基本介紹
- 中文名：開關磁阻電機
- 外文名：Switched ReluctanceMotor
- 類型：調速電機
- 組成部分：集中式繞組定子、凸極式轉子等
- 簡稱：SRM
結構特點,通用系列,工作原理,系統特點,優缺點,洗衣機,空調,發展展望,前景,
結構特點
開關磁阻電機是一種新型調速電機，是繼變頻調速系統、無刷直流電動機調速系統的最新一代調速系統。它的結構簡單堅固，調速範圍寬，系統可靠性高。完整系統主要有電機實體、功率變換器、控制器與位置檢測器等部分組成。控制器內包含功率變換器和控制電路，而轉子位置檢測器則安裝在電機的一端。
現如今，開關磁阻電機的套用和發展取得了明顯的進步，已成功地套用於電動車驅動、通用工業、家用電器和紡織機械等各個領域，功率範圍從10W到5MW（缺少可靠信息），最大速度高達100,000 r/min。
通用系列
開關磁阻電動機調速系統主要由開關磁阻電動機（SRM）、功率變換器、控制器、轉子位置檢測器四大部分組成，系統框圖如圖1。控制器內包含控制電路與功率變換器，而轉子位置檢測器則安裝在電機的一端，電動機與國產Y系列感應電動機同功率同機座號同外形。
圖1 SRM系統框圖
工作原理
開關磁阻電動機調速系統所用的開關磁阻電動機（SRM）是SRD中實現機電能量轉換的部件，也是SRD有別於其他電動機驅動系統的主要標誌。SRM系雙凸極可變磁阻電動機，其定、轉子的凸極均由普通矽鋼片疊壓而成。轉子既無繞組也無永磁體，定子極上繞有集中繞組，徑向相對的兩個繞組聯接起來，稱為“一相”，SR電動機可以設計成多種不同相數結構，且定、轉子的極數有多種不同的搭配。相數多、步距角小，有利於減少轉矩脈動，但結構複雜，且主開關器件多，成本高，現今套用較多的是四相（8/6）結構和六相（12/8）結構。
圖2示出四相（8/6）結構SR電動機原理圖。為簡單計，圖中只畫出A相繞組及其供電電路。SR電動機的運行原理遵循“磁阻最小原理”— ‘磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合，而具有一定形狀的鐵心在移動到最小磁阻位置時，必使自己的主軸線與磁場的軸線重合。圖2中，當定子D-D’極勵磁時，1-1'向定子軸線D-D'重合的位置轉動，並使D相勵磁繞組的電感最大。若以圖中定、轉子所處的相對位置作為起始位置，則依次給D→A→B→C相繞組通電，轉子即會逆著勵磁順序以逆時針方向連續旋轉；反之，若依次給B→A→D→C相通電，則電動機即會沿順時針方向轉動。可見，SR電動機的轉向與相繞組的電流方向無關，而僅取決於相繞組通電的順序。另外，從圖2可以看出，當主開關器件S1、S2導通時，A相繞組從直流電源US吸收電能，而當S1、S2關斷時，繞組電流經續流二極體VD1、VD2繼續流通，並回饋給電源US。因此，SR電動機傳動的共性特點是具有再生作用，系統效率高。
圖2 四相8/6級SR電動機典型結構(只畫出一相)
四相8/6級SR電動機典型結構
系統特點
開關磁阻電動機調速系統主要特點：
結構簡單；電動機結構簡單、成本低、可用於高速運轉。SRM的結構比鼠籠式感應電動機還要簡單。其轉子機械強度極高，可以用於超高速運轉（如每分鐘上萬轉）。在定子方面，它只有幾個集中繞組，因此製造簡便、絕緣結構簡單。
電路可靠；功率電路簡單可靠。因為電動機轉矩方向與繞組電流方向無關，即只需單方相繞組電流，故功率電路可以做到每相一個功率開關。對比異步電動機繞組需流過雙向電流，向其供電的PWM變頻器功率電路每相需兩個功率器件。因此，開關磁阻電動機調速系統較PWM變頻器功率電路中所需的功率元件少，電路結構簡單。另外，PWM變頻器功率電路中每橋臂兩個功率開關管直接跨在直流電源側，易發生直通短路燒毀功率器件。而開關磁阻電動機調速系統中每個功率開關器件均直接與電動機繞組相串聯，根本上避免了直通短路現象。因此開關磁阻調速電動機調速系統中功率電路的保護電路可以簡化，即降低了成本，又有較高的可靠性。
系統可靠性高；系統可靠性高。從電動機的電磁結構上看，各項繞組和磁路相互獨立，各自在一定軸角範圍內產生電磁轉矩。而不像在一般電動機中必須在各相繞組和磁路共同作用下產生一個旋轉磁場，電動機才能正常運轉。從控制結構上看，各相電路各自給一相繞組供電，一般也是相互獨立工作。
起動優點；起動轉矩大，起動電流低。控制器輸出較少的電流，電機得到較大的起動轉矩是本系統的一大特點。典型產品的數據是：起動電流為額定電流的15%時，獲得起動轉矩為100%的額定轉矩；起動電流為額定電流的30%時，起動轉矩可達其額定轉矩的250%。而其他調速系統的起動特性與之相比，如直流電機為100%的電流，鼠籠感應電動機為300%的電流，獲得100%的轉矩。起動電流小而轉矩大的優點還可以延伸到低速運行段，因此本系統十分合適那些需要重載起動和較長時間低速重載運行的機械。
頻繁起停；適用於頻繁起停及正反向轉換運行。本系統具有的高起動轉矩、低起動電流的特點，使之在起動過程中電流衝擊小，電動機發熱較連續額定運行時要小。適用於頻繁起停及正反向轉換運行。
性能好；調速性能好。控制開關磁阻電動機的主要運行參數和常用方法至少有四種：相導通角、相關斷角、相電流幅值、相繞組電壓，靈活方便。可以根據對電動機的運行要求和電動機的情況，採取不同控制方法和參數值，即可使之運行於最佳狀態（如出力最大、效率最高等），還可使之實現各種不同的功能的特定曲線。如使電動機具有完全相同的四象限運行能力，並具有最高起動轉矩和串勵電動機的負載能力曲線。可以用於速度閉環控制，可以很方便的構成無靜差調速系統。
效率高；開關磁阻電機系統是一種高效的調速系統。以3kW SRM系統為例，其系統效率在很寬範圍內可以達到87%。
優缺點
開關磁阻電動機傳動系統主要優點如下：
1、電動機的結構簡單，轉子上沒有任何形式的繞組；定子上只有簡單的集中繞組，端部較短，沒有相間跨接線。因此，具有製造工序少、成本低、工作可靠、維修量小等特點。
2、開關磁阻電動機的轉矩與電流極性無關，只需要單向的電流激勵，理論上功率變換電路中每相可以只用一個開關元件，且與電動機繞組串聯，不會像PWM逆變器電源那樣，存在兩個開關元件直通的危險。所以，開關磁阻電動機驅動系統線路簡單，可靠性高，成本低於交流調速系統。
開關磁阻電動機驅動系統SRM系統的主要缺點是：
1、轉矩脈動大與噪聲、震動大：從工作原理可知，開關磁阻電動機轉子上產生的轉矩是由一些列脈衝轉矩疊加而成的，這影響了SRM性能。
洗衣機
現今，世界上使用面廣、為廣大用戶所接受的洗衣機主要有兩大類：一類是波輪式全自動洗衣機；另一類是滾筒式全自動洗衣機。
這兩類洗衣機對電動機有著共同的性能要求：洗滌時要電動機低轉速轉動，且能頻繁地正反轉；脫水時要電機能高速旋轉。
長期以來，這兩類洗衣機基本上都採用了一種變極雙速單相感應電動機而勉強達到使用要求，但缺點是很明顯的：
● 調速性能差，在洗滌時只有一種轉速難以適應各種織物對洗滌轉速的要求，而所謂的“強洗”、“弱洗”、“輕柔洗”等洗滌程式的變化僅僅是靠改變正反轉的持續時間而已。而且為了照顧洗滌時對轉速的要求，往往使得脫水時的轉速偏低，一般僅為400轉/分鐘至600轉/分鐘。
如果用開關磁阻調速電動機來取代單相變極雙速感應電動機則可以取得十分滿意的效果。
空調
空調、電冰櫃的核心部件是壓縮機，可是如今進入千家萬戶的普通空調、電冰櫃的壓縮機大都是由單相異步電動機來驅動的。它的缺點表現為：一、由於他們採用簡單的通斷式來進行控溫，這樣將帶來許多毛病，如系統效率低、功率因素低、溫度起伏大、因起動電流大而對電網產生衝擊等。二、如今出現了“變頻空調”新產品，它採用異步電動機變頻調速系統來取代單相異步電動機。相比較而言，變頻空調具有製冷速度快、環境舒適度好、對電網無衝擊、運行噪聲小、效率高和節能等一系列優點，是空調升級換代的革命性措施。但變頻調速系統在運行中、低速時，機械特性通常變差，系統效率和功率因素下降明顯。而變頻空調系統壓縮機的電動機恰恰絕大多數時間在中、低轉速狀態下運行，只是剛開始時是高速運轉。因此，這給變頻空調系統的節能優越性大大的打了個折扣。
發展展望
作為一種新型調速驅動系統，開關磁阻電機以其結構簡單、低成本、高效率、優良的調速性能和靈活的可控性，愈來愈得到人們的認可和套用。已成功套用於在電動車用驅動系統、家用電器、工業套用、伺服系統、高速驅動、航空航天等眾多領域中，成為交流電機調速系統、直流電機調速系統和無刷直流電機調速系統的強有力競爭者。
美國、加拿大、埃及等國家都開展了SRD系統的研製工作。在國外的套用中，SRD一般用於牽引中，例如電瓶車和電動汽車。同時高速性能是SRD的一個特長的方向。據報導，美國為空間技術研製了一個25000r/min、90kW的高速SRD樣機。SRD系統的研究已被列入我國中、小型電機“八五”、“九五”和“十五”科研規劃項目。
華中科技大學開關磁阻電機課題組在“九五”項目中研製出使用SRD的純電動轎車，在“十五”項目中將SRD套用到混合動力城市公交車，均取得了較好的運行效果。紡織機械研究所將SRD套用於毛巾印花機、卷布機，煤礦牽引及電動車輛等，取得了顯著的經濟效益。
