凸极结构其定子和转子均是由普通的硅钢片叠压而成。转子上既无绕组也无永磁体定子上绕有集中绕组径向相对的两个绕组可以串联或并联在 一起，称为―相。SRG可以设计成多种不同相数结构且定子和转子的极数有不同的搭配。常见的搭配有三相6/4极、三相6/8极、三相12/8极四相8/6极、四相8/10极等。其三相12/8极电机结构图如图所示。 S 1 D 1 S 2
开关磁阻电机调速系统 开关磁阻电机调速系统(SwitchedReluctanceDriver,简称SRD)是以现代电力电子与微机控制技术为基础的机电一体化产品。除了具有显著的节能效果外，开关磁阻电机的理论研究和实践证明，它与常用的三相异步电动机相比还有以下优点： 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，端部短而牢固，工作可靠，能适用于各种恶劣、高温甚至强振动环 2.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； 3.调速范围宽，控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩； 4.在宽广的转速和功率范围内都具有高效率； 5.损耗主要产生在定子，电机易于冷却，转子无永磁体，无高温退磁现象； 6.转矩方向与电流方向无关，从而可最大限度简化功率变换器，降低系统成本； 7.功率变换器不会出现直通故障，可靠性高； 8.能四象限运作，具有较强的再生制动能力； 开关磁阻电机调速系统(SRD) 开关磁阻电机调速系统(SRD)是当今世界最新、性能价格比最高的调速系统。它是一种基于改变供电电源频率的调速方式交流变频调速系统应运而生。而开 关磁阻电机调速系统(又称开关磁阻电机驱动系统)简称SRDS统，是它们中崭新的一种系统，并且已经是智能化和模块化，不仅调速性优越，而且各种保护功能也很完善，已在很多方面大量使用。这项技术一经问世，便以其宽广的调速范围，良好的机械特性，卓越的启动制动性能，节能，易维护等一系列突出优点而引起电气及其他行业的关注。SRDS统是磁阻电动机和电力电子技术相结合而产生的一种机电一体化装置，主要由SRMFF关磁阻电动机、功率变换器、单片机(或DSP芯片)、电流及位置检测器等五大部分组成。其组成与特点：1.1开关磁阻电动 机(SwitchedReluctanceMotor,简称SRM)是系统中实现能量转换的部件，它与传统的磁阻电动机相比，具有本质的区别。在结构上，SRMK用双凸极形式， 即定子、转子均为凸极式构造；定子线圈采用集中式而不是分布式绕组；加在定 子绕组上的电压为不连续的矩形波而非连续的正弦波。转子仅由硅钢片叠压而成，既无绕组也无永磁体，定子各极上绕有集中绕组。图2所示为8/6极(定子 八极、转子六极)四相SRMW面图.SRMt两种独特的运行方式：低速时采用电流斩波方式；高速时采用单脉冲角度控制方式。在电流斩波方式中，系统是通过调节相绕组电流的大小来控制转矩，因此能准确知道绕组中实际电流的大小，对电流进行反馈是很必要的；在角度位置控制方式中，系统通过调节触发角和关断角来实现对转矩的控制，此时电流己不再作为控制量，但为了防止系统过载或故障则要进行过流保护，所以系统中需要进行电流检测。1.11开关磁阻电动机 (SRM)T作原理遵循“磁阻最小原理”，通电后，磁路有向磁阻最小路径变或化的趋势。当转子凸极与电子凸极错位时，气隙大、磁阻大：一旦定子磁极绕组通
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
开关磁阻电机系统设计 1.1 关磁阻电机的优点与缺点 (2) 1.1.1 开关磁阻电机的优点： ............................ 2 1.1.2 开关磁阻电机的缺点.............................. 2 1.2 开关磁阻电动机应用和发展.............................. 2 第2章开关磁阻电动机工作原理与结构 . (4) 2.1 开关磁阻电动机的工作原理 (5) 2.1.1 基本结构........................................ 5 2.1.2 SRD的工作原理 ................................. 5 2.1.3 SRD的特点 ..................................... 5 2.2 开关磁阻电动机的结构 .................................. 5 第3 章开关磁阻电动机电磁设计 .. (9) 3.1设计特点 .............................................. 9 3.2 确定SR电动机额定数据................................ 9 3.3 计算SR电动机的主要尺寸 ............................... 9 3.4 计算机辅助设计程序 . (13) 第4章SRD系统控制原理设计 .............................. - 19 - 4.1 控制系统的总体设计 ................................... 14 4.2 控制器的设计 .. (14) 4.2.1译码电路：..................................... 16 4.2.2晶振及复位电路 ................................. 16 4.2.3斩波电流水平给定电路 ........................... 17 4.2.4斩波控制电路................................... 17 4.2.5转速给定电路 ................................... 17 4.2.6键盘给定与显示电路 ............................. 18 4.3 电流检测器的设计 .................................... 18 4.4 位置检测器的设计 .................................... 19 4.5 功率变换器的设计 ..................................... 20 4.5.1 功率变换器的主电路形式 ......................... 20 4.5.2 开关元件的选择 (21) 第5章开关磁阻电动机调速系统 (22)
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， T=3600/8=o 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