開關(guān)磁阻電機(jī)原理和應(yīng)用

1、開關(guān)磁阻電機(jī)開關(guān)磁阻電機(jī)是一種新型調(diào)速電機(jī)，調(diào)速系統(tǒng)兼具直流、交流兩類調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，是繼變頻調(diào)速系統(tǒng)、無刷直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的最新一代無極調(diào)速系統(tǒng)。它的結(jié)構(gòu)簡單堅(jiān)固，調(diào)速范圍寬，調(diào)速性能優(yōu)異，且在整個調(diào)速范圍內(nèi)都具有較高效率，系統(tǒng)可靠性高。主要由開關(guān)磁阻電機(jī)、功率變換器、控制器與位置檢測器四部分組成?？刂破鲀?nèi)包含控制電路與功率變換器，而轉(zhuǎn)子位置檢測器則安裝在電機(jī)的一端。其電機(jī)部分由于是運(yùn)用了磁阻最小原理，故稱為磁阻電動機(jī)，又由于線圈電流通斷、磁通狀態(tài)直接受開關(guān)控制，故稱為開關(guān)磁阻電動機(jī)。特征開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)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(qū)動調(diào)速系統(tǒng)。使的開關(guān)磁

2、阻電機(jī)存在許多潛在的領(lǐng)域，在各種需要調(diào)速和高效率的場合均能得到廣泛使用（電動車驅(qū)動、通用工業(yè)、家用電器、紡織機(jī)械、電力傳動系統(tǒng)等各個領(lǐng)域）。優(yōu)點(diǎn) 其結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，電機(jī)的轉(zhuǎn)子沒有繞組和磁鐵。 電機(jī)轉(zhuǎn)子無永磁體，允許較高的溫升。由于繞組均在定子上，電機(jī)容易冷卻。效率高，損耗小。 轉(zhuǎn)矩方向與電流方向無關(guān)，只需單方相繞組電流，每相一個功率開關(guān)，功率電路簡單可靠。 轉(zhuǎn)子上沒有電刷結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，適用于高速驅(qū)動。 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量小，有較高轉(zhuǎn)矩慣量比。 調(diào)速范圍寬，控制靈活，易于實(shí)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(yùn)轉(zhuǎn)的特殊場合使用。 且啟動電流小，啟動轉(zhuǎn)矩大，低速時更為突出。

3、 電機(jī)的繞組電流方向?yàn)閱畏较颍娏刂齐娐泛唵?，具有較高的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。 可通過機(jī)和電的統(tǒng)一協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)滿足各種特殊使用要求。缺點(diǎn)其工作原理決定了，如果需要開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，必須使電機(jī)與控制配合的很好。因其要使用位置傳感器，增加了結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，降低了可靠性。對于電機(jī)本身而言，轉(zhuǎn)矩脈動大是其固有的缺點(diǎn)；在電機(jī)遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)點(diǎn)的時候，轉(zhuǎn)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(dǎo)通角控制方法，對其轉(zhuǎn)矩脈動的改善不是很大，需要加入更加復(fù)雜的算法。另外，運(yùn)行時噪音和振動較大、非線形性強(qiáng)也是開關(guān)磁阻電機(jī)需要解決的問題。目前國內(nèi)實(shí)用的磁阻電機(jī)屬于初級階段，部分產(chǎn)品控制相對粗放，電機(jī)的響應(yīng)速度慢、低

4、速下的脈動大，難以實(shí)現(xiàn)較高的控制精度。結(jié)構(gòu)原理雙凸極結(jié)構(gòu)磁阻電機(jī)的定子鐵芯有六個齒極，轉(zhuǎn)子鐵芯有四個齒極，均由導(dǎo)磁良好的硅鋼片沖制后疊成。   開關(guān)磁阻電機(jī)構(gòu)造1與普通電機(jī)一樣，轉(zhuǎn)子與定子之間有很小縫隙，轉(zhuǎn)子可在定子內(nèi)自由轉(zhuǎn)動。由于定子與轉(zhuǎn)子都有凸起的齒極，這種形式也稱為雙凸極結(jié)構(gòu)。在定子齒極上繞有線圈（定子繞組），是向電機(jī)提供工作磁場的勵磁繞組。在轉(zhuǎn)子上沒有線圈，這是磁阻電機(jī)的主要特點(diǎn)。三相6/4結(jié)構(gòu)工作原理磁阻電動機(jī)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(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。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(jī)有3相，結(jié)合定子與轉(zhuǎn)子的極數(shù)就稱該電機(jī)為三相6/4結(jié)構(gòu)。為方便分析磁路，我們把相對的相分別標(biāo)為a、b、c相，各相線圈由開關(guān)控制電流通斷，約定轉(zhuǎn)子啟動前的轉(zhuǎn)角為0度。   開關(guān)磁阻電機(jī)工作原理示意2A相線圈接通電源產(chǎn)生磁通，磁力線從最近的轉(zhuǎn)子齒極通過轉(zhuǎn)子鐵芯，磁力線可看成極有彈力的線，在磁力的牽引下轉(zhuǎn)子開始逆時針轉(zhuǎn)動；磁力一直牽引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到30度為止，到了30度轉(zhuǎn)子不再轉(zhuǎn)動，此時磁路最短。為了使轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子齒極通過轉(zhuǎn)子鐵芯，于是轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動，磁力一直牽引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到60度為止。在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子齒極通過轉(zhuǎn)子鐵芯，轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動，磁力一直牽引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到90度為止。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到90度前切斷C相電源，轉(zhuǎn)子在90度的狀態(tài)與前面0度開始時一樣，重復(fù)前面過程，接通A相電源，轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動，這樣不停的重復(fù)下去，轉(zhuǎn)子就會不停的旋轉(zhuǎn)。這就是磁阻電動機(jī)的工作原理。上述工作原理決定了如果需要開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，必須使電機(jī)與控制配合的很好。2開關(guān)磁阻電機(jī)的應(yīng)用近年來，開關(guān)磁阻電機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展取得了明顯的進(jìn)步，已成功地應(yīng)用于電動車驅(qū)動、通用工業(yè)、家用電器和紡織機(jī)械等各個領(lǐng)域，功率范圍從10W到5MW，最大速度高達(dá)100000 r/min。電動車應(yīng)用開關(guān)磁阻電機(jī)最初的應(yīng)

7、用領(lǐng)域就是電動車。目前電動摩托車和電動自行車的驅(qū)動電機(jī)主要有永磁無刷及永磁有刷兩種，然而采用開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動有其獨(dú)特的優(yōu)勢。當(dāng)高能量密度和系統(tǒng)效率為關(guān)鍵指標(biāo)時，開關(guān)磁阻電機(jī)變?yōu)槭走x對象。 SRD開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊牢固，適合于高速運(yùn)行，并且驅(qū)動電路簡單成本低、性能可靠，在寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)效率都比較高，而且可以方便地實(shí)現(xiàn)四象限控制。這些特點(diǎn)使SRD開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)很適合電動車輛的各種工況下運(yùn)行，是電動車輛中極具有潛力的機(jī)種。SRD的最大特點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩脈動大，噪聲大；此外，相對永磁電機(jī)而言，功率密度和效率偏低；另一個缺點(diǎn)是要使用位置傳感器，增加了結(jié)構(gòu)復(fù)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(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個方面： （1）開關(guān)磁阻電機(jī)不僅效率高，而且在很寬的功率和轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都能保持高效率，這是其它類型驅(qū)動系統(tǒng)難以達(dá)到的。這種特性對電動車的運(yùn)行情況尤為適合，有利于提高電動車的續(xù)駛里程。 （2）開關(guān)磁阻電機(jī)很容易通過采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗院拖到y(tǒng)設(shè)計(jì)滿足電動車四象限運(yùn)行的要求，并且還能在高速運(yùn)行區(qū)域保持強(qiáng)有力的制動能力。 （3）開關(guān)磁阻電機(jī)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(jī)體積和重量。（4）通過調(diào)整開通角和關(guān)斷角，開關(guān)磁阻電機(jī)完全可以達(dá)到它激直流電機(jī)驅(qū)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(yùn)行特性的要求。 （5）開關(guān)磁阻電機(jī)無論電機(jī)還是功率變換器都十分堅(jiān)固可靠，無需或很少需要維護(hù)，適用于各種惡劣、高溫環(huán)境，具有良好的適應(yīng)性。紡織工業(yè)應(yīng)用近十多年來我國紡織機(jī)械行業(yè)的機(jī)電一體化水平有了較明顯的提高，在新型紡織機(jī)械上普遍采用了機(jī)電一體化技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)的內(nèi)容包含了先進(jìn)的信息處理和控制技術(shù)，即以計(jì)算機(jī)為核心，有PLC、工控機(jī)、單片機(jī)、人機(jī)界面、現(xiàn)場總線等組成的控制系統(tǒng)；先進(jìn)的驅(qū)動技術(shù)，有變頻調(diào)速，交流伺服，步進(jìn)電機(jī)等；檢測傳感技術(shù)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)；精密機(jī)械技術(shù)等。棉紡織設(shè)備較有代表性的機(jī)電一體化產(chǎn)品，例如新型的粗紗機(jī)、分條整經(jīng)機(jī)、漿紗機(jī)等。其中， 無梭織

10、機(jī)的主傳動技術(shù)也有了新的突破：采用開關(guān)磁阻電機(jī)作為無梭織機(jī)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(jī)，減少了這些機(jī)械結(jié)構(gòu)直接的減小了轉(zhuǎn)動慣量，減小能耗。同時因?yàn)殚_關(guān)磁阻電機(jī)的能量轉(zhuǎn)化效率高，能使織機(jī)節(jié)能10%等優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)已有開關(guān)磁阻電機(jī)和驅(qū)動器的產(chǎn)品（北京中紡機(jī)電研究所，目前還在與無梭織機(jī)主機(jī)廠合作，共同開發(fā)應(yīng)用技術(shù)，希望能盡快取得成功，填補(bǔ)國內(nèi)空白）。而浙江中自機(jī)電控制技術(shù)XXX，目前已經(jīng)研發(fā)成功開關(guān)磁阻電機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)，成功運(yùn)用于無梭織機(jī)上，在主機(jī)廠運(yùn)轉(zhuǎn)性能良好，達(dá)到國際先進(jìn)水平。風(fēng)電行業(yè)應(yīng)用普通的發(fā)電機(jī)，如如異步發(fā)電機(jī)、感應(yīng)發(fā)電機(jī)、永磁發(fā)電機(jī)

11、要輸出固定電壓，其轉(zhuǎn)速也須固定。而風(fēng)速是時刻變化的，所以風(fēng)輪機(jī)的轉(zhuǎn)速必須固定不變，導(dǎo)致網(wǎng)通利用效率低下。顯然，如果使用變速發(fā)電機(jī)就能提高風(fēng)能利用效率（即變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)），而開關(guān)磁阻電機(jī)正滿足了這樣的要求。開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)用于風(fēng)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(zhuǎn)速無關(guān)。在自勵方式下，也可以通過自身的控制器實(shí)現(xiàn)電壓恒定。2、開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量小，啟動轉(zhuǎn)矩低，動態(tài)響應(yīng)好。低頻時不會出現(xiàn)像變頻供電的感應(yīng)電機(jī)在低頻時出現(xiàn)的不穩(wěn)定和振蕩問題。

12、因此即使在網(wǎng)速較低的情況下，通過合理的設(shè)計(jì)，也可以在風(fēng)力直接驅(qū)動下實(shí)現(xiàn)較高的發(fā)電效率，從而省去了齒輪箱。3、開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)具有優(yōu)良的高速性能，能夠在寬廣的速度范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，因而可以適應(yīng)不同網(wǎng)速的要求，高效的利用網(wǎng)通。4、開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)可控參數(shù)多，如開通角，關(guān)斷角，直流斬波限，勵磁電壓等，可方便的實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制策略。5、開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)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(gòu)成互補(bǔ)系統(tǒng)，更可以體現(xiàn)分時勵磁和發(fā)電的優(yōu)勢。6、開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)各相在物理和電磁上相互獨(dú)立，即使缺相的情況下，仍可維持工作，具有很強(qiáng)的容錯能力。焦炭工業(yè)應(yīng)用開關(guān)磁阻電機(jī)（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(hù)簡單，特別適用于礦井輸送機(jī)、電牽引采煤機(jī)及中小型絞車等。 90年代英國已研制成功300kW的開關(guān)磁阻電機(jī)，用于刮板輸送機(jī)，效果很好。我國已研制成功110kW的開關(guān)磁阻電機(jī)用于矸石山絞車 、132kW的開關(guān)磁阻電機(jī)用于帶式輸送機(jī)拖動，良好的起動和調(diào)速性能受到工人們的歡迎。 我國還將開關(guān)磁阻電機(jī)用于電牽引采煤機(jī)牽引，運(yùn)行試驗(yàn)表明新型采煤機(jī)性能良好。此外還成功地將開關(guān)磁阻電機(jī)用于電機(jī)車，提高了電機(jī)車運(yùn)行的可靠性和效率。家電行業(yè)應(yīng)用隨著人們生活水平的提高，洗衣機(jī)已逐漸深入千家萬戶，洗衣機(jī)也經(jīng)歷了手動機(jī)械洗衣機(jī)、半自動洗衣機(jī)、全自動洗衣機(jī)的發(fā)展過程，并不斷智能化。洗衣機(jī)電機(jī)也由簡單的有級調(diào)速電機(jī)發(fā)展為無級調(diào)速電機(jī)。開關(guān)磁阻電機(jī)由于低成本、高性能、智能化已開始應(yīng)用于洗衣機(jī)，在美國高檔洗衣機(jī)中已小批量采用，并取得明顯的優(yōu)點(diǎn)： （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(jī)。 （5）軟起動。 （6）電流限幅。 （7）最大速度高，低速