开关磁阻电机的基本了解Word文档格式.docx
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首先要保证励磁相的定子凸极和最近的转子凹极中心线不重合，也即初始位移不能位于磁阻最小位置。
通以交流电后，经过一个整流桥变为直流电源，当开关S1和S2开通时，AA’相通电励磁，产生一个磁拉力。
在该电磁力的轴向分量作用下，产生电磁转矩，凸极转子铁心趋向于旋转到定转子极轴线B-B’与A-A’重合的位置；
而电磁力的径向力分量则造成定子的“变形”，这也是产生转矩脉动和电机噪声的根本原因之一。
在该过程中电机吸收电能。
关断S1和S2，开通BB’相，此时AA’相经续流二极管VD1、VD2将电能回馈给电源，同时BB’相趋向运行到定转子极轴线C-C’与B-B’重合的位置。
以此类推，顺次给A→B→C→D相循环励磁，在惯性和轴向力的作用下，转子将一直逆着励磁顺序旋转，从而完成自同步运行。
同理若改变励磁顺序为C→B→A→D，则转子沿顺时针方向转动。
由此可以看出，SRM与直流电机不同，其运行方向与相电流方向无关，而仅与相绕组通电顺序有关。
图1-2开关磁阻电机调速系统构成
初次以外，我还搜集了几种不同结构的SR电机，分别有涡轮转子两相SR电机，可控饱和两相SR电机、常规结构三相6/4级SR电机、三相6/8SR电机、三相12/10级SR电机、三相6/2级SR电机、三相12/8级SR电机、三相24/32极外转子SR电机、五项10/8级短磁SR电机、七相14/12极短磁路SR电机，具体配图见报告末尾备注。
二．SRD的物理方程与控制分析
SRM的双凸极结构及整个磁路的脉振性、高饱和、涡流、磁滞等非线性因素的存在，加上运行时的开关性，使得的SRM精确分析极为困难【41,44】。
在此问题上，适度的简化模型显示了强大的优势。
首先，基于简化模型的假设如下【28，102】：
主开关电源的直流电压（±
Us）不变；
忽略铁耗及相间互感；
忽略功率开关自身的功耗，视为理想开关器件；
认为电机各相参数完全对称；
磁场不饱和。
在此基础上，我们可以得到SRM运行的本质电磁和力学关系，写出其严密的物理方程[1,2,3,7]。
1.电路方程
（1-2）
式中，Uk：
第k相绕组端电压；
Rk、ik、k：
第k相绕组的电阻、电流和磁链。
2.磁链方程
相绕组磁链可用相电感和相电流表示，即：
（1-3）
式中，：
转子位置角。
3.机械方程
（1-4）
其中：
（1-5）
（1-6）
式中，
：
角速度；
Te：
电磁转矩；
负载转矩；
J：
转动惯量；
D：
摩擦系数。
4.机电联系方程
单相单独工作时电机产生的电磁转矩为：
（1-7）
且：
（1-8）
相绕组磁共能。
由电路方程，可求得简化模型下的相电流解析式为：
（1-9）
其中，f（
）为电机本体参数、开通范围及转子位置角的函数。
因此，可得到m相电机的平均电磁转矩为：
（1-10）
5.机械特性方程
如果开通区间和给定电压固定，则式（1-10）中积分部分为定值，由此得到SRM固有机械特性为：
（1-11）
式中，k为比例系数。
将式1-11变形可得：
（1-12）
由此可明显看出，SRM可调速参数较多，分别为：
相绕组电压Us、开通角
和关断角
。
根据调节参数的不同，可将SRD常见调速方式分为三种[1,53,58,59]
斩波控制方式（CurrentChoppingControl，简称CCC）；
角度位置控制方式（AngularPositionControl，简称APC）；
和电压控制（VoltageControl，简称VC），其中VC常采用电压PWM（PulseWidthModulation，简称PWM）方式，如图1-3所示。
三种调速方式中，CCC常用于基速以下的恒转矩区，通过电流斩波限来限制其启动电流。
APC则适用于基速以上的恒功率区，因旋转电动势较大，开关器件导通的时间较短，电流较小，可通过APC方式增大
来补偿电磁转矩。
电压PWM方式通过调节绕组电压平均值，间接调节并限制绕组电流，适用于整个调速范围。
下图1-4a）-c）分别为各调速方式的控制框图。
图1-3SRD常见调速方式应用
为使SRD工作于最佳状态，需结合不同的调速方式选择合适的控制策略。
目前较常用的有传统PI控制[17]、模糊控制【4,30】、滑模控制【33】及其组合控制【34,35】等。
由于其电机的强耦合和非线性等特性，传统控制无法满足系统高性能的要求，智能控制正逐步应用于SR电机控制领域，很多学者致力于该方面的研究，如自适应控制【27,28，31】、反馈线性化控制【59】、人工神经网络控制【43，45】等。
三．SRD的控制方式以及运行状态
开关磁阻电机在运行时，有三种物理状态：
1．起动
2．稳态运行
3．制动控制
开关磁阻电机稳态运行时,控制方式有三种,分别是电流限制CCC控制/电流PWM控制、电压PWM控制，其三种手画图分别为图a、图b、图c。
图a
图b
图c
四．SRD电机的优缺点
优点：
1.SRD有较大的电机利用系数，可以是感应电机利用系数的1.2~1.4倍
2.电机结构简单，转子上没有绕组；
定子上只有简单的集中绕组，没有相间跨接线。
3.转矩与电流极性无关，单向电流激励。
4.对转速限制小，可以制成高速电动机
5.通过对电流的通段、幅值控制，满足不同服在要求的机械特性
6.SRD系统效率和功率密度在宽广的速度和负载范围内都较高
缺点：
1.有转矩脉动
转矩由一系列脉冲转矩叠加而成，切有双凸级结构和磁路非线性，合成转矩不是恒定转矩，有一定的谐波分量
2.噪声与振动大
3.出线头多
五．SRD电机性能、应用以及研究现状与发展前景
自1842年，英国的Aberdeen和Davidson的开关磁阻电机运行理念诞生以来，经过100多年的技术准备，1967-1970年出现了世界上第一台SRM的雏形[28]与传统交直流电机相比，整体效率高10％以上；
功率因数空载时可达0.995，满载时可达0.98，结构简单、性价比高、性能可靠、调速范围宽、运行效率高、可控参数多，控制灵活方便，允许频繁起停，起停次数可达1000次/小时，转速不受负载大小变化的影响，具有很高的效率[17,18]。
因而上世纪80年代以后，开关磁阻电机得到迅速发展，日新月异【5~8,10~11】。
目前国内外已有许多公司分别推出了其商品化的开关磁阻电机产品，代表性产品如下表1-1所示【28,36,60,73,87,88】。
表1-1SRD代表性产品或样机
Table1-1RepresentativeProductsoftheSRD
研制单位
相关产品
技术参数
优势优点
美国GE
高速SRD样机
90kw，105r/min
有效材料仅10kg，5MW，1*106N.m
中国
SRM采煤机，牵引电机
100kw，180kw
防爆，适用于恶劣工作环境，可频繁起制动
南京航空航天大学
1kW，1.5kW，105r/min
可超高速运行，工作转速可达130,000r/min；
英国SRDLtd.
第二代SRD通用产品
100w~100Kw50~5000r/min
效率比第一代OULTON电机高2%以上
英国ALLENWEST
SRD产品通用系列
7.5~22KW
功率范围大
英国BJD公司
密闭水冷式SRD
35KW
防爆，耐高温
意SICMEMOTOR和英国SRDLtd.
XMC、XMP、XME3系列SRD
80~180m，4Kw~140Kw，3000rpm，
转速的60~140%范围内的效率都高于90%，即使在20%额定转速的低速下，其效率仍可达40%.
英国Nottingham
开关磁阻风力发电机
可变速风力发电机
加拿大semifusion
开关磁阻伺服系统
双轴、四象限，调速平稳
中国于1984年跟踪英国的研究成果，在借鉴国外经验的基础上，开关磁阻电机的研究进展很快【13,14】。
目前华中科技大学在“九五”项目中研制出了SRD电动车，“十五”项目中将SRD应用到混合动力城市公交车，南京调速电机厂已与与北京纺织机械研究所合作研制成功3kW的SRM。
近年来，我国已研制了50W-50KW、20多个规格的工业产品样机，应用于刨床、煤矿牵引、纺织、冶金、机械、运输、电动车驱动、航空、和家用电器等领域【5~8,10~11】。
现已开始新型SRM电机的研究【101】如DSPM电机、电励磁双凸极发电机、磁浮开关磁阻电机【22】、无轴承开关磁阻电机【93】等，并取得了一定研究成果。
在SR电机的理论研究上，主要集中于控制、仿真、设计理论和电磁数值分析等方面，代表单位有南京航空航天大学、华中科技大学，华中理工大学、华南理工大学、东南大学、西安交通大学、浙江大学、清华大学、中国矿业大学、北京纺织机械研究所，上海电科院、西安微电机研究所等[39,42,47,52,57]。
作为一新型电机调速系统，SRD涵盖了电力电子、电机、微机、控制工程、控制机械等知识领域。
目前SRD还存在转矩波动大、噪声大、需要位置检测器、系统非线性等缺点【55,56】，在理论和应用上仍需进行深入研究，主要有以下方面：
SRM仿真模型的建立【52】；
SRD现代控制理论及控制参数优化研究【29,41,81,102,106】；
转矩脉动及振动噪声问题研究【15,50,69,82】；
实用无位置传感器方案的研究【65,66,97】；
新型电机结构的研究【85,86】；
电机优化设计【37,67,68,107】；
电机铁耗、效率分析【70,71,96】；
SRD中电机、功率变换器及控制器三者之间的总体优化设计等【72,99】。
由此可见开关磁阻电机的发展前景还是十分广阔的。
备注：
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