開關磁阻電機原理和應用

1、開關磁阻電機開關磁阻電機是一種新型調速電機，調速系統(tǒng)兼具直流、交流兩類調速系統(tǒng)的優(yōu)點，是繼變頻調速系統(tǒng)、無刷直流電動機調速系統(tǒng)的最新一代無極調速系統(tǒng)。它的結構簡單堅固，調速范圍寬，調速性能優(yōu)異，且在整個調速范圍內都具有較高效率，系統(tǒng)可靠性高。主要由開關磁阻電機、功率變換器、控制器與位置檢測器四部分組成?？刂破鲀劝刂齐娐放c功率變換器，而轉子位置檢測器則安裝在電機的一端。其電機部分由于是運用了磁阻最小原理，故稱為磁阻電動機，又由于線圈電流通斷、磁通狀態(tài)直接受開關控制，故稱為開關磁阻電動機。特征開關磁阻電機結構簡單，性能優(yōu)越，可靠性高，覆蓋功率范圍10W5MW的各種高低速驅動調速系統(tǒng)。使的開關磁

2、阻電機存在許多潛在的領域，在各種需要調速和高效率的場合均能得到廣泛使用（電動車驅動、通用工業(yè)、家用電器、紡織機械、電力傳動系統(tǒng)等各個領域）。優(yōu)點 其結構簡單，價格便宜，電機的轉子沒有繞組和磁鐵。 電機轉子無永磁體，允許較高的溫升。由于繞組均在定子上，電機容易冷卻。效率高，損耗小。 轉矩方向與電流方向無關，只需單方相繞組電流，每相一個功率開關，功率電路簡單可靠。 轉子上沒有電刷結構堅固，適用于高速驅動。 轉子的轉動慣量小，有較高轉矩慣量比。 調速范圍寬，控制靈活，易于實現(xiàn)各種再生制動能力。 并具頻繁啟動（1000次/小時），正向反向運轉的特殊場合使用。 且啟動電流小，啟動轉矩大，低速時更為突出。

3、 電機的繞組電流方向為單方向，電力控制電路簡單，具有較高的經濟性和可靠性。 可通過機和電的統(tǒng)一協(xié)調設計滿足各種特殊使用要求。缺點其工作原理決定了，如果需要開關磁阻電機運行穩(wěn)定可靠，必須使電機與控制配合的很好。因其要使用位置傳感器，增加了結構復雜性，降低了可靠性。對于電機本身而言，轉矩脈動大是其固有的缺點；在電機遠離設計點的時候，轉矩脈動大會體現(xiàn)的更加明顯。如果單純使用電流斬波或最優(yōu)導通角控制方法，對其轉矩脈動的改善不是很大，需要加入更加復雜的算法。另外，運行時噪音和振動較大、非線形性強也是開關磁阻電機需要解決的問題。目前國內實用的磁阻電機屬于初級階段，部分產品控制相對粗放，電機的響應速度慢、低

4、速下的脈動大，難以實現(xiàn)較高的控制精度。結構原理雙凸極結構磁阻電機的定子鐵芯有六個齒極，轉子鐵芯有四個齒極，均由導磁良好的硅鋼片沖制后疊成。   開關磁阻電機構造1與普通電機一樣，轉子與定子之間有很小縫隙，轉子可在定子內自由轉動。由于定子與轉子都有凸起的齒極，這種形式也稱為雙凸極結構。在定子齒極上繞有線圈（定子繞組），是向電機提供工作磁場的勵磁繞組。在轉子上沒有線圈，這是磁阻電機的主要特點。三相6/4結構工作原理磁阻電動機是利用磁阻最小原理，也就是磁通總是沿磁阻最小的路徑閉合，利用齒極間的吸引力拉動轉子旋轉。定子六個齒極上繞有線圈，徑向相對的兩個線圈連接在一起，組成一“相”，

5、該電機有3相，結合定子與轉子的極數(shù)就稱該電機為三相6/4結構。為方便分析磁路，我們把相對的相分別標為a、b、c相，各相線圈由開關控制電流通斷，約定轉子啟動前的轉角為0度。   開關磁阻電機工作原理示意2A相線圈接通電源產生磁通，磁力線從最近的轉子齒極通過轉子鐵芯，磁力線可看成極有彈力的線，在磁力的牽引下轉子開始逆時針轉動；磁力一直牽引轉子轉到30度為止，到了30度轉子不再轉動，此時磁路最短。為了使轉子繼續(xù)轉動，在轉子轉到30度前已切斷A相電源在30度時接通B相電源，磁通從最近的轉子齒極通過轉子鐵芯，于是轉子繼續(xù)轉動，磁力一直牽引轉子轉到60度為止。在轉子轉到60度前切斷B相

6、電源在60度時接通C相電源，磁通從最近的轉子齒極通過轉子鐵芯，轉子繼續(xù)轉動，磁力一直牽引轉子轉到90度為止。當轉子轉到90度前切斷C相電源，轉子在90度的狀態(tài)與前面0度開始時一樣，重復前面過程，接通A相電源，轉子繼續(xù)轉動，這樣不停的重復下去，轉子就會不停的旋轉。這就是磁阻電動機的工作原理。上述工作原理決定了如果需要開關磁阻電機運行穩(wěn)定可靠，必須使電機與控制配合的很好。2開關磁阻電機的應用近年來，開關磁阻電機的應用和發(fā)展取得了明顯的進步，已成功地應用于電動車驅動、通用工業(yè)、家用電器和紡織機械等各個領域，功率范圍從10W到5MW，最大速度高達100000 r/min。電動車應用開關磁阻電機最初的應

7、用領域就是電動車。目前電動摩托車和電動自行車的驅動電機主要有永磁無刷及永磁有刷兩種，然而采用開關磁阻電機驅動有其獨特的優(yōu)勢。當高能量密度和系統(tǒng)效率為關鍵指標時，開關磁阻電機變?yōu)槭走x對象。 SRD開關磁阻電機驅動系統(tǒng)的電機結構緊湊牢固，適合于高速運行，并且驅動電路簡單成本低、性能可靠，在寬廣的轉速范圍內效率都比較高，而且可以方便地實現(xiàn)四象限控制。這些特點使SRD開關磁阻電機驅動系統(tǒng)很適合電動車輛的各種工況下運行，是電動車輛中極具有潛力的機種。SRD的最大特點是轉矩脈動大，噪聲大；此外，相對永磁電機而言，功率密度和效率偏低；另一個缺點是要使用位置傳感器，增加了結構復雜性，降低了可靠性。因此無傳感器

8、的SRD也是未來的發(fā)展趨勢之一。其優(yōu)點主要表現(xiàn)在以下幾個方面： （1）開關磁阻電機不僅效率高，而且在很寬的功率和轉速范圍內都能保持高效率，這是其它類型驅動系統(tǒng)難以達到的。這種特性對電動車的運行情況尤為適合，有利于提高電動車的續(xù)駛里程。 （2）開關磁阻電機很容易通過采用適當?shù)目刂撇呗院拖到y(tǒng)設計滿足電動車四象限運行的要求，并且還能在高速運行區(qū)域保持強有力的制動能力。 （3）開關磁阻電機有很好的散熱特性，從而能以小的體積取得較大的輸出功率，減小電機體積和重量。（4）通過調整開通角和關斷角，開關磁阻電機完全可以達到它激直流電機驅動系統(tǒng)良好的控制特性，而且這是一種純邏輯的控制方式，很容易智能化，從而能通

9、過重新編程或替換電路元件，方便地滿足不同運行特性的要求。 （5）開關磁阻電機無論電機還是功率變換器都十分堅固可靠，無需或很少需要維護，適用于各種惡劣、高溫環(huán)境，具有良好的適應性。紡織工業(yè)應用近十多年來我國紡織機械行業(yè)的機電一體化水平有了較明顯的提高，在新型紡織機械上普遍采用了機電一體化技術。這項技術的內容包含了先進的信息處理和控制技術，即以計算機為核心，有PLC、工控機、單片機、人機界面、現(xiàn)場總線等組成的控制系統(tǒng)；先進的驅動技術，有變頻調速，交流伺服，步進電機等；檢測傳感技術和執(zhí)行機構；精密機械技術等。棉紡織設備較有代表性的機電一體化產品，例如新型的粗紗機、分條整經機、漿紗機等。其中， 無梭織

10、機的主傳動技術也有了新的突破：采用開關磁阻電機作為無梭織機的主傳動帶來許多好處，減少傳動齒輪、不用皮帶和皮帶盤，不用電磁離合器和剎車盤，不用尋緯電機，減少了這些機械結構直接的減小了轉動慣量，減小能耗。同時因為開關磁阻電機的能量轉化效率高，能使織機節(jié)能10%等優(yōu)點，國內已有開關磁阻電機和驅動器的產品（北京中紡機電研究所，目前還在與無梭織機主機廠合作，共同開發(fā)應用技術，希望能盡快取得成功，填補國內空白）。而浙江中自機電控制技術XXX，目前已經研發(fā)成功開關磁阻電機的驅動系統(tǒng)，成功運用于無梭織機上，在主機廠運轉性能良好，達到國際先進水平。風電行業(yè)應用普通的發(fā)電機，如如異步發(fā)電機、感應發(fā)電機、永磁發(fā)電機

11、要輸出固定電壓，其轉速也須固定。而風速是時刻變化的，所以風輪機的轉速必須固定不變，導致網通利用效率低下。顯然，如果使用變速發(fā)電機就能提高風能利用效率（即變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)），而開關磁阻電機正滿足了這樣的要求。開關磁阻發(fā)電機用于風力發(fā)電有如下優(yōu)勢：1、可以方便的發(fā)出電壓恒定的直流電，尤其對于它勵方式，輸出電壓直接由勵磁電壓決定，而與轉速無關。在自勵方式下，也可以通過自身的控制器實現(xiàn)電壓恒定。2、開關磁阻發(fā)電機結構簡單，轉子上無刷、無繞阻、無永久磁體，因此成本低廉；不存在銅耗，發(fā)電效率高；同時轉子的轉動慣量小，啟動轉矩低，動態(tài)響應好。低頻時不會出現(xiàn)像變頻供電的感應電機在低頻時出現(xiàn)的不穩(wěn)定和振蕩問題。

12、因此即使在網速較低的情況下，通過合理的設計，也可以在風力直接驅動下實現(xiàn)較高的發(fā)電效率，從而省去了齒輪箱。3、開關磁阻發(fā)電機具有優(yōu)良的高速性能，能夠在寬廣的速度范圍內穩(wěn)定運行，因而可以適應不同網速的要求，高效的利用網通。4、開關磁阻發(fā)電機可控參數(shù)多，如開通角，關斷角，直流斬波限，勵磁電壓等，可方便的實現(xiàn)比較復雜的控制策略。5、開關磁阻發(fā)電機具有自勵能力，只需要小容量的直流起勵電源，就可以自動建立電壓。若與蓄電池構成互補系統(tǒng)，更可以體現(xiàn)分時勵磁和發(fā)電的優(yōu)勢。6、開關磁阻發(fā)電機各相在物理和電磁上相互獨立，即使缺相的情況下，仍可維持工作，具有很強的容錯能力。焦炭工業(yè)應用開關磁阻電機（SRD）因其起動力

13、矩大、 起動電流小，可以頻繁重載起動，無需其它的電源變壓器，節(jié)能，維護簡單，特別適用于礦井輸送機、電牽引采煤機及中小型絞車等。 90年代英國已研制成功300kW的開關磁阻電機，用于刮板輸送機，效果很好。我國已研制成功110kW的開關磁阻電機用于矸石山絞車 、132kW的開關磁阻電機用于帶式輸送機拖動，良好的起動和調速性能受到工人們的歡迎。 我國還將開關磁阻電機用于電牽引采煤機牽引，運行試驗表明新型采煤機性能良好。此外還成功地將開關磁阻電機用于電機車，提高了電機車運行的可靠性和效率。家電行業(yè)應用隨著人們生活水平的提高，洗衣機已逐漸深入千家萬戶，洗衣機也經歷了手動機械洗衣機、半自動洗衣機、全自動洗衣機的發(fā)展過程，并不斷智能化。洗衣機電機也由簡單的有級調速電機發(fā)展為無級調速電機。開關磁阻電機由于低成本、高性能、智能化已開始應用于洗衣機，在美國高檔洗衣機中已小批量采用，并取得明顯的優(yōu)點： （1）很低的洗滌速度。 （2）良好的衣物分布性。 （3）滾筒平衡性好。 （4）快速安全停機。 （5）軟起動。 （6）電流限幅。 （7）最大速度高，低速