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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。
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。
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。
开关磁阻电机控制原理首先，让我们来了解SRM的工作原理。
SRM由铁心、定子和转子组成，其中定子是由若干个相间的线圈组成，而转子则是由多个齿隙组成。
当施加电流到定子线圈时，线圈产生磁场并吸引转子上的磁极，使得转子转动。
与其他类型的电机相比，SRM没有永磁体，因此其转子结构更简单。
1. 电流控制（Current Control）：SRM的电流控制是通过施加电流来控制电机的转矩和速度。
首先需要测量电机的位置和速度，以便根据实际情况调整电流。
通常使用位置传感器（如霍尔传感器）来测量转子位置，然后通过计算得到电机的速度。
基于这些测量结果，控制器可以确定如何调整电流的大小和方向，以实现所需的转矩和速度。
在电流控制过程中，还需要考虑到电机的特性和限制。
例如，如果电流过大，可能会导致电机过热或损坏。
因此，控制器需要根据电机的额定电流和温度来限制电流的大小。
此外，还需要考虑到电机的响应时间，以确保电流调整的快速性和准确性。
2. 位置控制（Position Control）：SRM的位置控制是用于确定和保持转子的精确位置。
在SRM中，转子的位置是由电流和磁场之间的相对位置决定的。
通常使用位置传感器（如霍尔传感器或编码器）来测量转子位置，并将这些位置信息传递给控制器。
控制器使用这些位置信息来调整电流的大小和方向，以将转子移动到所需的位置。
在位置控制过程中，控制器需要根据转子的位置误差来决定调整电流的方向和大小。
通常使用位置反馈控制算法（如PID控制）来实现这一目标。
控制器将位置误差和其他参数（如转子惯性、负载和电机特性）纳入考虑，并根据算法的要求来调整电流。
在实际应用中，位置控制通常需要考虑到转子位置的精确性以及抗干扰和鲁棒性等问题。
总结起来，开关磁阻电机的控制原理主要包括电流控制和位置控制两个方面。
电流控制用于调整电机的转矩和速度，而位置控制用于确定和保持转子的精确位置。
控制器根据电机的特性和限制，使用合适的控制算法来实现所需的控制效果。
开关磁阻电机的结构特点
开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor，简称 SRM）是一种新型的电动机，它具有结构简单、坚固耐用、效率高、功率密度高、调速范围宽等优点，适用于各种工业应用领域。
开关磁阻电机的结构特点主要包括以下几个方面：
1. 定子和转子：SRM 的定子由铁芯和绕组组成，绕组通常采用集中绕组的形式，铁芯上开有齿槽，用于放置绕组。
转子由铁芯和永磁体组成，永磁体通常安装在铁芯的表面，以产生磁场。
2. 绕组：SRM 的绕组通常采用集中绕组的形式，每个绕组由多个线圈组成，线圈之间通过导线连接。
绕组的数量和排列方式可以根据电机的设计要求进行调整。
3. 齿槽结构：SRM 的定子铁芯上开有齿槽，齿槽的数量和形状可以根据电机的设计要求进行调整。
齿槽的作用是产生磁场，同时也可以减小铁芯的涡流损耗。
4. 永磁体：SRM 的转子铁芯上安装有永磁体，永磁体的极性和排列方式可以根据电机的设计要求进行调整。
永磁体的作用是产生磁场，同时也可以提高电机的效率和功率密度。
5. 控制器：SRM 需要配备控制器，控制器的作用是控制电机的运行状态，包括转速、转矩、电流等参数。
控制器通常采用电子元件实现，如功率晶体管、IGBT 等。
总之，开关磁阻电机的结构特点使得它具有结构简单、坚固耐用、效率高、功率密度高、调速范围宽等优点，适用于各种工业应用领域。
开关磁阻电机一、产品概述作为一种新型调速驱动系统，开关磁阻电机以其结构简单、低成本、高效率、优良的调速性能和灵活的可控性，愈来愈得到人们的认可和应用。
目前已成功应用于在电动车用驱动系统、家用电器、工业应用、伺服系统、高速驱动、航空航天等众多领域中，成为交流电机调速系统、直流电机调速系统和无刷直流电机调速系统的强有力竞争者。
我公司生产的开关磁阻电机因其起动力矩大、起动电流小，可以频繁重载起动，无需其它的电源变压器，节能，维护简单，特别适用于矿井输送机、电牵引采煤机及中小型绞车等。
二、结构特点开关磁阻电动机(Switched Reluctance Motor,简称SRM) 是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，SRM采用双凸极形式，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。
三、性能特点1、系统效率高在其宽广的调速范围内．整体效率比其他调速系统高出至少10％，在低转速及非额定负载下高效率则更加明显。
2、调速范围宽，低速下可长期运转在零到最高转速的范围内均可带负荷长期运转，电机及控制器的温升均低于工作在额定负载时的温升。
3、高启动转矩，低启动电流启动转矩达到额定转矩的150％时．启动电流仅为额定电流的30％。
4、可频繁起停．及正反转切换可频繁起动和停止，频繁正反转切换。
在有制动单元及制动功率满足时间要求的情况下，起停及正反转切换可达每小时一千次以上。
5、三相输入电源缺相或控制器输出缺相不烧电机三相输入电源缺相，或者欠功率运行或者停机，不会烧毁电机和控制器。
6、过载能力强当负载短时远大于额定负载时，转速会下降，保持最大输出功率，不会出现过流现象。
当负载恢复正常时．转速恢复到设定转速。
7、功率器件控制错误不会引起短路上下桥臂功率器件和电机的绕组串联，不存在发生功率器件由于控制错误或干扰导致短路而烧毁的现象。
开关磁阻电机原理
开关磁阻电机是一种特殊的电动机，它利用磁阻效应来实现转动。
相比于传统的电动机，开关磁阻电机具有结构简单、功率密度高、电源利用率高等优点。
开关磁阻电机的工作原理是通过改变电磁线圈的电流路径，从而改变转子上的磁阻效应。
电磁线圈由一系列电感器组成，每个电感器都有一个控制开关与之相连。
当电流通过电磁线圈时，电感器的控制开关会根据控制信号的变化开关状态。
开关磁阻电机的转子由多个磁阻杆组成，每个磁阻杆都有一个磁性材料制成，并具有交替的南北极性。
当电流通过电磁线圈时，根据控制开关的状态，某些磁阻杆会被磁化，而其他磁阻杆则被磁场排斥。
这个磁阻力的不对称使得转子开始旋转。
为了保持转子的连续旋转，开关磁阻电机需要不断地改变电流路径和控制开关的状态。
这通常通过电子控制单元（ECU）来实现，ECU会根据传感器的反馈信号来控制电流路径和控制
开关的状态。
总的来说，开关磁阻电机利用磁阻效应和控制开关来实现转动，通过不断地改变电流路径和控制开关的状态，使得磁阻力的不对称推动转子旋转。
这种电机具有结构简单、功率密度高等优点，广泛应用于汽车和家电等领域。
开关磁阻电机的基本了解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。
功率变换器电流检测位置检测控制器速度反馈电源负载位置反馈速度给定SRM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dtd 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 dtd JT ++=ωω(1-4) 其中：ωθ=dt d (1-5)602nπω=(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 ki 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：22/2/2221()224rrN N rr av mN mN U LLT 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：a U ()T vf θω=(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。
Trωb ωscω恒转矩区恒功率区不可控区CCC 方式T = constAPC 方式T = constr ωT = const 2rω电压PWM 方式图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 研制单位相关产品技术参数优势优点美国GE 高速SRD样机90 kw ，105r/min有效材料仅10kg， 5MW，1*106N.m中国SRM采煤机，牵引电机100kw，180kw防爆，适用于恶劣工作环境，可频繁起制动南京航空航天大学高速SRD样机1kW，1.5kW，105r/min可超高速运行，工作转速可达130,000r/min；英国SRD Ltd. 第二代SRD通用产品100w~100Kw50~5000r/min效率比第一代OULTON电机高2%以上英国ALLENWEST SRD产品通用系列7.5~22KW 功率范围大英国BJD公司密闭水冷式SRD 35KW 防爆，耐高温意SICME MOTOR和英国SRD Ltd. XMC、XMP、XME3系列SRD80 ~180m，4Kw~140Kw，3000rpm，转速的60~140%范围内的效率都高于90%，即使在20%额定转速的低速下，其效率仍可达40%.英国Nottingham 开关磁阻风力发电机可变速风力发电机加拿大semifusion 开关磁阻伺服系统双轴、四象限，调速平稳中国于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。
