1、開關磁阻電機發展概況1 發展簡介開關磁阻電機(Switched Reluctance Motor, SRM) 最早可以追溯到 1970 年，英國Leeds 大學步進電機研究小組首創一個開關磁阻電機雛形。到1972 年進一步對帶半導體開關的小功率電動機(10w1kw)進行了研究。1975年有了實質性的進展，并一直發展到 可以為50kw的電瓶汽車提供裝置。1980年在英國成立了開關磁阻電 機驅動裝置有限公司(SRDLtd.),專門進行SR晾統的研究、開發和 設計。1983年英國(SRD Ltd.)首先推出了 SRD系歹U產品，該產品命 名為OULTON1984年TASO動系統公司也推出了他們的產品

2、。 另外 SRDLtd. 研制了一種適用于有軌電車的驅動系統，到1986年已運行500kmi該產品的出現，在電氣傳動界引起不小的反響。在很多性能 指標上達到了出人意料的高水平，整個系統的綜合性能價格指標達到或超過了工業中長期廣泛應用的一些變速傳動系統。下表是當時對幾種常用變速傳動系統各項主要經濟指標所作的比較。成 本 1.0 1.51.0美國、加拿大、南斯拉夫、埃及等國家也都開展了 SR而統的研制工 作。在國外的應用中，SRD-般用于牽引中，例如電瓶車和電動汽車。 同時高速性能是SRD勺一個特長的方向。據報道，美國為空間技術研 制了一個25000r/min、90kW的高速SRD羊機。我國大約在

3、1985年才 開始對SR晾統進行研究。SR而統的研究已被列入我國中、小型電 機“八五”、 “九五”和“十五”科研規劃項目。 華中科技大學開關磁阻電機課題組在“九五”項目中研制出使用 SRD勺純電動轎車，在 “十五”項目中將SRD5用到混合動力城市公交車，均取得了較好的運行效果。紡織機械研究所將 SR應用于毛巾印花機、卷布機，煤礦 牽引及電動車輛等，取得了顯著的經濟效益。從上世紀90年代國際會議的上有關SRD系統的文章來看，對SRD系 統的研究工作已經從論證它的優點、開發應用階段進入到設計理論、 優化設計研究階段。對SR電機、控制器、功率變換器等的運行理論、 優化設計、結構形式等方面進行了更加深

4、入的研究。附表幾種常見變速傳動系統主要經濟指標比較表系統類型比較項目I直流調 51系統PWM變頻 調速系統開關磁阻 調速系統成本1-01.5L0效率(%)額定轉速時1/2額767783定轉速時656580電動機容量/體積1.00.9>1-0控制能力1.00.50.9控制電路復雜性1.01.81.2可靠性1.0091.12 SRD系統的特點SR電機系統具有一些很有特色的優點：(1)電機結構簡單、堅固、制造工藝簡單，成本低，可工作于極高轉 速;定子線圈嵌放容易，端部尺寸短而牢固。工作可靠，能適用于各 種惡劣、高溫甚至強振動環境；(2) 損耗主要產生在定子，電機易于冷卻; 轉子無永磁體高溫退磁

5、現象可允許有較高的溫度;(3) 轉矩方向與電流方向無關，因而可簡化功率變換器，降低系統成本。同時功率變換器不會出現直通故障，可靠性高;(4) 起動轉矩大，低速性能好，無感應電動機在起動時所出現的沖擊電流現象。(5) 調速范圍寬，控制靈活，易于實現各種特殊要求的轉矩-速度特性 ;(6) 在較廣的轉速和功率范圍內具有較高的效率。能四象限運行，具有較強的再生制動能力;(7) 有很好的容錯能力，可以缺相運行。這些優點使得SR電機系統在家用電器、通用工業、伺服與調速系統、牽引電機、高轉速電機等方面的到廣泛的應用。早期的SRD由于很少考慮電機的噪聲，所有的樣機或產品都具有相對較大的噪聲，以至于成為SRD勺

6、一大特點而為人們接受。同 時，SR比具有很大的轉矩脈動。目前，轉矩脈動和噪聲這兩個突出問題已經制約了 SRD的進一步推廣和應用。隨著研究的深入，降低SR電機的噪聲和減小轉矩脈動成了 SRD勺研究熱點。3 SRD系統構成SRD系統主要由四部分組成：SR電機本體、功率變換器、控制器及位置和電流檢測器。它們之間的關系如圖1 所示 :圖1開關磁阻電機驅動系統（SRD）框圖3.1 SR電機本體SR電機本體是SRD的執行元件， 如圖2所示開關磁阻電機 的電機結構原理圖，電機為了增加出力而設計成雙凸極結構，轉子僅由硅鋼疊片疊壓而成，既無繞組也無永磁體；定子各極上有集中繞組， 徑向相對極的繞組串聯，構成一相。

7、其工作原理遵循“磁阻最小原 理”一一磁通總是要沿磁阻最小的路徑閉合， 因此磁場扭曲而產生磁 阻性質的電磁轉矩。若順序給 D-A-B-C-D相繞組通電，則轉子便按逆 時針方向連續轉動起來。當主開關管 S1、S2導通時，A相繞組從直 流電源V吸收電能；當S1、S2關斷時，繞組電流通過續流二級管 D1、 D2將剩余的能量回饋給電源。圖2典型的4相8/6極SR懶截面圖3.2 功率變換器功率變換器是開關磁阻電動機運行時所需能量的供給者，是 連接電源和電動機繞組的功率開關部件。80年代初，主開關器件皆用 SCR鑒于SRD電流脈沖峰值較 大，而SCR電流峰值/平均電流比值高，能承受很大的浪涌沖擊，一 度被視

8、為SR計最理想的主開關器件。但SCRE自關斷能力，開關頻 率低，強迫換相電路成本高，可靠性差，構成的SR由、體性能有局限。 后來較多應用GTR但GT浮受浪涌電流能力差，存在二次擊穿問題， 不易保護，限制了其在高壓、大功率場合下的應用。80年代中期，結合了 SCR GTR兩者優點的GTO受到重視。 因GTO1有自關斷、快速開關能力，能承受較 GT嘀的電流、電壓。所以TASCDrives公司的OULTOSRDT品中均用GTO乍主開關器件近年來，考慮到GTO在關斷時要求相當大的反向控制電流，關斷控制實現有難度，國外小功率 SRD中常用MOSFET較大功率則采用IGBT。功率變換器的拓撲結構與傳統逆變

9、器有很大差異，具有多種形式，并且與開關磁阻電動機的相數、繞組連接形式有密切的關系。其中，最常見的拓撲結構有: 不對稱半橋式、直流電源分裂式等。3.3 控制器SR電機的運行離不開控制器，它是實現 SR電機自同步運行和發揮優良性能的關鍵。它綜合位置檢測器、電流檢測器提供的電機轉子位置、速度和電流等反饋信息，以及外部輸入的命令，然后通過分析處理，決定控制策略，向SR晾統的功率變換器發出一系列開關信號，進而控制SR電動機的運行。伴隨著微電子器件的飛速發展，SR電機的控制系統也從早期的分立模擬器件組成的簡單控制系統逐漸發展成為以高性能微控制器為核心的數字化控制系統，相應地專為電機控制設計的高性能數字信號

10、處理器（DSP）給各種高級復雜控制策略的實現提供了可能。數字控制器由具有較強的信息處理功能的CPU和數字邏輯電路及接口電路等部分組成。數字控制器的信息處理功能大部分是由軟件完成。因此， 軟件也是控制器的一個重要組成部分。軟、 硬件的配合是否恰當，對控制器的性能將產生重大影響。3.4 位置、電流檢測器位置檢測器是轉子位置及速度等信號的提供者。它及時向控制器提供定、轉子極間相對位置的信號。常見的位置檢測方案有光敏式、磁敏式及接近開關等含機械的檢測方案。電流檢測器向控制器提供 SR電機繞組的電流信息，常見的電流檢測 方案有 : 電阻采樣、霍爾元件采樣和磁敏電阻采樣等。4 SRD系統研究熱點針對SRD

11、系統的特點，國內外學者正在進行以下幾個方面的 深入研究。4.1 功率變換器拓撲結構設計 由于SRD系統的性能和成本很大程度上取決于功率變換器的 性能和成本，因此功率變換器的研究意義重大，目前研究主要集中在功率變換器拓撲結構設計、主開關器件的選擇和使用等方面。SRD(統功率變換器是由一定數量的電力電子器件按照一定的拓撲結 構組合而成。SR晾統功率變換器研究初期，最少量主開關器件的拓 撲結構曾是研究的熱點，這是因為主開關器件的減少，意味者相應的驅動電路、緩沖電路以及功率損耗等相應減少，因此系統的體積以及成本會全面降低。隨著研究深入，這種觀點不再特別突出，主要原因 是各種以減少主開關器件數目的拓撲結

12、構在減少主開關器件數目的 同時， 又引進了其他諸如電容、電感等無源儲能元件以及輔助開關器件， 系統的體積與成本并未顯著降低，其實質只是通過增加單個主開關器件的容量來減少主開關器件的數目。因此更理想的功率變換器拓撲結構應該為:(1)能夠獨立、快速又精確地對SR電機各相相電流進行控制； (2) 磁場儲能盡可能地轉換為機械能輸出，當向電源回饋時應高效、快速 ;(3)驅動同等功率等級的SR電機，具有最小的伏安容量，或者同等伏安容量，可以驅動更高功率等級的 SR電機；(4) 每相主開關器件數目最少。4.2 多目標優化控制在控制參數的優化方面，根據不同的系統要求，可選取不同的目標函數，如系統的效率最高、平

13、均轉矩最大、轉矩脈動系數最小等。由于SRD空制參數多、電機模型復雜，使得優化過程計算量大，而且得到的只是針對單個系統的優化結果。與傳統的電機調速系統相比，SR晾統實現優化控制的難度要高一些。但是隨著各種控制理論在傳統電機調速系統中應用的研究日益深入，它們在SR而統中的應用也逐漸增多。如采用傳統的PI 調節器， 以斬波電流限為控制變量，實現了 SR電機的轉速和轉矩控制。一些現代的控制理論和方法在SR電機的控制中也得到了應用，如模糊控制、模糊控制與PI 控制結合在一起的混合式調節、滑?？刂疲赃m應控制、線性回饋控制以及人工神經網絡控制等。這些現代控制技術的使用部分解決了 SRD(統的非線性多變量強

14、耦合問題，但離實用技術還有一定距離，主要表現在一些控制技術中為設計目的提出的模型太過復雜而難以用于SR電機實時控制，而有的為控制目的提出的模型則過于簡單而影響了控制的實際效果，或者因控制參數難于確定而失去實用的價值。但隨著微電子技術和高級控制技術的發展，這些控制技術必將在SR而統中得到切實應用。4.3 消除轉矩脈動控制SR 電機轉矩脈動產生機理較為復雜，受到許多因素的影響，如電機結構、幾何尺寸、繞組匝數、轉速及控制參數等。由于SRM勺雙凸極結構，電磁特性以及開關的非線性影響，采用傳統控制策略得到的合成轉矩不是一恒定轉矩，因而導致了相當大的轉矩脈動。這點限制了 SRD&很多直接驅動領域的應用。提出有效減小轉矩脈動的方 法具有十分重要的意義。目前已有很多文獻論及這個領域，取得了一定的效果。4.4 低噪聲控制針對SR電機本體，噪聲是一個非常突出和有待解決的問題。早期的SRg于很少考慮電機的噪聲，所有的樣機或產品都具有相對 較大的噪聲，以至于成為SRD勺一大特點而為人們接受。隨著研究的 深入和SR電機應用的日