開關(guān)磁阻電機發(fā)展概況

1、開關(guān)磁阻電機發(fā)展概況1 發(fā)展簡介開關(guān)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(chuàng)一個開關(guān)磁阻電機雛形。到1972 年進一步對帶半導體開關(guān)的小功率電動機(10w1kw)進行了研究。1975年有了實質(zhì)性的進展，并一直發(fā)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(guān)磁阻電 機驅(qū)動裝置有限公司(SRDLtd.),專門進行SR晾統(tǒng)的研究、開發(fā)和 設(shè)計。1983年英國(SRD Ltd.)首先推出了 SRD系歹U產(chǎn)品，該產(chǎn)品命 名為OULTON1984年TASO動系統(tǒng)公司也推出了他們的產(chǎn)品

2、。 另外 SRDLtd. 研制了一種適用于有軌電車的驅(qū)動系統(tǒng)，到1986年已運行500kmi該產(chǎn)品的出現(xiàn)，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(tǒng)的綜合性能價格指標達到或超過了工業(yè)中長期廣泛應(yīng)用的一些變速傳動系統(tǒng)。下表是當時對幾種常用變速傳動系統(tǒng)各項主要經(jīng)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(tǒng)的研制工 作。在國外的應(yīng)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(jù)報道，美國為空間技術(shù)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(tǒng)進行研究。SR而統(tǒng)的研究已被列入我國中、小型電 機“八五”、 “九五”和“十五”科研規(guī)劃項目。 華中科技大學開關(guān)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(yīng)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(jīng)濟效益。從上世紀90年代國際會議的上有關(guān)SRD系統(tǒng)的文章來看，對SRD系 統(tǒng)的研究工作已經(jīng)從論證它的優(yōu)點、開發(fā)應(yīng)用階段進入到設(shè)計理論、 優(yōu)化設(shè)計研究階段。對SR電機、控制器、功率變換器等的運行理論、 優(yōu)化設(shè)計、結(jié)構(gòu)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(tǒng)主要經(jīng)濟指標比較表系統(tǒng)類型比較項目I直流調(diào) 51系統(tǒng)PWM變頻 調(diào)速系統(tǒng)開關(guān)磁阻 調(diào)速系統(tǒng)成本1-01.5L0效率(%)額定轉(zhuǎn)速時1/2額767783定轉(zhuǎn)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(tǒng)的特點SR電機系統(tǒng)具有一些很有特色的優(yōu)點：(1)電機結(jié)構(gòu)簡單、堅固、制造工藝簡單，成本低，可工作于極高轉(zhuǎn) 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(huán)境；(2) 損耗主要產(chǎn)生在定子，電機易于冷卻; 轉(zhuǎn)子無永磁體高溫退磁

5、現(xiàn)象可允許有較高的溫度;(3) 轉(zhuǎn)矩方向與電流方向無關(guān)，因而可簡化功率變換器，降低系統(tǒng)成本。同時功率變換器不會出現(xiàn)直通故障，可靠性高;(4) 起動轉(zhuǎn)矩大，低速性能好，無感應(yīng)電動機在起動時所出現(xiàn)的沖擊電流現(xiàn)象。(5) 調(diào)速范圍寬，控制靈活，易于實現(xiàn)各種特殊要求的轉(zhuǎn)矩-速度特性 ;(6) 在較廣的轉(zhuǎn)速和功率范圍內(nèi)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(yōu)點使得SR電機系統(tǒng)在家用電器、通用工業(yè)、伺服與調(diào)速系統(tǒng)、牽引電機、高轉(zhuǎn)速電機等方面的到廣泛的應(yīng)用。早期的SRD由于很少考慮電機的噪聲，所有的樣機或產(chǎn)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(zhuǎn)矩脈動。目前，轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲這兩個突出問題已經(jīng)制約了 SRD的進一步推廣和應(yīng)用。隨著研究的深入，降低SR電機的噪聲和減小轉(zhuǎn)矩脈動成了 SRD勺研究熱點。3 SRD系統(tǒng)構(gòu)成SRD系統(tǒng)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(guān)系如圖1 所示 :圖1開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)（SRD）框圖3.1 SR電機本體SR電機本體是SRD的執(zhí)行元件， 如圖2所示開關(guān)磁阻電機 的電機結(jié)構(gòu)原理圖，電機為了增加出力而設(shè)計成雙凸極結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)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(lián)，構(gòu)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(chǎn)生磁 阻性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩。若順序給 D-A-B-C-D相繞組通電，則轉(zhuǎn)子便按逆 時針方向連續(xù)轉(zhuǎn)動起來。當主開關(guān)管 S1、S2導通時，A相繞組從直 流電源V吸收電能；當S1、S2關(guān)斷時，繞組電流通過續(xù)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(guān)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(guān)部件。80年代初，主開關(guān)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(guān)器件。但SCRE自關(guān)斷能力，開關(guān)頻 率低，強迫換相電路成本高，可靠性差，構(gòu)成的SR由、體性能有局限。 后來較多應(yīng)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(yīng)用。80年代中期，結(jié)合了 SCR GTR兩者優(yōu)點的GTO受到重視。 因GTO1有自關(guān)斷、快速開關(guān)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(guān)器件近年來，考慮到GTO在關(guān)斷時要求相當大的反向控制電流，關(guān)斷控制實現(xiàn)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(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)逆變

9、器有很大差異，具有多種形式，并且與開關(guān)磁阻電動機的相數(shù)、繞組連接形式有密切的關(guān)系。其中，最常見的拓撲結(jié)構(gòu)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(xiàn) SR電機自同步運行和發(fā)揮優(yōu)良性能的關(guān)鍵。它綜合位置檢測器、電流檢測器提供的電機轉(zhuǎn)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(tǒng)的功率變換器發(fā)出一系列開關(guān)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(fā)展，SR電機的控制系統(tǒng)也從早期的分立模擬器件組成的簡單控制系統(tǒng)逐漸發(fā)展成為以高性能微控制器為核心的數(shù)字化控制系統(tǒng)，相應(yīng)地專為電機控制設(shè)計的高性能數(shù)字信號

10、處理器（DSP）給各種高級復雜控制策略的實現(xiàn)提供了可能。數(shù)字控制器由具有較強的信息處理功能的CPU和數(shù)字邏輯電路及接口電路等部分組成。數(shù)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(chǎn)生重大影響。3.4 位置、電流檢測器位置檢測器是轉(zhuǎn)子位置及速度等信號的提供者。它及時向控制器提供定、轉(zhuǎn)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(guān)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(tǒng)研究熱點針對SRD

11、系統(tǒng)的特點，國內(nèi)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(jié)構(gòu)設(shè)計 由于SRD系統(tǒng)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(jié)構(gòu)設(shè)計、主開關(guān)器件的選擇和使用等方面。SRD(統(tǒng)功率變換器是由一定數(shù)量的電力電子器件按照一定的拓撲結(jié) 構(gòu)組合而成。SR晾統(tǒng)功率變換器研究初期，最少量主開關(guān)器件的拓 撲結(jié)構(gòu)曾是研究的熱點，這是因為主開關(guān)器件的減少，意味者相應(yīng)的驅(qū)動電路、緩沖電路以及功率損耗等相應(yīng)減少，因此系統(tǒng)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(guān)器件數(shù)目的拓撲結(jié)

12、構(gòu)在減少主開關(guān)器件數(shù)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(guān)器件， 系統(tǒng)的體積與成本并未顯著降低，其實質(zhì)只是通過增加單個主開關(guān)器件的容量來減少主開關(guān)器件的數(shù)目。因此更理想的功率變換器拓撲結(jié)構(gòu)應(yīng)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(zhuǎn)換為機械能輸出，當向電源回饋時應(yīng)高效、快速 ;(3)驅(qū)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(qū)動更高功率等級的 SR電機；(4) 每相主開關(guān)器件數(shù)目最少。4.2 多目標優(yōu)化控制在控制參數(shù)的優(yōu)化方面，根據(jù)不同的系統(tǒng)要求，可選取不同的目標函數(shù)，如系統(tǒng)的效率最高、平

13、均轉(zhuǎn)矩最大、轉(zhuǎn)矩脈動系數(shù)最小等。由于SRD空制參數(shù)多、電機模型復雜，使得優(yōu)化過程計算量大，而且得到的只是針對單個系統(tǒng)的優(yōu)化結(jié)果。與傳統(tǒng)的電機調(diào)速系統(tǒng)相比，SR晾統(tǒng)實現(xiàn)優(yōu)化控制的難度要高一些。但是隨著各種控制理論在傳統(tǒng)電機調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用的研究日益深入，它們在SR而統(tǒng)中的應(yīng)用也逐漸增多。如采用傳統(tǒng)的PI 調(diào)節(jié)器， 以斬波電流限為控制變量，實現(xiàn)了 SR電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制。一些現(xiàn)代的控制理論和方法在SR電機的控制中也得到了應(yīng)用，如模糊控制、模糊控制與PI 控制結(jié)合在一起的混合式調(diào)節(jié)、滑?？刂疲赃m應(yīng)控制、線性回饋控制以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。這些現(xiàn)代控制技術(shù)的使用部分解決了 SRD(統(tǒng)的非線性多變量強

14、耦合問題，但離實用技術(shù)還有一定距離，主要表現(xiàn)在一些控制技術(shù)中為設(shè)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(shù)難于確定而失去實用的價值。但隨著微電子技術(shù)和高級控制技術(shù)的發(fā)展，這些控制技術(shù)必將在SR而統(tǒng)中得到切實應(yīng)用。4.3 消除轉(zhuǎn)矩脈動控制SR 電機轉(zhuǎn)矩脈動產(chǎn)生機理較為復雜，受到許多因素的影響，如電機結(jié)構(gòu)、幾何尺寸、繞組匝數(shù)、轉(zhuǎn)速及控制參數(shù)等。由于SRM勺雙凸極結(jié)構(gòu)，電磁特性以及開關(guān)的非線性影響，采用傳統(tǒng)控制策略得到的合成轉(zhuǎn)矩不是一恒定轉(zhuǎn)矩，因而導致了相當大的轉(zhuǎn)矩脈動。這點限制了 SRD&很多直接驅(qū)動領(lǐng)域的應(yīng)用。提出有效減小轉(zhuǎn)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(lǐng)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(chǎn)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(yīng)用的日