開關(guān)磁阻電機(jī)的特性及在家電業(yè)的應(yīng)用

1、開關(guān)磁阻電機(jī)的特性及在家電業(yè)的應(yīng)用吳建華浙江大學(xué)電機(jī)及其控制研究所，杭州310027摘要 開關(guān)磁阻電機(jī)是一種新型高效調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于家用電器、通用工業(yè)和電 動(dòng)車驅(qū)動(dòng)等各個(gè)領(lǐng)域。本文闡述了開關(guān)磁阻電機(jī)的工作原理和特點(diǎn)，以及在家電行業(yè)的應(yīng)用 概況，并與變頻調(diào)速電機(jī)作了比較。關(guān)鍵詞 開關(guān)磁阻電機(jī)，變頻電機(jī)，家用電器，應(yīng)用1 概述開關(guān)磁阻電機(jī)是80年代初隨著電力電子、微電腦和控制技術(shù)的迅猛發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的 一種新型調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠及效率高等突出特點(diǎn)，成為交流電機(jī)調(diào)速 系統(tǒng)、直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)者，引起各國(guó)學(xué)者和企業(yè) 界的廣泛關(guān)注?？鐕?guó)電機(jī)公

2、司Emerson電氣公司還將開關(guān)磁阻電機(jī)視為其下世紀(jì)調(diào)速驅(qū)動(dòng) 系統(tǒng)的新的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。目前開關(guān)磁阻電機(jī)已廣泛或開始應(yīng)用于工業(yè)、航空業(yè)和家用 電器等各個(gè)領(lǐng)域。隨著對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)認(rèn)識(shí)的深入，其應(yīng)用必將更為普遍。本文簡(jiǎn)要介紹了 開關(guān)磁阻電機(jī)的工作原理和特點(diǎn)，以及在家電業(yè)的應(yīng)用概況。2工作原理和特點(diǎn)圖1開關(guān)磁阻電機(jī)的典型結(jié)構(gòu)原理圖圖1所示是開關(guān)磁阻電機(jī)的典型結(jié)構(gòu)原理圖，電機(jī)為雙凸極結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子僅由疊片疊 壓而成，既無(wú)繞組也無(wú)永磁體；定子各極上繞有集中繞組，徑向相對(duì)極的繞組串聯(lián)，構(gòu)成一相。 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，因磁場(chǎng)扭曲而 產(chǎn)生磁阻性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩。順序給

3、A-B-C-D相繞組通電，則轉(zhuǎn)子便按逆時(shí)針?lè)较蜻B續(xù) 轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。當(dāng)主開關(guān)管S1、S2導(dǎo)通時(shí)，A相繞組從直流電源V吸收電能；而當(dāng)S1、S2關(guān) 斷時(shí)，繞組電流通過(guò)續(xù)流二極管D1、D2，將剩余能量回饋給電源V。因此，開關(guān)磁阻電機(jī) 具有再生的能力，系統(tǒng)效率高。對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)的理論研究和實(shí)踐證明，該系統(tǒng)具有許多顯著的特點(diǎn):（1）電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固，制造工藝簡(jiǎn)單，成本低，可工作于極高轉(zhuǎn)速；定子線圈 嵌放容易，端部短而牢固，工作可靠，能適用于各種惡劣、高溫甚至強(qiáng)振動(dòng)環(huán)境。（2）損耗主要產(chǎn)生在定子，電機(jī)易于冷卻；轉(zhuǎn)子無(wú)永磁體，可允許有較高的溫升。（3）轉(zhuǎn)矩方向與電流方向無(wú)關(guān)，從而可最大限度簡(jiǎn)化功率變換器，降低系

4、統(tǒng)成本。（4）功率變換器不會(huì)出現(xiàn)直通故障，可靠性高。（5）起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，低速性能好，無(wú)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)時(shí)所出現(xiàn)的沖擊電流現(xiàn)象。（6）調(diào)速范圍寬，控制靈活，易于實(shí)現(xiàn)各種特殊要求的轉(zhuǎn)矩一速度特性。（7）在寬廣的轉(zhuǎn)速和功率范圍內(nèi)都具有高效率（8）能四象限運(yùn)行，具有較強(qiáng)的再生制動(dòng)能力。與當(dāng)前廣泛應(yīng)用的變頻調(diào)速感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比，開關(guān)磁阻電機(jī)在成本、效率、調(diào)速性能、 單位體積功率、可靠性、散熱性等都具有明顯的優(yōu)勢(shì)或競(jìng)爭(zhēng)力。圖2是不同功率等級(jí)開關(guān) 磁阻電機(jī)和變頻調(diào)速感應(yīng)電機(jī)的效率比較（功率均折算到1500r/min），如果說(shuō)第一代開關(guān) 磁阻電機(jī)（1983年研制）在小功率范圍的效率比高效變頻調(diào)速感應(yīng)電動(dòng)機(jī)低，第二

5、代開關(guān)磁阻 電機(jī)（1988年研制）的效率已全面超過(guò)了高效變頻調(diào)速感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。更難得的是，開關(guān)磁 阻電機(jī)在寬廣的速度和功率范圍內(nèi)都能保持較高的效率，這是變頻調(diào)速感應(yīng)電動(dòng)機(jī)難以比 擬的。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)要取得與直流電機(jī)相近的調(diào)速特性需采用復(fù)雜的矢量控制系統(tǒng)，而開關(guān)磁阻 電機(jī)通過(guò)調(diào)整開通角、關(guān)斷角、電壓和電流，可以得到不同負(fù)載要求的機(jī)械特性，控制簡(jiǎn)單、 靈活，能容易地實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)和四象限運(yùn)行，而且由于這是一種純邏輯的控制方式，很容易智 能化，通過(guò)修改軟件調(diào)整電機(jī)工作特性滿足不同應(yīng)用要求。由于開關(guān)磁阻電機(jī)固有的轉(zhuǎn)矩波 動(dòng)，可能導(dǎo)致較大的噪聲和振動(dòng)，事實(shí)上這種情況的發(fā)生往往與電機(jī)設(shè)計(jì)和控制的不合理相 關(guān)，通過(guò)優(yōu)

6、化電機(jī)設(shè)計(jì)和控制策略，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和噪聲完全可以得到有效的抑制，正確認(rèn)識(shí)到 這一點(diǎn)對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)的開發(fā)和應(yīng)用是很重要的。SRD Ltd.公司開發(fā)的伺服應(yīng)用開關(guān)磁阻 電機(jī)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)僅為0.05%。圖3為132機(jī)座開關(guān)磁阻電機(jī)的聲壓級(jí)，及與同機(jī)座號(hào)變頻 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)噪聲的比較，在額定工作點(diǎn)的噪聲已比變頻感應(yīng)電動(dòng)機(jī)噪聲低，且應(yīng)注意到開關(guān)磁 阻電機(jī)具有10kW的額定功率，而變頻感應(yīng)電動(dòng)機(jī)只有7.5kW額定功率。近年研究的最 優(yōu)勵(lì)磁控制策略、兩次換流控制策略、電機(jī)噪聲根源、定子振動(dòng)模態(tài)、定子固有頻率計(jì)算等成 果對(duì)降低電機(jī)噪聲都有積極的促進(jìn)作用。隨著設(shè)計(jì)和制造水平的提高，噪聲必將進(jìn)一步降 低。不同功率等級(jí)開關(guān)磁

7、阻電機(jī)和變頻調(diào)速感應(yīng)電機(jī)的效率比較o o o o O 8 7 6 5絹圖版0rLOOJ20O1E；OO轉(zhuǎn)速r/iDin圖3 132機(jī)座開關(guān)磁阻電機(jī)（10kW，1500r/min）聲壓級(jí)與變頻調(diào)速的另一類電機(jī)永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)相比，開關(guān)磁阻電機(jī)在成本、調(diào)速性能、 可靠性和散熱性等依然保持優(yōu)勢(shì)，但和變頻感應(yīng)電動(dòng)機(jī)一樣都存在勵(lì)磁懲罰（既勵(lì)磁電損 耗）的問(wèn)題，效率和單位體積功率稍顯不足。但在一些應(yīng)用場(chǎng)合，開關(guān)磁阻電機(jī)在效率和輸出功 率依然具有優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)5給出一種低壓大轉(zhuǎn)矩伺服應(yīng)用兩種電機(jī)的比較數(shù)據(jù)，開關(guān)磁阻電 機(jī)與無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩比為2.04，系統(tǒng)效率比2.04，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比0.422。目前永磁

8、 式開關(guān)磁阻電機(jī)也在研究，初步的測(cè)試結(jié)果表明效率和單位體積功率的不足完全可以克服。3在家電業(yè)的應(yīng)用概況近20年來(lái)，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(dòng)車驅(qū) 動(dòng)、通用工業(yè)、家用電器和紡織機(jī)械等各個(gè)領(lǐng)域，功率范圍從10W到5MW，最大速度高 達(dá)100000 r/min。以下簡(jiǎn)要介紹開關(guān)磁阻電機(jī)在家電行業(yè)中的應(yīng)用實(shí)例。開關(guān)磁阻電機(jī)最初的應(yīng)用領(lǐng)域就是電動(dòng)車。我國(guó)摩托車從90年代初的71.9萬(wàn)輛起，每 年以140%左右的速度增長(zhǎng)。1995年年產(chǎn)達(dá)783.6百萬(wàn)輛，1997年年產(chǎn)量已超過(guò)1000萬(wàn) 輛，是世界摩托車產(chǎn)量的第一大國(guó)，摩托車燃油所造成的環(huán)境污染，已到了必須采取措施的地

9、止步，其最好的對(duì)策是采用電動(dòng)摩托車。我國(guó)又是一個(gè)自行車王國(guó)，隨著城市范圍的擴(kuò)大，人力自 行車顯得太慢太費(fèi)力，電動(dòng)自行車則是一個(gè)很好的代步工具。目前電動(dòng)摩托車和電動(dòng)自行車 的驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要有永磁無(wú)刷及永磁有刷兩種，然而采用開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。 圖4a為美國(guó)Tridelta工業(yè)公司開發(fā)的開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的助力車，原動(dòng)力為小型汽油發(fā) 動(dòng)機(jī)。當(dāng)高能量密度和系統(tǒng)效率為關(guān)鍵指標(biāo)時(shí)，開關(guān)磁阻電機(jī)變?yōu)槭走x對(duì)象。圖4b為美 國(guó)EMB公司開發(fā)的電動(dòng)摩托車，采用兩相開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)。(a)電動(dòng)助力車(b)電動(dòng)摩托車圖 4 開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)助力車和電動(dòng)摩托車開關(guān)磁阻電機(jī)在電動(dòng)車的應(yīng)用充分體現(xiàn)該系統(tǒng)許多

10、明顯的優(yōu)點(diǎn)：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(dòng)系統(tǒng)難以達(dá)到的。這種特性對(duì)電動(dòng)車的運(yùn)行情況尤為適合，有利于提高電動(dòng) 車的續(xù)駛里程。開關(guān)磁阻電機(jī)很容易通過(guò)采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗院拖到y(tǒng)設(shè)計(jì)滿足電動(dòng)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(dòng)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(guò)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(dòng)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，從而能通過(guò)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。

11、（5）開關(guān)磁阻電機(jī)無(wú)論電機(jī)還是功率變換器都十分堅(jiān)固可靠，無(wú)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。在食品加工機(jī)械中，開關(guān)磁阻電機(jī)顯現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：（1）體積小。（2）不燒電機(jī)。（3）沒(méi)有或只有小的齒輪減速比。（4）電機(jī)外形設(shè)計(jì)靈活，適應(yīng)性好（“扁平”或“細(xì)長(zhǎng)”）。（5）安全停機(jī)。（6）速度離散可選或連續(xù)可調(diào)。（7）易實(shí)現(xiàn)特殊要求的機(jī)械特性（軟件編程）。圖5為某食品加工機(jī)械用普通電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)對(duì)比，開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)、體積、特 性上的優(yōu)勢(shì)非常明顯，降低了電機(jī)成本，提高了產(chǎn)品的可靠性。圖5某食品加工機(jī)械用普通電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)隨著人們生活水平的提高，洗衣機(jī)已逐漸深入千家

12、萬(wàn)戶，洗衣機(jī)也經(jīng)歷了手動(dòng)機(jī)械洗 衣機(jī)、半自動(dòng)洗衣機(jī)、全自動(dòng)洗衣機(jī)的發(fā)展過(guò)程，并不斷智能化。洗衣機(jī)電機(jī)也由簡(jiǎn)單的有級(jí) 調(diào)速電機(jī)發(fā)展為無(wú)級(jí)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(guó)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(dòng)。（6）電流限幅。（7）最大速度高，低速轉(zhuǎn)矩大。（8）機(jī)械特性易調(diào)整。（9）對(duì)水溫、水流等易于智能控制。圖6為地板磨光機(jī)和所用的開關(guān)磁阻電機(jī)，新系統(tǒng)具有：（1）軟起動(dòng)，起、制動(dòng)平滑。（2）工作轉(zhuǎn)速高，產(chǎn)生鏡面磨光效果。（3）速度保護(hù)防止危險(xiǎn)的飛逸，

13、保證磨光的一致性。（4）電機(jī)無(wú)電刷和永久磁鋼，降低材料成本和勞動(dòng)成本，減少了產(chǎn)品維護(hù)，保證了產(chǎn) 品長(zhǎng)壽命。（5）效率由原系統(tǒng)的55%提高到75%。（6） 體積小、重量輕，操作容易。（7）電機(jī)適用于各種尺寸的地板磨光機(jī)。（a）地板磨光機(jī)（b）開關(guān)磁阻電機(jī)圖 6 地板磨光機(jī)和所用的開關(guān)磁阻電機(jī)4結(jié)束語(yǔ)作為一種新型調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，開關(guān)磁阻電機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低成本、高效率、優(yōu)良的調(diào) 速性能和靈活的可控性，愈來(lái)愈得到人們的認(rèn)可和應(yīng)用，成為交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、直流電機(jī) 調(diào)速系統(tǒng)和無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的強(qiáng)有力競(jìng)爭(zhēng)者，隨著設(shè)計(jì)和制造水平的提高，專用控制 芯片和集成功率器件的開發(fā)，開關(guān)磁阻電機(jī)必將得到更為廣泛應(yīng)用。參考文獻(xiàn)Lawrenson P J . Switched Reluctance Drives: APerspective . Proc. Of ICEM92, 1221Lovatt H C, Stephenson J M . Optimum Excitation of Switched Reluctance Motor. Proc. of IEE Eighth International Conference o