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开关磁阻电机的特性及在家电业的应用

开关磁阻电机的特性及在家电业的应用 2011年12月04日 来源： 摘要 开关磁阻电机是一种新型高效调速驱动系统，可广泛应用于家用电器、通用工业和电动车驱动等各个领域。本文阐述了开关磁阻电机的工作原理和特点，以及在家电行业的应用概况，并与变频调速电机作了比较。 关键词 开关磁阻电机，变频电机，家用电器，应用 1 概述 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。随着对开关磁阻电机认识的深入，其应用必将更为普遍。本文简要介绍了开关磁阻电机的工作原理和特点，以及在家电业的应用概况。 2 工作原理和特点

图1 开关磁阻电机的典型结构原理图

图1所示是开关磁阻电机的典型结构原理图，电机为双凸极结构。转子仅由叠片叠压而成，既无绕组也无永磁体；定子各极上绕有集中绕组，径向相对极的绕组串联，构成一相。其工作原理遵循“磁阻最小原理”— —磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合，因磁场扭曲而产生磁阻性质的电磁转矩。顺序给A－B－C－D相绕组通电，则转子便按逆时针方向连续转动起来。当主开关管S1、S2导通时，A相绕组从直流电源V吸收电能；而当S1、S2关断时，绕组电流通过续流二极管D1、D2，将剩余能量回馈给电源V。因此，开关磁阻电机具有再生的能力，系统效率高。对开关磁阻电机的理论研究和实践证明，该系统具有许多显著的特点： （1）电机结构简单、坚固，制造工艺简单，成本低，可工作于极高转速；定子线圈嵌放容易，端部短而牢固，工作可靠，能适用于各种恶劣、高温甚至强振动环境。 （2）损耗主要产生在定子，电机易于冷却；转子无永磁体，可允许有较高的温升。 （3）转矩方向与电流方向无关，从而可最大限度简化功率变换器，降低系统成本。（4）功率变换器不会出现直通故障，可靠性高。 （5）起动转矩大，低速性能好，无感应电动机在起动时所出现的冲击电流现象。 （6）调速范围宽，控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩－速度特性。 （7）在宽广的转速和功率范围内都具有高效率 （8）能四象限运行，具有较强的再生制动能力。 与当前广泛应用的变频调速感应电动机相比，开关磁阻电机在成本、效率、调速性能、单位体积功率、可靠性、散热性等都具有明显的优势或竞争力。图2是不同功率等级开关磁阻电机和变频调速感应电机的效率比较（功率均折算到1500r/min）。

图2 不同功率等级开关磁阻电机和变频调速感应电机的效率比较

如果说第一代开关磁阻电机（1983年研制）在小功率范围的效率比高效变频调速感应电动机低，第二代开关磁阻电机（1988年研制）的效率已全面超过了高效变频调速感应电动机。更难得的是，开关磁阻电机在宽广的速度和功率范围内都能保持较高的效率，这是变频调速感应电动机难以比拟的。感应电动机要取得与直流电机相近的调速特性需采用复杂的矢量控制系统，而开关磁阻电机通过调整开通角、关断角、电压和电流，可以得到不同负载要求的机械特性，控制简单、灵活，能容易地实现软启动和四象限运行，而且由于这是一种纯逻辑的控制方式，很容易智能化，通过修改软件调整电机工作特性满足不同应用要求。由于开关磁阻电机固有的转矩波动，可能导致较大的噪声和振动，事实上这种情况的发生往往与电机设计和控制的不合理相关，通过优化电机设计和控制策略，转矩波动和噪声完全可以得到有效的抑制，正确认识到这一点对开关磁阻电机的开发和应用是很重要的。SRD Ltd.公司开发的伺服应用开关磁阻电机，转矩波动仅为0.05%。图3 为132机座开关磁阻电机的声压级，及与同机座号变频感应电动机噪声的比较，在额定工作点的噪声已比变频感应电动机噪声低，且应注意到开关磁阻电机具有10kW的额定功率，而变频感应电动机只有7.5kW额定功率。近年研究的最优励磁控制策略、两次换流控制策略、电机噪声根源、定子振动模态、定子固有频率计算等成果对降低电机噪声都有积极的促进作用。随着设计和制造水平的提高，噪声必将进一步降低。

图3 132机座开关磁阻电机（10kW，1500r/min）声压级

与变频调速的另一类电机永磁无刷直流电动机相比，开关磁阻电机在成本、调速性能、可靠性和散热性等依然保持优势，但和变频感应电动机一样都存在励磁惩罚（既励磁电损耗）的问题，效率和单位体积功率稍显不足。但在一些应用场合，开关磁阻电机在效率和输出功率依然具有优势。文献5给出一种低压大转矩伺服应用两种电机的比较数据，开关磁阻电机与无刷直流电动机的输出转矩比为2.04，系统效率比2.04，转动惯量比0.422。目前永磁式开关磁阻电机也在研究，初步的测试结果表明效率和单位体积功率的不足完全可以克服。 3 在家电业的应用概况 近20年来，开关磁阻电机的应用和发展取得了明显的进步，已成功地应用于电动车驱动、通用工业、家用电器和纺织机械等各个领域，功率范围从10W到5MW，最大速度高达100000 r/min。以下简要介绍开关磁阻电机在家电行业中的应用实例。开关磁阻电机最初的应用领域就是电动车。我国摩托车从90年代初的71.9万辆起，每年以140％左右的速度增长。1995年年产达783.6百万辆，1997年年产量已超过1000万辆，是世界摩托车产量的第一大国，摩托车燃油所造成的环境污染，已到了必须采取措施的地步，其最好的对策是采用电动摩托车。我国又是一个自行车王国，随着城市范围的扩大，人力自行车显得太慢太费力，电动自行车则是一个很好的代步工具。目前电动摩托车和电动自行车的驱动电机主要有永磁无刷及永磁有刷两种，然而采用开关磁阻电机驱动有其独特的优势。图4a为美国Tridelta工业公司开发的开关磁阻电机驱动的助力车，原动力为小型汽油发动机。当高能量密度和系统效率为关键指标时，开关磁阻电机变为首选对象。图4b为美国EMB公司开发的电动摩托车，采用两相开关磁阻电机驱动。

开关磁阻电机在电动车的应用充分体现该系统许多明显的优点： （1）开关磁阻电机不仅效率高，而且在很宽的功率和转速范围内都能保持高效率，这是其它类型驱动系统难以达到的。这种特性对电动车的运行情况尤为适合，有利于提高电动车的续驶里程。 （2）开关磁阻电机很容易通过采用适当的控制策略和系统设计满足电动车四象限运行的要求，并且还能在高速运行区域保持强有力的制动能力。 （3）开关磁阻电机有很好的散热特性，从而能以小的体积取得较大的输出功率，减小电机体积和重量。 （4）通过调整开通角和关断角，开关磁阻电机完全可以达到它激直流电机驱动系统良好的控制特性，而且这是一种纯逻辑的控制方式，很容易智能化，从而能通过重新编程或替换电路元件，方便地满足不同运行特性的要求。 （5）开关磁阻电机无论电机还是功率变换器都十分坚固可靠，无需或很少需要维护，适用于各种恶劣、高温环境，具有良好的适应性。 在食品加工机械中，开关磁阻电机显现出其独特的优势： （1）体积小。 （2）不烧电机。 （3）没有或只有小的齿轮减速比。 （4）电机外形设计灵活，适应性好（“扁平”或“细长”）。 （5）安全停机。 （6）速度离散可选或连续可调。 （7）易实现特殊要求的机械特性（软件编程）。 图5为某食品加工机械用普通电机和开关磁阻电机对比，开关磁阻电机结构、体积、特性上的优势非常明显，降低了电机成本，提高了产品的可靠性。

图5某食品加工机械用普通电机和开关磁阻电机

随着人们生活水平的提高，洗衣机已逐渐深入千家万户，洗衣机也经历了手动机械洗衣机、半自动洗衣机、全自动洗衣机的发展过程，并不断智能化。洗衣机电机也由简单的有级调速电机发展为无级调速电机。开关磁阻电机由于低成本、高性能、智能化已开始应用于洗衣机，在美国高档洗衣机中已小批量采用，并取得明显的优点： （1）很低的洗涤速度。 （2）良好的衣物分布性。 （3）滚筒平衡性好。 （4）快速安全停机。 （5）软起动。 （6）电流限幅。 （7）最大速度高，低速转矩大。 （8）机械特性易调整。 （9）对水温、水流等易于智能控制。 图6为地板磨光机和所用的开关磁阻电机，新系统具有： （1）软起动，起、制动平滑。 （2）工作转速高，产生镜面磨光效果。 （3）速度保护防止危险的飞逸，保证磨光的一致性。 （4）电机无电刷和永久磁钢，降低材料成本和劳动成本，减少了产品维护，保证了产品长寿命。 （5）效率由原系统的55%提高到75%。 （6）体积小、重量轻，操作容易。（7）电机适用于各种尺寸的地板磨光机。

4 结束语 作为一种新型调速驱动系统，开关磁阻电机以其结构简单、低成本、高效率、优良的调速性能和灵活的可控性，愈来愈得到人们的认可和应用，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竞争者，随着设计和制造水平的提高，专用控制芯片和集成功率器件的开发，开关磁阻电机必将得到更为广泛应用。 参考文献 1 Lawrenson P J . Switched Reluctance Drives: A Perspective . Proc. Of ICEM’92, 12~21 2 Lovatt H C, Stephenson J M . Optimum Excitation of Switched Reluctance Motor. Proc. of IEE Eighth International Conference on Electrical Machines And Drives, UK, Sept. 1997, 356~360 3 吴建华，陈永校，王宏华．开关磁阻电机定子固有频率的计算．中国电机工程学报．1997，17(5)：326~329 4 吴建华．开关磁阻电机设计与应用．北京：机械工业出版社. 2000 5 A Representative Selection of Information on SR Drives. SRD Ltd., 1991(end)

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