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
一、 开关磁阻电机的结构
开关磁阻电机是典型的机电一体化装置，由开关磁阻电机本体、位置传感器、控制和功率电路等部分组成，如图1所示。位置传感器检测转子位置和速度信号，控制器根据这些信号决定绕组的导通和关断时刻，功率电路根据导通和关断信号为电机绕组供电。
功率电路开关磁阻电机负载电流检测位置传感器控制器给定速度
图1 开关磁阻电机系统的组成
如图2所示为开关磁阻电机本体的典型结构，由定子和转子两部分组成，定、转子铁心均由硅钢片叠压而成。转子上既无绕组也无永磁铁；定子齿上绕有几种绕组，相对极上的绕组串联，构成一相绕组。开关磁阻电机可以设计为单相、二相、三相、四相及多相等不同相数，低于三相的开关磁阻电机一般没有自启动能力。相数多，有利于较小转矩波动，但结构复杂，主开关器件多，成本增加。目前应用较多的是三相6/4极结构和四相8/6极结构。 转子铁心定子铁心ABC C’B’A’
图2 开关磁阻电机本体的经典结构
表1 常见的定、转子级数组合
项目 数 值
相数m 3 4 5 6
定子级数Ns 6 8 10 12
转子级数Nr 4 6 8 10
二、开关磁阻电机的工作原理
开关磁阻电机的运行遵循“磁阻最小原理”，即磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合，磁场扭曲产生切向力，从而产生电磁转矩。
下面通过图示来说明转子的工作原理，下面是磁阻电动机的正视图，定子六个齿极上绕有线圈，径向相对的两个线圈是连接在一起的，组成一“相”，该电机有3相，结合定子与转子的极数就称该电机为三相6 / 4结构。在下图标注的A、B、C相线圈仅为后面分析磁路带来方便，并不是连接三相交流电。
开关磁阻电机(一)
图1所示是开关磁阻电机的典型结构原理图，电机为双凸极结构。转子仅由叠片叠压而成，即无绕组也无永磁体；定子各级上绕有集中绕组，径向相对极的绕组串联，构成一相。其工作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，因磁场扭曲而产生磁阻性质的电磁转矩。顺序给ABCD相绕组通电，则转子便按逆时针方向连续转动起来。当主开关管S1、S2导通时，A时绕组从直流电源V吸收电能；而当S1、S2关断时，绕组电流通过续流二级管D1、D2，将剩余能量回馈给电源V。因此，开关磁阻电机具有再生的能力，系统效率高。对开关磁阻电机的理论研究和实践证明，该系统具有显著的特点：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，无高温退磁现象；可允许有较高的升温。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能四象限运作，具有较强的再生制动能力。
与当前广泛应用的变频调速感应电动机相比，开关磁阻电机在成本、效率、调速性能、单位体积功率、可靠性、散热性等具有明显的优势或竞争力、图2是不同功率等级开关磁阻电机和变频调速感应电机的效率比较（功率均折算到1500r/min），如果说第一带开关磁阻电机（1983年研制）在小功率范围的效率比高效变频调速感应电机低，第二代开关磁阻电机（1988年研制）的效率已全面超过了高效变频调速感应电动机。更难得的是，开关磁阻电机在宽广的速度和功率范围内都能保持较高的效率，这是变频调速成感应电动机难以比拟的。感应电动机要取得与直流电机相近的调速特性需采用复杂的矢量控制系统，而开关磁阻电机通过调速开通度、关断度、电压和电流，可以得到不同负载要求的机械特性，控制简单、灵活，能容易地实现软启动和四象限运作，而且由于这是一种纯逻辑的控制方式，很容易智能化，通过修改软件调整电机工作特性满足不同应用要求。与变频调速的另一类电机永磁无刷直流电机相比，开关磁阻电机在成本、调速性能、可靠性和散热性等依然保持优势，但和变频感应电动机一样都存在励磁惩罚（即励磁电损耗）的问题，效率和单位体积功率稍显不足。但在一些应用场合，开关磁阻电机在效率和输出功率依然具有优势。1发展简介
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。
