开关磁阻电动机的应用及其发展

论文题目：开关磁阻电动机的应用及其发展

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开关磁阻电动机的应用及其发展

摘要：本文述写开关磁阻电机（SRD ）的产生及发展过程，并对其应用于印刷行业、化纤行业、纺织行业、焦炭工业、家电行业及电动车上的卓越性能和广阔前景做出来分析和探讨。

关键词：开关磁阻电动机、SRD 、调速

一、开关磁阻电动机的产生

磁阻式电动机诞生于160年前，但在此后漫长时期内，它一直被认为是一种性能不高的电动机，故只应用于少数小功率场所。通过最近约20年问的研究和改进设计工作，使磁阻式电动机的性能不断提高，目前已能在较大的功率范围内使其性能不低于其它型式的电动机。七十年代初，美国福特电动机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，特别适用作蓄电池供电的电动车辆传动。

七十年代中期，在工业部门的促进下，英国里兹大学和诺丁汉大学组成一研究小组，共同研制以传动电动车辆为目标的开关磁阻电动机调速系统。小组在该系统的理论研究和实践方面做了大量工作，他们研制的样机容量从10W 至50kW ，转速从750rpm 至10，000rpm ，其系统效率和电动机利用系数等主要指标达到或超过了传统传动系统。随后以研究小组为基础成立了开关磁阻电动机调速系统公司，以经营其研究成果。1981年英国TASC 公司获准制造该系统，并于1983年推出商品名为Oulton 的通用调速系列产品，其容量范围为4-22kW 。该产品的出现在电气传动界引起不小的反响。因为其确实在很多性能指标上达到出人意料的高水平，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应用的一些变速传动系统。

开关磁阻电动机调速系统的出现不仅为工业、交通、国防及家用电器等部门提供了一种极其优越的调速系统，而且也因其具有的典型机电一体化结果丰富了“机械电子学”的成功实例。因此1983年后在国际范围内迅速掀起开关磁阻电机研究开发热，并持续至今不断发展，其产品推广领域不断扩大。

我国对开关磁阻电机调速系统的开发研究开始于1984年，现已有大批高等院校、科研院所、生产企业从事开关磁阻电机调速系统的开发研究工作，在借鉴国外经验的基础上，国内对开关磁阻电机调速系统的开发研究尽管起步较晚，但是起点较高，研制目标基本都集中在较为成熟的三相或四相控制方案上，目前已有十余家单位推出不同性能、用途、功率(1kW到55kW) 的多规格系列产品，应用于纺织、冶金、机械、运输等多种行业、场所的数十种生产机械和运输车辆中。

综上所述：开关磁阻电机（SRD ）是上世纪80年代初随着电力电子、微电脑和控制技术的迅猛发展而发展起来的一种新型调速驱动系统，具有结构简单、运行可靠及效率高等突出特点，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的竞争者，引起各国学者和企业界的广泛关注。开关磁阻电动机调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点，是集现代微电子技术、数字技术、电力电子技术、红外光电技术及现代电磁理论、设计和制作技术为一体的光、机、电一体化高新技术。英、美等经济发达国家对开关磁阻电动机调速

系统的研究起步较早，并已取得显著效果，产品功率等级从数瓦直到数百千瓦，广泛应用于家用电器、航空、航天、电子、机械及电动车辆等领域。中国对开关磁阻电动机调速系统的研究与试制起步于20世纪80年代末90年代初，取得了从基础理论到设计制造技术多方面的成果与进展，但产业化及应用性研究工作相对滞后[1]。

二、开关磁阻电动机的结构与性能特点

1 电动机结构简单、成本低、适用于高速

开关磁阻电动机的结构比通常认为最简单的鼠笼式感应电动机还要简单，定子线圈为集中绕组，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；转子仅有硅钢片叠成，因此不会有鼠笼感应电动机制造过程中鼠笼铸造不良和使用中的断条等问题，转子机械强度极高，可工作于极高转速，转速可达每分钟10万转[2]。

2 功率电路简单、可靠

电动机转矩方向与绕组电流方向无关，即只需单方向绕组电流，相绕组串在主电路两功率管之间，不会发生桥臂直通短路故障，绕组相间耦合弱，缺相故障运行能力强，系统的容错能力强，可靠性高，可以适用于宇航等特殊场合。 3 高起动转矩，低起动电流

很多公司的产品可达到如下性能：起动电流为15％额定电流时，获得起动转矩为100％的额定转矩；起动电流为额定值的30％时，起动转矩可达其额定值的150％。对比其它调速系统的起动特性，如直流电动机为100％的起动电流，获得100％转矩；鼠笼感应电动机为300％的起动电流，获得100％的转矩。可见开关磁阻电动机具有软启动性能，起动过程中电流冲击小，电动机和控制器发热较连续额定运行时还小，因此特别适用于频繁起停及正反向转换运行的场合，如龙门刨床、铣床、冶金行业可逆轧机、飞锯、飞剪等。

4 调速范围宽，效率高

在额定转速和额定负载时运行效率高达92%以上, 在所有的调速范围内，保持整体效率高达80%以上。

5 可控参数多，调速性能好

控制开关磁阻电动机的主要运行参数和常用方法至少有四种:相开通角、相关断角、相电流幅值和相绕组电压。可控参数多，意味着控制灵活方便，可以根据对电动机的运行要求和电动机的情况，采用不同控制方法和参数值，使之运行于最佳状态，还可使之实现各种不同的功能和特定的特性曲线，如使电动机具有完全相同的四象限运行（正转、反转、电动和制动）能力，并具有高起动转矩和串激电动机的负载能力曲线。

6 可通过机和电的统一协调设计满足各种特殊使用要求[3]

三、开关磁阻电动机的应用

1、在印染行业的应用

在印染行业中, 筒纱染色的均匀性在工艺被决定了之后，主要就取决于筒子染色机输送染液的主泵对流量流速的控制与选择。由于纱线品种的多样性，不同纱支所需的流量流速存在着差异，即使是同一种纱线若捻度不一样也需要主泵对流量流速进行选择。早期的筒子染色机必需由工人凭借经验来操作，20世纪90

年代有了交流变频器就可以通过染缸内外差的检测与反馈信号调节主泵转速来解决，现在有了SRD 电动机调速系统完全可以利用它取代交流变频器。这是因为SRD 电机调速系统在与 PLC编程控制装置结合之后其染液流量流速状态更容易被控制，在任何情况下都能给出一个合理数值，同时电子元器件也不再受温度与湿度的干扰，这样也就确保了运行的稳定性，同时还解决了电机在潮湿环境里运行的问题。

2、在化纤行业中的应用

在化纤行业，其关键工序之一是将熔融的化纤材料在恒压下，由微孔喷出冷却成丝。为了使出丝的直径严格一致，计量泵的转速必须高度稳定。一般纺丝泵是由永磁同步电机驱动的。这种电机内有永磁体，长期工作会逐渐退磁，电机就必须及时更换。如果采用SRD 调速电机，由于其有位置检测器，完全可以构成速度闭环系统，保证转速稳定且不受负载变化的影响。

3、在纺织行业的应用

这主要因为开关磁阻电机可以在四象限之中进行运行，即能按照指令实施顺时针转动，顺时针制动，逆时针转动，逆时针制动等四种状态的运行与转换。未来可以说SRD 电机无论在系统静动态性能的满足上，可靠性上，性能价格比上均比其它调速系统占有明显的优势，也必将是抓棉机的最理想的动力机械。同时，根据SRD 电机的特点, 它可以适应织造机械中的整经机以及浆纱机的主传动恒动率的变速运行, 也可以满足自调均整的梳棉机, 细纱机, 络筒机以及捻线机，最终实现纺织机械的全数字化的驱动。

4、在电动车上的应用

SRD 电机最初的应用领域就是电动车，这也是它最主要的应用领域。目前电动摩托车和电动自行车的驱动电机主要有永磁无刷及永磁有刷两种，然而SRD 电机驱动系统的电机结构紧凑牢固，适合于高速运行，并且驱动电路简单成本低、性能可靠，在宽广的转速范围内效率都比较高，而且可以方便地实现四象限控制，这些特点使SRD 电机驱动系统很适合电动车辆的各种工况下运行。当高能量密度和系统效率为关键指标时，采用SRD 电机驱动成为首选对象。因此，SRD 电动机相比目前主要使用的两种电机，是电动车辆中极具有潜力的机种。

SRD 电动机的最大特点是转矩脉动大，噪声大；此外，相对永磁电机而言，功率密度和效率偏低；另一个缺点是要使用位置传感器，增加了结构复杂性，降低了可靠性。因此无传感器的开关磁阻电动机也是未来的发展趋势之一。其优点主要表现在以下几个方面：

（1）SRD 电机不仅效率高，而且在很宽的功率和转速范围内都能保持高效率，这是其它类型驱动系统难以达到的。这种特性对电动车的运行情况尤为适合，有利于提高电动车的续驶里程。

（2）SRD 电机很容易通过采用适当的控制策略和系统设计满足电动车四象限运行的要求，并且还能在高速运行区域保持强有力的制动能力。

（3）SRD 电机有很好的散热特性，从而能以小的体积取得较大的输出功率，减小电机体积和重量。

（4）通过调整开通角和关断角，SRD 电机完全可以达到它激直流电机驱动系统良好的控制特性，而且这是一种纯逻辑的控制方式，很容易智能化，从而能通过重新编程或替换电路元件，方便地满足不同运行特性的要求。

（5）SRD 电机无论电机还是功率变换器都十分坚固可靠，无需或很少需要维护，适用于各种恶劣、高温环境，具有良好的适应性。[4]

5、在焦炭工业的应用

相比于其他电机，开关磁阻电机起动力矩大、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。90年代英国已研制成功300kW 的开关磁阻电机，用于刮板输送机，效果很好。中国已研制成功110kW 的开关磁阻电机用于矸石山绞车 、132kW 的开关磁阻电机用于带式输送机拖动，良好的起动和调速性能受到工人们的欢迎。 我国还将开关磁阻电机用于电牵引采煤机牵引，运行试验表明新型采煤机性能良好。此外还成功地将开关磁阻电机用于电机车，提高了电机车运行的可靠性和效率。

6、家电行业的应用

在家电方面，开关磁阻电机由于低成本、高性能、智能化已开始应用于洗衣机相比其他电机有着明显的优势，未来应用前景广阔。目前，世界上使用面广、为广大用户所接受的洗衣机主要有两大类：一类是波轮式全自动洗衣机；另一类是滚筒式全自动洗衣机。这两类洗衣机对电动机有着共同的性能要求：洗涤时要电动机低转速转动，且能频繁地正反转；脱水时要电机能高速旋转。长期以来，这两类洗衣机基本上都采用了一种变极双速单相感应电动机而勉强达到使用要求，但缺点是很明显的：一是调速性能差，在洗涤时只有一种转速难以适应各种织物对洗涤转速的要求，而所谓的“强洗”、“弱洗”、“轻柔洗”等洗涤程序的变化仅仅是靠改变正反转的持续时间而已。而且为了照顾洗涤时对转速的要求，往往使得脱水时的转速偏低，一般仅为400转/分钟至600转/分钟; 二是，单相变极双速感应电动机的效率很低，一般均为30%以下。而其起动电流竟是额定电流的7～8倍以上，这会对电网造成冲击。 而如果用开关磁阻调速电动机来取代单相变极双速感应电动机则可以取得十分满意的效果。[5]

四、发展概况

目前，国内外学者对开关磁阻电机的研究主要集中在对电机的分析设计、计算方法以及控制技术、驱动电路等方面，而对新结构和新机理开关磁阻电机的研究相对较少，主要体现在以下几种结构类型电机的研究上：1. 传统型开关磁阻电机;2. 绕组结构优化开关磁阻电机;3. 开关磁阻电机与永磁体结合。

开关磁阻电机调速系统具有一系列优点，它在家用电器、工业应用、伺服系统、高速驱动等众多领域得到成功应用。当然，作为最新一代无级调速系统，开关磁阻调速电动机尚处于深化研究开发、不断完善提高的阶段，其应用领域也在不断拓展之中。由于SRD 优良的调速性能和极高的性能价格比，一旦推广普及可产生很好的经济效益和社会效益。

参考文献

1、黄海宏, 王海欣; 三相逆变桥驱动开关磁阻电机的研究[J];电工电能新技术;2005年03期

2、曹家勇, 周祖德, 陈幼平, 詹琼华; 开关磁阻电动机特性检测与参数辨识方法研究[J];电工技术学报;2004年11期

3、刘慧娟, 张奕黄, 葛宝明, 范瑜; 基于Pspice 的电动汽车用开关磁阻电动机建模与仿真[J];电工技术学报;2005年04期

4、黄海宏, 王海欣, 张志全; 开关磁阻电机驱动电源设计[J];电力电子技术;2005年01期

5、诸嘉慧, 梁艳萍, 张奕黄; 开关磁阻电动机最小电感的计算和分析[J];电机与控制学报;2003年02期