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开关磁阻电机的设计与应用引言开关磁阻电机是一种新型的电机，具有结构简单、体积小、响应快、效率高等优点，在工业生产和家用电器等领域得到广泛应用。
本文将介绍开关磁阻电机的设计原理、构造和工作方式，并探讨其在不同领域的应用。
1. 开关磁阻电机的设计原理开关磁阻电机是通过控制磁场的方向和大小来实现转动，其设计原理基于磁阻效应和磁场的反转。
当电流通过绕组时，会产生一个磁场，根据右手定则，当磁阻材料中的磁场方向与绕组的磁场方向相反时，就会出现瞬时的磁流偏移，导致磁场的反转。
通过不断地反转磁场的方向，可以产生连续的转动力。
2. 开关磁阻电机的构造开关磁阻电机主要由转子、定子和驱动电路组成。
2.1 转子转子是开关磁阻电机的核心部件，由磁阻材料制成。
磁阻材料通常采用铁短路片或磁铁片，具有高导磁性和低磁饱和性。
转子上绕有线圈，通过控制线圈通电情况，可以控制转子的磁场方向和大小。
2.2 定子定子是开关磁阻电机中固定的部件，用于产生或感应磁场。
定子一般由永磁体或电磁体构成，永磁体具有固定的磁场，电磁体则通过外部电源提供磁场。
定子的磁场与转子的磁场交互作用，产生转动力。
2.3 驱动电路驱动电路是控制开关磁阻电机正常工作的关键部分，它负责提供正确的电流和电压信号，并控制磁场的反转。
驱动电路一般由电能转换器、控制芯片和传感器组成。
3. 开关磁阻电机的工作方式开关磁阻电机主要有两种工作方式：单相工作和多相工作。
3.1 单相工作单相工作是指开关磁阻电机通过单个绕组进行驱动，具有结构简单、成本低的优点。
但由于只有一个驱动绕组，单相工作的开关磁阻电机转速较低，扭矩较小，适用于一些低负载和速度要求不高的应用。
3.2 多相工作多相工作是指开关磁阻电机通过多个绕组进行驱动，具有转速高、扭矩大的优点。
多相工作的开关磁阻电机可以灵活控制磁场的变化，达到更高的效率和更精确的转动性能。
但多相工作的开关磁阻电机相对于单相工作来说，结构复杂，成本较高。
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。
开关磁阻电机的结构
一、开关磁阻电机简介
开关磁阻电机是一种无刷直流电机，通常是一两极电机，它的主要特点在于其简单的结构，运行可靠，维护方便，制造成本低廉，且功率调节功能较强，可以用于电动机的调速控制，因此在电动机控制中得到了广泛的应用。
二、开关磁阻电机结构
开关磁阻电机一般由电枢、电阻器、机座、定子绕组、调速控制装置及电路等部分组成。
（1）电枢：电枢由电枢支架、转子及定子绕组组成，电枢支架由铸铁、铸铝等材料制成，转子由转子能磁性材料和绕组组成，定子绕组由定子电感线圈组成，定子绕组的起动端和终止端分别接在电枢支架上。
（2）电阻器：电阻器是开关磁阻电机的重要部件，它是由电阻罩、电阻片、电阻螺母、电气螺母、绝缘片等组成的，电阻片的电阻可以通过更换不同的电阻片来实现对电机转速的调节。
（3）机座：机座主要由机座壳、机座座轴、机座底座、机座轴承、滤网等组成，机座壳用以固定电枢及支撑它，机座座轴用以将电机固定至机座底座上，机座轴承用以支撑电机转子，滤网主要用以防止灰尘进入电枢内部。
（4）调速控制装置及电路：调速控制装置由变阻器，控制电路、控制板等组成，它的主要功能是根据控制信号控制电阻片的位置，从
而改变电机的转速。
控制电路可以用小电压信号控制，或者用模拟量信号控制。
三、开关磁阻电机的作用
开关磁阻电机可以用于电动机的调速控制，用于调节电动机的转速和扭矩，以达到所需的转矩和转速要求，且具有可靠性高、调速灵敏、功率可调范围大等优点，因此被广泛应用于各类电动机的控制中。
开关磁阻电机的结构开关磁阻电机是一种特殊电动机，它的结构相对简单，但性能出色，用于许多领域，特别是在汽车电动助力系统中。
下面是开关磁阻电机的结构及相关参考内容。
1. 结构概述开关磁阻电机主要由转轴、转子、固定子、定子、绕组、永磁装置和控制系统等组成。
2. 转轴转轴是开关磁阻电机旋转的部分，通常由高强度材料制成，以承受转子的负载和旋转惯性。
3. 转子转子是开关磁阻电机中负责产生磁场的部分。
在开关磁阻电机中，转子是一个金属圆柱体，上面安装有一系列的磁铁。
这些磁铁被称为极对，它们的极性可以通过控制系统改变。
4. 固定子和定子固定子是开关磁阻电机中负责产生磁场的部分。
固定子由一系列磁体组成，安装在电机的外部。
定子是固定子的支架，将固定子固定在适当的位置。
5. 绕组绕组是开关磁阻电机中负责通电的部分。
它通常由一系列的线圈组成，线圈被绕在转子和固定子上。
绕组通电时，通过连接到电源的控制系统，会在绕组中产生电流。
6. 永磁装置永磁装置通过提供一个恒定的磁场来辅助电机的运行。
它由一系列的永磁体组成，这些永磁体通常安装在转子上。
7. 控制系统控制系统是开关磁阻电机中关键的部分。
它通过控制绕组中的电流和转子上的磁极，来实现电机的启动、停止和调速等功能。
控制系统通常由微处理器控制，能够实时监测电机运行状态，并根据需要进行调整。
参考内容：- S. Yilmaz, "Switched reluctance motor drives: magnetic design, control and faults diagnosis," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 61, no. 11, pp. 6544-6555, Nov. 2014.- F. J. T. E. Ferreira, "Switched reluctance motors," in Handbookof Automotive Power Electronics and Motor Drives, Ed. Marcel Dekker, Inc., pp. 827-843, 2005.- A. Salminen, "Model-based design and powertrains: a case studyin switched reluctance motors," in Proceedings of the 2006 American Control Conference, Minneapolis, MN, USA, pp. 3086-3091, Jun. 2006.- M. B. Ebrahimi, "Optimal design of switched reluctance motor drives systems considering the effects of PWM selectivity and bus voltage modulation," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 20, no. 4, pp. 807-820, Jul. 2005.- H. Guo, "The finite element analysis method of switched reluctance motor design," in Proceedings of the 2011 InternationalConference on Electronic & Mechanical Engineering and Information Technology, Harbin, China, Aug. 2011.。
开关磁阻电机简介
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。
开关磁阻电机结构简单，性能优越，可靠性高，覆盖功率范围10W~5MW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）。
◆其结构简单，价格便宜，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。
◆转子上没有电刷结构坚固，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，控制灵活，易于实现各种再生制动能力。
◆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。
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 =2kmN = 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。
图1-2开关磁阻电机调速系统构成初次以外，我还搜集了几种不同结构的SR 电机，分别有涡轮转子两相SR 电机，可控饱和两相SR 电机、常规结构三相6/4级SR 电机、三相6/8SR 电机、三相12/10级SR 电机、三相6/2级SR 电机、三相12/8级SR 电机、三相24/32极外转子SR 电机、五项10/8级短磁SR 电机、七相14/12极短磁路SR 电机，具体配图见报告末尾备注。
二． SRD 的物理方程与控制分析SRM 的双凸极结构及整个磁路的脉振性、高饱和、涡流、磁滞等非线性因素的存在，加上运行时的开关性，使得的SRM 精确分析极为困难【41,44】。
在此问题上，适度的简化模型显示了强大的优势。
首先，基于简化模型的假设如下【28，102】：主开关电源的直流电压(±Us)不变；忽略铁耗及相间互感；忽略功率开关自身的功耗，视为理想开关器件；认为电机各相参数完全对称；磁场不饱和。
在此基础上，我们可以得到SRM 运行的本质电磁和力学关系，写出其严密的物理方程[1,2,3,7]。
1.电路方程 dt d i R U k k k k ψ+= (1-2) 式中，U k ：第k 相绕组端电压；R k 、i k 、k ：第k 相绕组的电阻、电流和磁链。
2.磁链方程相绕组磁链可用相电感和相电流表示，即：()θ,k k k i ψ=ψ(1-3)式中，：转子位置角。
3.机械方程L e T D dt d J T ++=ωω (1-4)其中：ωθ=dt d (1-5)602n πω= (1-6) 式中，ω：角速度；Te ：电磁转矩；L T ：负载转矩；J ：转动惯量；D ：摩擦系数。
4.机电联系方程单相单独工作时电机产生的电磁转矩为：'21|2ph i const L T i ωθθ=∂∂==∂∂ (1-7)且 ： di k i k ⎰ψ=0'ω (1-8)式中，'ω：相绕组磁共能。
由电路方程，可求得简化模型下的相电流解析式为：kk ()U i f θω= (1-9) 其中，f(θ)为电机本体参数、开通范围及转子位置角的函数。
因此，可得到m 相电机的平均电磁转矩为：22/2/222001()224r r N N r r av mN mN U L L T i d f d ππθθθπθπωθ∂∂==∂∂⎰⎰ (1-10) 5. 机械特性方程如果开通区间和给定电压固定，则式(1-10)中积分部分为定值，由此得到SRM 固有机械特性为：2av kT ω= (1-11)式中，k 为比例系数。
将式1-11变形可得：ω= (1-12)由此可明显看出，SRM 可调速参数较多，分别为：相绕组电压Us 、开通角onθ和关断角off θ。
根据调节参数的不同，可将SRD 常见调速方式分为三种[1,53,58,59]斩波控制方式(Current Chopping Control ，简称CCC)；角度位置控制方式(Angular Position Control ，简称APC)；和电压控制(VoltageControl ，简称VC)，其中VC 常采用电压PWM （Pulse Width Modulation ，简称PWM ）方式，如图1-3所示。
三种调速方式中，CCC 常用于基速以下的恒转矩区，通过电流斩波限来限制其启动电流。
APC 则适用于基速以上的恒功率区，因旋转电动势较大，开关器件导通的时间较短，电流较小，可通过APC 方式增大on θ来补偿电磁转矩。
电压PWM 方式通过调节绕组电压平均值，间接调节并限制绕组电流，适用于整个调速范围。
下图 1-4 a)- c)分别为各调速方式的控制框图。
r b sc图1-3 SRD 常见调速方式应用为使SRD 工作于最佳状态，需结合不同的调速方式选择合适的控制策略。
目前较常用的有传统PI 控制[17]、模糊控制【4,30】、滑模控制【33】及其组合控制【34,35】等。
由于其电机的强耦合和非线性等特性，传统控制无法满足系统高性能的要求，智能控制正逐步应用于SR 电机控制领域，很多学者致力于该方面的研究，如自适应控制【27,28，31】、反馈线性化控制【59】、人工神经网络控制【43，45】等。
三．SRD的控制方式以及运行状态开关磁阻电机在运行时，有三种物理状态：1．起动2．稳态运行3．制动控制开关磁阻电机稳态运行时,控制方式有三种,分别是电流限制CCC控制/电流PWM控制、电压PWM控制，其三种手画图分别为图a、图b、图c。
图a图b图c四．SRD电机的优缺点优点：1.SRD有较大的电机利用系数，可以是感应电机利用系数的1.2~1.4倍2.电机结构简单，转子上没有绕组；定子上只有简单的集中绕组，没有相间跨接线。
3.转矩与电流极性无关，单向电流激励。
4.对转速限制小，可以制成高速电动机5.通过对电流的通段、幅值控制，满足不同服在要求的机械特性6.SRD系统效率和功率密度在宽广的速度和负载范围内都较高缺点：1.有转矩脉动转矩由一系列脉冲转矩叠加而成，切有双凸级结构和磁路非线性，合成转矩不是恒定转矩，有一定的谐波分量2.噪声与振动大3.出线头多五．SRD电机性能、应用以及研究现状与发展前景自1842年，英国的Aberdeen和Davidson的开关磁阻电机运行理念诞生以来，经过100多年的技术准备，1967-1970年出现了世界上第一台SRM的雏形[28]与传统交直流电机相比，整体效率高10％以上；功率因数空载时可达0.995，满载时可达0.98，结构简单、性价比高、性能可靠、调速范围宽、运行效率高、可控参数多，控制灵活方便，允许频繁起停，起停次数可达1000次/小时，转速不受负载大小变化的影响，具有很高的效率[17,18]。
因而上世纪80年代以后，开关磁阻电机得到迅速发展，日新月异【5~8,10~11】。
目前国内外已有许多公司分别推出了其商品化的开关磁阻电机产品，代表性产品如下表1-1所示【28,36,60,73,87,88】。
表1-1 SRD代表性产品或样机Table 1-1 Representative Products of the SRD中国于1984年跟踪英国的研究成果，在借鉴国外经验的基础上，开关磁阻电机的研究进展很快【13,14】。
目前华中科技大学在“九五”项目中研制出了SRD 电动车，“十五”项目中将SRD应用到混合动力城市公交车，南京调速电机厂已与与北京纺织机械研究所合作研制成功3kW的SRM。
近年来，我国已研制了50W-50KW、20多个规格的工业产品样机，应用于刨床、煤矿牵引、纺织、冶金、机械、运输、电动车驱动、航空、和家用电器等领域【5~8,10~11】。
现已开始新型SRM 电机的研究【101】如DSPM电机、电励磁双凸极发电机、磁浮开关磁阻电机【22】、无轴承开关磁阻电机【93】等，并取得了一定研究成果。
在SR电机的理论研究上，主要集中于控制、仿真、设计理论和电磁数值分析等方面，代表单位有南京航空航天大学、华中科技大学，华中理工大学、华南理工大学、东南大学、西安交通大学、浙江大学、清华大学、中国矿业大学、北京纺织机械研究所，上海电科院、西安微电机研究所等[39,42,47,52,57]。
作为一新型电机调速系统，SRD涵盖了电力电子、电机、微机、控制工程、控制机械等知识领域。
目前SRD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【55,56】，在理论和应用上仍需进行深入研究，主要有以下方面：SRM仿真模型的建立【52】； SRD现代控制理论及控制参数优化研究【29,41,81,102,106】；转矩脉动及振动噪声问题研究【15,50,69,82】；实用无位置传感器方案的研究【65,66,97】；新型电机结构的研究【85,86】；电机优化设计【37,67,68,107】；电机铁耗、效率分析【70,71,96】；SRD中电机、功率变换器及控制器三者之间的总体优化设计等【72,99】。
由此可见开关磁阻电机的发展前景还是十分广阔的。
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