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开关磁阻电机综述摘要开关磁阻电机（SRM）是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力的竞争者。本文将简单介绍其运行原理，结构特点及应用，并总结当前国内外对其研究的概况和热点问题。关键词：开关磁阻电机运行原理结构特点研究概况与热点SummarizeoftheSwitchedReluctanceRotor(SRM)SwitchedReluctanceMotor(SRM)developedintoanew-stylespeeddrivecontrolsysterm，alongwiththedevelopmentofthepowerelectronic,technologymicrocomputerandthecontroltechniqueatthebeginningofthe80’.Abstract1.开关磁阻电机的发展史[𝟏]开关磁阻电机(SwitchedReluctanceMotor,SRM)最早可以追溯到1970年，英国Leeds大学步进电机研究小组首创一个开关磁阻电机雏形。到1972年进一步对带半导体开关的小功率电动机(10w～1kw)进行了研究。1975年有了实质性的进展，并一直发展到可以为50kw的电瓶汽车提供装置。1980年在英国成立了开关磁阻电机驱动装置有限公司(SRDLtd.)，专门进行SRD系统的研究、开发和设计。1983年英国(SRDLtd.)首先推出了SRD系列产品，该产品命名为OULTON。1984年TASC驱动系统公司也推出了他们的产品。另外SRDLtd.研制了一种适用于有轨电车的驱动系统，到1986年已运行500km。该产品的出现，在电气传动界引起不小的反响。在很多性能指标上达到了出人意料的高水平，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。下表[1]是当时对几种常用变速传动系统各项主要经济指标所作的比较：从上世纪90年代国际会议的上有关SRD系统的文章来看，对SRD系统的研究工作已经从论证它的优点、开发应用阶段进入到设计理论、优化设计研究阶段。对SR电机、控制器、功率变换器等的运行理论、优化设计、结构形式等方面进行了更加深入的研究。2．开关磁阻电机的结构特点[𝟔]SRM为双凸极结构，仅定子上有绕组、转子无绕组或永磁体，通过磁阻最小原理产生转矩。SRM属于大齿结构，其相数、定转子齿数有多种不同的搭配。一般而言，相数越多、齿数越密，则步进角越小，有利于减小转矩脉动；然而开关频率也更高，增加了损耗，也提高了对功率变换器的要求。下图为四相8/6开关磁阻电机的实物定转子剖面图：图1四相8/6开关磁阻电机的实物定转子剖面图开光磁阻电机（SRM）的优点：（1）.系统性价比高。开关磁阻电机结构简单，因此制造工艺也简单。据调查，开关磁阻电机的制造成本仅为相同规格的DC或AC电机的60%左右。由于其定转子均为普通硅钢片，省掉了价格昂贵的稀土永磁铁，价格更为便宜。而开关磁阻电机控制性能主要由计算机软件实现，其控制器只比无刷直流电机高30%左右。因此，开关磁阻电机系统具有很高的性价比。（2）.运行效率高。开关磁阻电动机在1:50的调速范围和1:5的转矩变化范围内均能保证高效率；而直流电机只能在高速轻载下才能保证高效率，而且高效区很窄。对于变速度﹑变转矩工况，如电动车驱动的应用，开关磁阻电动机的平均效率将比有刷和无刷直流电机的效率高出15～30%。（3）.起动电流小。开关磁阻电动机只需0.2～0.3倍额定电流就能产生1.5～2倍的额定起动转矩。而无论有刷或无刷直流电机，都需要1.5～2倍的额定电流才能获得1.5～2倍的额定起动转矩。换而言之，对于同功率的直流电机和开关磁阻电机而言，为获取同样的起动转矩，前者的起动电流为后者的5～10倍。（4）.系统可靠性高。由于开关磁阻电动机的无易损的整流子机械结构也无性能不稳定的永磁铁，因此开关磁阻电动机的稳定性和寿命都高于有刷和无刷直流电机（5）.过载能力强。由于开关磁阻电动机的工作磁场不呈交变，因此发热很小，且电机的简单结构使其更易于冷却；此外，转子也没有热性能较差的永磁材料，这样使得开关磁阻电动机有着很强的过载能力。在短时间里，开关磁阻电动机允许过载2～3倍，其性能接近汽油发动机。(6)容错性好。开关磁阻电机运行时，各相是相互独立的。在相绕组开路或短路的情况下，仅运行性能会受到影响，而并不会像永磁或交流电机一样产生很强的冲击电流，导致严重的后果。SRM的缺点：（1）.转矩脉动、振动及噪声。由于开关磁阻电机的双凸极结构及开关性的工作方式，使其在换相时转矩不可避免存在着脉动现象。而由转矩脉动及定子的径向脉动力也使其存在着振动和噪声较大的问题。(2).位置传感器的使用降低了系统的可靠性。位置闭环是开关磁阻电机控制策略的基础。位置传感器的使用不仅增加了系统的成本，也降低了系统的可靠性。3.开关磁阻电机运行原理及运行特性[𝟏−𝟐]3.1转矩产生原理[𝟓]SRM是双凸极可变磁阻电动机其定转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成转子既无绕组也无永磁体定子极上绕有集中绕组径向相对的两个绕组串联构成一个两极磁极称为“一相”，如下图所示为三相SRM。图23相SRM剖面图SRM也可以设计成多种不同极数的结构，但定转子极数Ns和相数q要遵循一定的关系其中定子极数Ns应为相数q的2倍或2的整数倍即Ns=2mq一般m取1或2；而转子极数Nr应与定子极数不相等一般取Nr=2(mq-1)，即定子极数Ns应多于转子极数Nr，这样才能使SRM连续地转动，同时还要尽量使开关频率和最小电感Lmin都达到最小，转矩最大。SRM的运行原理遵循“磁阻最小原理”，即定子某相绕组通电时，所产生的磁力力图使相近的转子旋转到某转子极与该定子极相对齐位置，即磁阻最小位置，从而产生转矩。依次给定子绕组通电，转子则会连续旋转。如图1所示，控制器根据位置检测器检测到的定转子间相对位置信息，结合给定的运行命令(正转或反转)，导通相应的定子相绕组的主开关元件。当AA’通励磁电流时，其产生的磁阻性电磁转矩会使转子转向“极对极”位置即AA’。当转子转到被吸引的转子磁极与定子激磁相AA’重合时，电磁转矩消失。此时控制器根据新的位置信息，在定转子即将达到平衡位置时，向功率变换器发出命令，关断当前相的主开关元件，而导通下一相，则转子又会向下一个平衡位置转动；这样，控制器根据相应的位置信息，按一定的控制逻辑连续地导通和关断相应的相绕组的主开关，就可产生连续的同转向的电磁转矩，使转子在一定的转速下连续运行。当S1和S2断开时，绕组电流会经续流二极管VD1和VD2继续流通，回馈给电源。从上面的分析可知，电流的方向对转矩没有任何影响，即电流的方向不会改变转矩的方向，而仅取决于电流的通电顺序。3.2电路分析图2中电源VCC是直流电源，3个电感分别表示SRM的三相绕组，IGBT1—IGBT6为与绕组相连的可控开关元件，6个二极管为对应的续流二极管。当第一相绕组的开关管导通时，电源给第一相励磁，电流的回路（即励磁阶段）是电源正极—上开关管—绕组—下开关管—电源负极，如下图2（a）所示。开关管关断时，由于绕组是一个电感，由于电感电流不能突变，此时电流的续流回路（即去磁阶段）是绕组—上续流二极管—电源—下续流二极管—绕组，如图2（b）所示。图3SRM电流工作示意图3.3能量转换关系当忽略铁耗和各种附加损耗时，SRM工作时的能量转换过程为：通电绕组的电感处在电感上升区域（转子转向“极对极”位置），当开关管导通时，输入的净能量一部分转化为磁场储能，一部分转化为机械能输出；当开关管关断时，绕组电流通过二极管和电源续流，存储的磁场储能一部分转化为电能回馈电源，另一部分转化为机械能输出。3.4运行特性[𝟑−𝟒]SRD是机电一体化系统，SR电动机工作在自同步状态，它的每种运行状态与其控制方法有特定的对应关系。SR电动机的可控参数有定子绕组电压Us、开通角θon和关断角θoff，SR电动机的控制就是如何合理改变这些参数以达到运行要求。显然一个SRD系统是一个多变量控制系统（多输入单输出）对SRM的控制，实现多变量控制无疑是理想方案。然而这种控制方案也是复杂的，最一般的做法是采用单变量控制。根据改变控制参数的不同方式，SRM有两种基本控制模式，即电流斩波控制（简称CCC）和角度位置控制（简称APC）。CCC方式是为限制电流超过功率开关元件和电机允许的最大电流而采取的方法，一般θon和θoff固定不变，通过开关元件的多次导通和关断来限制电流在给定的上、下限值内变化，改变限流幅值的大小，可控制输出转矩的变化。CCC实际上是调节电压的有效利用值,适用于电机低速区,这时,相电流周期长、磁链及电流峰值大，适宜采用斩波限流。APC是电压保持不变。通过改变开通角和关断角调节电机转速，常把θoff固定在最佳值，而将θon作为控制变量。APC适于电机较高速区，因为绕组反电动势大，电流上升速度缓慢，不会出现过流情况。因此，不需要用CCC方式来限制电流大小，但改变导通角（θoff-θon）可以改变绕组电流大小，进而改变转矩。对于SR电动机在允许的最高电源电压作用和允许的最大磁链与最大电流条件下有一个临界转速ωb，它是电动机能得到最大转矩的最高速度。在这个转速以下SR电动机呈现恒转矩特性。当SR电动机在高于ωb转速范围运行时，对于线性理想情况，随着ω的增加，磁链和电流随之下降，转矩则随转速的平方下降，在最高电源电压作用下最大导通角(θ=2π/2Nr)以及最佳触发角条件下,在转速ωsc下呈现恒功率特性。当SR电动机在超过ωsc下运行时，由于可控制条件已达到极限，SR电动机呈现串励特性。如图3所示。采用不同的电源电压、开通、关断角的组合、两个临界点在速度轴上将对应不同的分布，且在上述两个区域内分别采用不同的控制方法，能得到满足不同需求的机械特性，也表明了SR电动机具有十分优良的调速性能。图4SR电动机运行特性4.SRM的研究概况与热点问题4.1SRD系统由于开关磁阻电动机的双凸极结构和磁路的严重非线性以及绕组电压和电流的非正弦性，传统电机学的一些理论和分析方法已不在适用于开关磁阻电动机。开关磁阻电机主要应用于调速系统即（SRD），国内外都在研究如何可以使SRD系统达到最优。SRD系统主要由四部分组成[5、7]：SRM电机本体、功率变换器、控制器及位置和电流检测器。如下图所示:图5SRD系统SRM是SRD中实现机电能量转换的部件，也是SRD有别于其他电动机驱动系统的主要标志。它遵循磁通总是要沿着磁导最大的路径闭合的原理，由磁拉力作用产生具有磁阻性质的电磁转矩。采用双凸极结构就是要使转子旋转时磁路的磁阻要尽可能大地变化。功率变换器向SRM提供运转所需的能量，由蓄电池或交流电整流后得到的直流电供电。由于SRM绕组电流是单向的，使得其功率变换器主电路非常简单。其结构形式与SR电动机的相数、绕组形式有关。功率变换器的结构和开关器件的选择直接影响到SRD系统的性能和成本。功率变换器是开关磁阻电动机运行时所需能量的供给者，是连接电源和电动机绕组的功率开关部件。控制器是系统的中枢，综合处理速度指令、速度反馈信号及电流传感器、位置传感器的反馈信息，控制功率变换器中主开关器件的工作状态，实现对SRM运行状态的控制。其性能好坏直接影响到电机的运行性能。检测单元由位置检测和电流检测环节组成，提供转子的位置信息，从而确定各相绕组的开通和关断，提供电流信息来完成电流跟踪控制或采取相应的保护措施以防止过电流。4.2SRM存在的问题及热点SRM运行状态需要设计在饱和区，以使其具有最大的功率密度。由此导致SRM的磁链和转矩均为相电流和转子位移角的强非线性函数，给SRM的数学模型的精确建立带来了很大的困难。而SRM模型的精确建立直接影响到电机的分析、设计和评估。国内外对此提出了多种数学模型，其数学模型包括电磁方程和机械方程。开关磁阻电机模型建立的方法