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1.前言
开关磁阻电机SRM（SwitchedReluctanceMotor）技术从80年代以来取得了迅猛的发展。
作为发电机，因为SRM结构简单、坚固、工作可靠的特点也得到越来越多的关注。
S/G不仅为发动机提供启动转矩，也是航空器的主要发电电源。
随着航空器电动执行机构的普及，其电负载也越来越大。
这样就对发电机组的容量、体积、重量、可靠性等方面提出了越来越高的要求。
SRM有几个特性决定了采用它作为航空器的S/G具有竞争力：
SRM不采用永磁材料，可直接安装在发动机的轴上；
SRM没有极易产生故障的转子绕组，大大降低了维护难度和成本；
热损耗大部分在定子上，易于冷却；
在宽广的转速范围内能维持一定的功率输出等。
2.开关磁阻发电机系统的组成及结构
开关磁阻发电机系统（SRG），从功能上来看，由开关磁阻电机（SR或SRM）、功率变换器、控制器和检测器四部分组成，系统主体——开关磁阻电动机（SRM）采用双凸极结构，转子上既没有绕组，也没有永磁体，是由硅钢片叠压而成，定子上为集中绕组。
该系统的主要优点是:
电机结构简单、坚固，工作可靠，成本低，无须维护，系统控制灵活，调速性能好，运行效率高，转矩/惯量比高，动态性能好，可实现各种特殊要求的转矩—转速特性，并可广泛应用于恶劣环境和要求超高速（转速为每分钟中上万转）的场合，目前广泛应用在纺织、造纸、交通、煤矿、航空、机械等领域。
如图1.1所示。
3.开关磁阻电机的工作原理
开关磁阻电机的转矩是磁阻性质，其运行原理遵循“磁阻最小原理”——磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合，因磁场扭曲而产生切向磁拉力，如图2.1所示，具体过程如下：
开关磁阻电动机的转矩是磁阻性质的，其运动原理遵循“磁阻最小原理”——磁通总是要沿着磁阻最小的路径闭合，因磁场扭曲而产生切向磁拉力，如图2-1所示，具体过程如下:
图1.1SRG基本结构
当A相绕组电流控制开关S1,S2:
闭合时，A相励磁，所产生的磁场力图使转子旋转到转子极轴线aa’与定子极轴线AA'
的重合位置，从而产生磁阻性质的电磁转矩.顺序给A-B-C-D相绕组通电（B,C,D各相绕组在图中未画出），则转子便按逆时针方向连续旋转起来;
反之，依次给B-A-D-C相绕组通电，则转子会沿着顺时针方向转动。
由于是磁阻性质的电磁转矩，SR电机的转向与相绕组的电流无关，仅取决于相绕组通电的顺序，这使得能够充分简化功率变换电路。
当主开关S1,S2接通时，A相绕组从直流电源Us吸收电能，而当S1、S2断开时，绕组通过续流二极管VD1、VD2，将剩余能量回馈给电源Us。
因此，SR电机具有能量回馈的特点，系统效率高。
磁路饱和非线性是SR电机的一个重要特征，因此电磁转矩必须根据磁储能或磁共能来计算
即：
（2—1）
θ—转子位移角
—磁共能
i-相绕组电流
图2.1相电感，转矩随转矩角位移的变化
可见，磁共能的变化取决于转子位移角和绕组相电流的瞬时值。
由于磁路非线性的存在，求解相当复杂。
在对SR电机做定性分析时，可以忽略它的非线性，简化为：
（2—2）
式中：
L为任意转子位置角下的相电感。
图2.1为理想线性假设下相电感随转子位置角的变化规律曲线，电机每旋转一圈，相电感变化的周期数正比于转子的极对数，周期长度等于转子极矩。
由式（2-2）可知，恒定相绕组电流下，对应的转矩变化如图2.2所示。
式（2-2）和图2.2充分表明，转矩的方向与电流的方向关，仅取决于电感随转角的变化情况。
如在电感上升期间[θ0θ1],相绕组通以电流，则产生正转矩，处于电动状态;
如在电感下降期间[θ1θ2]小相绕组通以电流，则产生负转矩，处于发电机状态。
因此通过控制相绕组电流导通的时刻、相电流脉冲的幅值和宽度，即可拧制SR电机转矩的大小和方向，实现SR电机的调速控制。
SR电机运行特性可分为三个区域:
恒转矩区、恒功率区、自然特性区（串励特性区），如图2.2所示。
在恒转矩区，山于电机转速较低，电机反电动势小，因此需对电流进行斩波限幅，称为电流斩波控制（CCC）方式，也可以采用调节相绕组外加电压有效值的电压PWM控制方式;
在恒功率区，通过调节主开关管的开通角和关断角取得恒功率特性，称为角度位置控制（APC）方式;
在自然特性区，电源电压、开通角和关断角均固定，由于自然特性与串励直流电机的特性相似，故亦称为串励特性区。
转速Wb、Wr为各特性交接的临界转速，Wb成为第一临界转速，对应功率即为额定功率;
Wr称为第二临界转速，是能得到额定功率的最高转速，恒功率特性的下界，可控条件都达到了极限，当转速再增加时，输出功率将下降。
图2.2SR电机的运行特性
如图2.1所示，与电动运行时不同，绕组在转子转离“极对极”位置（即电感下降区）时通电，产生的磁阻性电磁转矩趋使电机回到“极对极”位置，但原动机驱动转子克服电磁转矩继续逆时针旋转。
此时电磁转矩与转子运动方向相反，阻碍转子运动，是阻转转矩性质。
当转子转到下一相的“极对极”位置时，控制器根据新的位置信息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，则下一相绕组会在转子转离“极对极”位置通电。
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，就可产生连续的阻转转矩，在原动机的拖动下发电。
4.开关磁阻电机的性能及特点
（1）机结构简单、成本低、适用于高速
开关磁阻电机的结构比通常认为最简单的笼型异步电动机还要简单。
其突出的优点是转子上没有任何形式的绕组，因此不会有笼型异步电动机制造过程中笼条铸造不良等问题。
其转子机械强度极高，可以用于超高速运转（如每分钟上万转）。
在定子方面，它只有几个集中绕组，因此制造简便，绝缘结构简单。
（2）率电路简单可靠
因为电动机转矩方向与绕组电流方向无关，即只需单方向绕组电流，故功率电路可以做到每相一个功率开关。
对比异步电动机绕组需流过双向电流，向其供电的PWM变频器中功率电路每相需要两个功率器件。
因此开关磁阻电动机调速系统较PWM变频器功率电路中所需的功率器件少，电路结构简单。
另外，
变频器功率电路中每桥臂两个功率开关直接跨在直流电源侧，易发生直通短路烧毁功率器件。
而开关磁阻电动机调速系统中每个功率开关器件均直接与电动机绕组相串联，根本上，避开了直通短路现象。
因此开关磁阻电动机调速系统中功率电路的保护电路可以简化，既降低了成本，又具有高的工作可靠性。
（3）系统可靠性高
从电动机的电磁结构上看，各相绕组和磁路相互独立，各自在一定轴角范围内产生电磁转矩。
而不象在一般电动机中必须在各相绕组和磁路共同作用下产生一个圆形旋转磁场，电动机才能正常运转。
从控制器结构上看，各相电路各自给一相绕组或控制器一相电路发生故障时，只须停止该相工作，电动机除总输出功率能力有所减小外，并无其他妨碍。
由此本系统可构成可靠性极高的系统，可以适用于宇航等特殊场合。
（4）效率高，损耗小
本系统是一种非常高效的调速系统。
这是因为一方面电动机转子不存在绕组铜耗，另一方面电动机可控参数多，灵活方便，易于在宽转速范围和不同负载下实现高效优化控制。
本系统同PWM变频器带笼型异步电动机的系统进行比较。
由表所示，本系统在不同转速下和不同负载下的效率均比变频器系统高，一般要高5个百分点左右。
（5）控制开关磁阻电动机的主要运行参数和常用的方法至少有四种：
a.开通角
b.关断角
c.相电流幅值
d.相绕组电压
可控参数多，意味着控制方法灵活方便。
可以根据对电动机的运行要求和电动机的情况，采用不同控制方法和参数值，即可使之运行于最佳状态（如出力最大、效率最高等），还可使之实现各种不同的功能和特定的特性曲线。
如使电动机具有完全相同的四象限运行（即正转、反转、电动、制动）能力，并具有高起动转矩和串励电动机的负载能力曲线。
（6）系统的主要缺点
a.有转矩波动从工作原理可知，SR电机转子上产生的转矩是由一系列脉
冲转矩叠加而成的，且由于双凸极结构和磁路饱和非线形的影响，合成转矩不是一个恒定转矩，而有一定的谐波分量。
这影响了SR电机低速运行性能。
b.SR电机传动系统的噪声与振动比一般电动机大。
c.SR电机的出线头较多，例如三相SR电动机至少有四根出线头，四相SR电动机至少有五根出线头,还有位置检测器出线端。
参考文献
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[16]]W.Schuisky:
BerechnungelektrischerMaschinenViennaSpringer-Verlag1960
２．开题报告：
一、课题的目的与意义；
二、课题发展现状和前景展望；
三、课题主要内容和要求；
四、研究方法、步骤和措施
开题报告
1.课题名称
开关磁阻发电机优化设计的研究
2.课题的目的与意义
根据提出的产品规格（如功率、电压、转速等）、技术要求（如效率、参数、温升限度、机械可靠性要求等），结合技术经济方面国家的方针政策和生产实际情况，运用有关的理论和计算方法，正确处理设计时遇到的各种矛盾，从而设计出性能好、体积小、结构简单、运行可靠、制造和使用维修方便的先进产品。
电机设计是个复杂的过程，需要考虑的因素和确定的尺寸、数据很多，这就难免会遇到错综复杂的矛盾。
因此设计人员必须全面地、综合地看问题，并能因时因地制宜，针对具体情况采取不同的解决方法。
例如电机的各项性能之间以及技术指标和经济指标之间，经常存在矛盾。
当采取措施改善某个性能时，常会使其他一些性能变差，因此必须全面照顾。
2.开关磁阻电机发展历史和趋势
开关磁阻电机（Switchedreluctancemotor）的早期形式在一百多年以前就已经出现，当时，人民利用顺序通电的两个U形电磁铁带动镶嵌有铁条的木制转鼓，并将其尝试性的用在机车驱动中。
但是，由于当时科学技术科学技术水平的限制，根本无法解决SRM在设计控制等方面的一系列关键问题，这一科学的发现在当时并没有引起足够的重视，这一种状况一直持续到二十世纪中叶，二十世纪60年代，人们开始在电力电子、计算机、微电子等领域取得了一个有一个的成就，为SRM重新提上研究日程奠定了基础。
开关磁阻电机是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有力的竞争者，引起各国学者和企业界的广泛关注。
跨国电机公司Emerson电气公司还将开关磁阻电机视为其下世纪调速驱动系统的新的技术、经济增长点。
目前，开关磁阻电机已广泛或开始应用于工业、航空业和家用电器等各个领域。
开关磁阻电机（SRM）一词源于美国学者S.A.Nasar1969年所撰论文，它描述了这种电机的两个基本特征：
（1）开关性----电机必须工作在一种连续的开关模式，这是为什么在各种新型功率半导体器件可以获得后这种电机才得以发展的主要原因；
（2）磁阻性----它是真正的磁阻电机，定、转子具有可变磁阻回路，更确切地说，是一种双凸极电机。
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（SwitchedReluctanceMotor,SRM）雏形，这是关于开关磁阻电机最早的研究。
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。
到了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。
从1984年开始，我国许多单位先后开展了SR电机的研究工作，如北京纺织机械研究所（即中国纺织总会纺织机电研究所）、华中科技大学、南京航空航天大学、东南大学、福州大学、华南理工大学及浙江大学等，且SR电机被列入中小型电机“七五”科研规划项目。
在借鉴国外经验的基础上，我国SR电机的研究进展很快，对SR电机的控制、仿真、设计理论和电磁场数值分析等都做了许多工作，在国际、国内刊物和会议上发表了许多篇论文。
1988年11月在南京航空航天大学召开了首届SRD研讨会。
1991年9月，在华南理工大学召开了第二届SRD研讨会。
参加人员来自全国高校、研究所和工厂等25家单位，大会上成果交流表明，我国SRD的理论研究和应用已经取得了较大的进展，参加研制的单位有了显著的增加。
1993年12月北京开关磁阻电机调速系统工业应用研讨会上，在中国电工技术学会中小型电机专业委员会领导下，正式成立了开关磁阻电机学组。
10多年来，我国已研制了50W～30KW、20多个规格的工业成品样机，在纺织机械、毛巾印花机、泽尔浆纱机、多功能蒸煮联合机以及轻型龙门刨床和食品加工机械等方面的应用中取得了良好的效果。
但应该看到，目前我国SR电机的理论研究和实际应用都存在较大的不足和差距。
1988年在南京召开的第一届开关磁阻电机研讨会和1991年在武汉召开的第二届研讨会上，均发表了不少专业论文，但数量、质量均不高。
1992年，在中国电工技术学会中小型电机专业委员会领导下成立了开关磁阻电机学组，以更好地推动开关磁阻电机研究工作的进展。
自此，开关磁阻电机的研究工作从最初摸索合理的设计方法转向如何加速优化设计发展，在绕组互感对运行的影响、转矩脉振、最佳电流波形、振动与噪声、发热及铁耗计算等方面提出了许多有益的见解和尝试；
在控制方面，核心控制元件正由Intel公司的MCS-96或Motorola公司的M68000系列单片机逐步取代MCS-51，用以提高控制系统的响应速度，降低成本，实现更为复杂的控制策略。
近20年来，SR电机的研究在国内外取得了很大的发展，但作为一种新型调速驱动系统，研究的历史还较短，其技术涉及到电机学、微电子、电力电子、控制理论等众多学科领域，加之其复杂的非线形特性，导致研究的困难性，在电机理论、性能分析和设计等方面都还不够成熟、完善，存在大量的工作要做，如铁心损耗、转矩波动和噪声的理论研究，SR电机磁场的三维有限元分析，电机设计优化及控制参数的优化，SR电机的测试，无位置传感器的SR电机，新结构SR电机的开发等。
在应用方面，SR电机作为一种新型调速系统，兼有直流调速和交流调速的优点，无疑有广阔的市场前景。
但是PWM异步电动机和无刷直流电动机等经过了多年的开发推广，目前以领先一步，有了极广泛的应用，SR电机要进入调速市场并占据较大的份额，尚需花大力气宣传和开发它的工业应用。
目前SRDLTD已研制了几十瓦到几十千瓦的SR电机，并成功地用于车辆牵引、风机、泵及卷扬机等工业生产领域。
美国还将SR电机用作飞机发动机的起动发电装置。
就我国国情来说，要使SR电机被人们普遍采用还需要广大的科研人员和研制单位做大量的推广工作。
一方面要加强通用功率等级的应用，同时可从0.75KW以下的小功率应用和各种特殊用途领域进入市场。
在100～700W范围，SR电机单位体积输出功率高出异步电动机或直流换向器电动机的2～4倍，应充分利用国产功率半导体器件价格低、电机结构简单、成本低和在宽广的速度范围内实现高效率运行的优势。
开发具有广泛用户的家用电器市场。
SR电机全面进入市场是必然的，只是时间问题。
3.主要内容和要求
本毕业设计主要完成以下内容：
a.开关磁阻发电机电磁设计方案；
b.开关磁阻发电机系统的研究；
c.电机主要零部件图的绘制；
d.说明书编制。
基本技术要求：
a.电源电压（交流）U=270V
b.额定功率
c.额定转速
d.相数
e.极数6/4
f.效率
=0.88
4.开关磁阻电机的研究方向
由于开关磁阻电动机的发展历史短，涉及面广，在理论和应用上仍存在诸多值得研究探讨的课题。
与其它传统电机相比，这种双凸极结构的磁阻电机的电磁设计是比较特殊的。
由于电机磁场分布的高度非线性，计算非常复杂；
同时由于开关电路供电的非线性，电流波形规律特殊，只有将电机、变换器及控制模式一体化设计，协调优化电机、电路结构及控制参数等才能获得较为满意的设计结果。
因此计算机辅助优化设计技术是最基本的研究课题。
实践证明，经过优化设计的开关磁阻电机至少可以做到与同机座的交流电机同容量，完全可参照国家标准交流电机型谱系列设计开关磁阻电机。
（1）数学模型的研究；
（2）非线性控制理论、智能控制理论的应用；
（3）高性能SRM驱动系统的研究；
（4）电机铁耗、效率分析；
（5）无位置检测器方案的研究；
（6）振动、噪声研究。
5.开关磁阻发电机的设计
（1）相数、极数和绕组端电压
本电机为工业调速驱动应用或作发电机使用，可采用3相6/4极结构，功率变换器主电路选用每相一个主开关管的裂相式电路。
相数
定子极数
转子极数
绕组端电压
（2）主要尺寸的选择
主要尺寸可以由Y-132M-4型异步电机“类比”设计。
本算例的设计由输出方程开始。
电磁功率
（3）其它结构尺寸及绕组匝数
（4）电流及转矩计算
（5）绕组设计
毕业设计（论文）开题报告
指导教师意见：
1．对“文献综述”的评语：
2．对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：
指导教师：
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所在专业审查意见：
负责人：
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