【文章內容簡介】 國 SR 電機的理論研究和實際應用都存在較大的不足和差距。 近 20年來， SR電機的研究在國內外取得了很大的發(fā)展，但作為一種新型調速驅動系統(tǒng)，研究的歷史還較短，其技術涉及到電機學、微電子、電力電子、控制理論等眾多學科領域，加之其復雜的非線形特性，導致研究的困難性，在電機理論、性能分析和設計等方面都還不夠成熟、完善，存在大量的工作要做，如鐵心損耗、轉矩波動和噪聲的理論研究， SR 電機磁場的三維有限元分析，電機設計優(yōu)化及控制參數(shù)的優(yōu)化， SR 電機的測試，無位置傳感器的 SR 電機，新結構 SR 電機 的開發(fā)等。在應用方面， SR 電機作為一種新型調速系統(tǒng)，兼有直流調速和交流調速的優(yōu)點，無疑有廣闊的市場前景。但是 PWM異步電動機和無刷直流電動機等經過了多年的開發(fā)推廣，目前以領先一步，有了極廣泛的應用， SR電機要進入調速市場并占據(jù)較大的份額，尚需花大力氣宣傳和開發(fā)它的工業(yè)應用。目前 SRD LTD 已研制了幾十瓦到幾十千瓦的 SR 電機，并成功地用于車輛牽引、風機、泵及卷揚機等工業(yè)生產領域。美國還將 SR電機用作飛機發(fā)動機的起動發(fā)電裝置。就我國國情來說，要使 SR 電機被人們普遍采用還需要廣大的科研人員和研制單位做大量的推廣 工作。一方面要加強通用功率等級的應用，同時可從 以下的小功率應用和各種特殊用途領域進入市場。在 100～ 700W 范圍， SR電機單位體積輸出功率高出異步電動機或直流換向器電動機的 2～ 4 倍，應充分利用國產功率半導體器件價格低、電機結構簡單、成本低和在寬廣的速度范圍內實現(xiàn)高效率運行的優(yōu)勢。開發(fā)具有廣泛用戶的家用電器市場。 SR 電機全面進入市場是必然的，只是時間問題。 開關磁阻電機調速系統(tǒng)的組成和工作原理 開關磁阻電機調速系統(tǒng)，從功能上來看，由開關磁阻電機、轉子位移傳感器、功率變換器和控制器四部分 組成。如圖所示： 給定速度 圖 11 SRD 基本構成 開關磁阻電機 （ SRM） SR 電機是 SRD 的執(zhí)行元件，圖示為四相 8/6 極開關磁阻電機的電機結構原理圖，電機為了增加出力設計成定、轉子雙凸極結構。轉子僅由硅鋼片疊壓而成，既無繞組也無永磁體；定子各極上有集中繞組，徑向相對極的繞組串聯(lián)，構成一相。其工作原理遵循“磁阻最小原理” —— 磁阻總是要沿磁阻最小的路徑閉合，因此磁場扭曲而產生磁阻性質的電磁轉矩。 圖 12 SR 電機可以設計成單相、兩相、三相、 四相及多相等不同相數(shù)結構，且有每極單齒結構和每極多齒結構，軸向氣隙、徑向氣隙和軸向 徑向混合結構，內轉子和外轉子結構。低于三相的 SR 電機一般沒有自起動能力。相數(shù)多，有利于減小轉矩波動，但導致結構復雜、主開關器件多、成本增多。目前應用較多的是三相 6/4 極結構和四相 8/6 極結構。下表為常見的 SR 電機定、轉子極數(shù)組合方案。 控制器 功率變換器 SR 電機 負載 電流檢測 位置檢測 表 12 相數(shù) 1 2 3 4 5 6 定子極數(shù) 2 4 6 6 10 12 轉子極數(shù) 2 6 4 8 8 10 當 A相繞組單獨通電時，在電動機內建立以為軸線的磁場，該磁場作用于 轉子，將產生使鄰近的轉子極與之相重合的電磁轉矩，并使轉子轉動。若在上述兩者重合時 B相繞組通電，則由于定子極距為 60186。，而轉子極距為 90186。，由此產生的轉矩將使轉子逆時針動 30186。同理，再改為 C 相通電時，轉子繼續(xù)逆時針轉動 30186。由此可知，若三相繞組輪流通電，即 ABC—— A?，則轉子連續(xù)逆時針轉動。若改變通電相序為 A——C—— B—— A?，則可使轉子順時針轉動。若改變相電流的大小，則可改變電動機轉矩的大小，進而可以改變電動機轉速。若在轉子極轉離定子極時通電，所產生的電磁轉矩與轉子旋轉方向相反，為制動轉 矩。由此可知，通過簡單地改變控制方式便可改變電動機的轉向、轉矩、轉速和工作用。 功率變換器 功率變換器是 SR 電機運行時所需能量的提供者。當采用交流電源供電時，功率電路包括整流電路和逆變電路；當采用直流電源供電時，功率電路僅包括逆變電路。如圖所示。整流電路的作用是將交流電源轉換為直流電源，電路比較簡單，為二極管組成的三相橋式電路、三相零式電路或單相橋式電路等。整流后的直流環(huán)節(jié)采用電解電容濾波。下圖給出三種常用的逆變電路，即雙電源電路、雙開關電路和雙繞組電路。圖中只給出一相繞組電路，當開關元件 S閉合時，電路 將電源能量提供給電動機，電流通入繞組。當開關元件斷開時，繞組電流通過二極管續(xù)流，將繞組磁儲能回饋給電源。其中雙繞組依靠與主繞組緊耦合的輔助繞組續(xù)流。在續(xù)流過程中，繞組承受反向電源電壓，使電流迅速衰減。 交流電源 直流電源 整流電路 逆變電路 電動機 逆變電路 電動機 圖 13 三種逆變電路示意圖 位置檢測傳感器 由磁阻式電動機的工作方式可知，為使其正常工作，必須在轉子轉到適當?shù)奈恢脮r導通適當?shù)南嗬@組，并在轉動過程中始終正確切換各相繞組。若不能做到這一點，非但電動機不 能按要求轉動，還會發(fā)生停轉、反轉或亂轉現(xiàn)象。為了在電動機運行過程中隨時知道轉子的瞬時位置，電動機必須裝置角位移傳感器，這是開關磁阻電動機與其他一般電動機的明顯區(qū)別。這里要求角位移傳感器具有輸出信號較大、抗干擾能力強、位移精度高、溫度范圍寬、環(huán)境適應能力強、耐振動、壽命長和安裝定位方便的特點。可適用的角位移傳感器的種類很多，如霍爾傳感器、光電式傳感器、接近開關式傳感器、諧振式傳感器和高頻耦合式傳感器等。 控制器 控制器綜合處理位置檢測器、電流檢測器提供的電機轉子位置、速度和電流等反饋信號及外部輸 入的命令，實現(xiàn)對 SR 電機運行狀態(tài)的控制，是 SRD 的指揮中樞?？刂破饕话阌蓡纹瑱C及外圍接口電路等組成。在 SRD 中，要求控制器具有以下性能： （ 1） 電流斬波控制（ CCC 控制）； （ 2） 角度位置控制（ APC 控制）； （ 3） 起動、制動、停車及四象限運行； （ 4） 速度調節(jié)。 開關磁阻電機調速系統(tǒng)的整體工作過程如下：控制電路接受起動命令信號，在檢測系統(tǒng)狀態(tài)一切正常的情況下，根據(jù)角位移傳感器提供的電動機轉子位置信號，按起動邏輯給出相應的輸出信號。該信號控制功率電路向電動機繞組供電，使電動機轉子開始轉動。當轉子轉過一定角度時，控制電路根據(jù)角位移傳 感器信號的變化通過功率變換電路使電動機通電相改變。當電動機轉速達一定值時，控制電路從起動邏輯轉換為低速運行邏輯，或再從低速運行邏輯轉換為高速運行邏輯。運行中，控制電路測試電動機運行中的轉速或轉矩等，并對其進行連續(xù)調節(jié)。當操作命令改變時，如停車、制動等，控制電路再次改變工作邏輯，通過功率變換電路使電動機實現(xiàn)操作要求。若運行中出現(xiàn)故障情況，如堵轉、過載等，控制電路通過功率電路采取故障停車等保護措施，并通過顯示電路報警。 由上述工作過程可以更深刻地體會到，開關磁阻電動機調速系統(tǒng)是由電動機、角位移傳感器、功率變換電 路和控制電路組成的機電系統(tǒng)一體，各部分密切結合，缺一不可。其中每一部分難以單獨使用，但幾部分組合起來便構成高性能的機電一體化產品。 系統(tǒng)的性能特點 電動機結構簡單、堅固，制造工藝簡單，成本低，轉子僅由硅鋼片疊壓而成，可工作于極高轉速；定子線圈為集中繞組，嵌放容易，端部短而牢固，工作可靠，能適用于各種惡劣、高溫甚至強振動環(huán)境。 損耗主要產生在定子，電機易于冷卻；轉子無永磁體，可允許有較高的溫升。 轉矩方向與相電流無關，從而可減少功率變換器的開關器件數(shù)，降低系統(tǒng)成本。 功率變換器不會出現(xiàn)直通故障，可靠性高。 動轉矩大，低速性能好，無異步電動機在起動時所出現(xiàn)的沖擊電流現(xiàn)象。 調速范圍寬，控制靈活，易于實現(xiàn)各種特殊要求的轉矩 速度特性。 在寬廣的轉速和功率范圍內都具有高效率。 能四象限運行，具有較強的再生制動能力。 各種突出的優(yōu)點，使 SRD 已成為交流電機驅動系統(tǒng)、直流電機驅動系統(tǒng)及無刷直流電機驅動系統(tǒng)的有力競爭者。由于 SR 電機為雙凸極結構，不可避免地存在轉矩波動，噪聲是 SR 電機存在的最主要的缺點。但是，近年來的研究表明，采用合適的設計、 SRD的噪聲完全可以做到高質量的 PWM 型異步電動機的噪聲水平。下圖為 132 號機座 第二代 Oulton SRD(曲線所示 )與逆變器供電的異步電動機（黑點所示）的噪聲情況。 圖 13 第２章 SRM SRM 的結構和分類 開關磁阻電動機有許多不同的結構形式，各有其不同的性能特點。如上所述，該電機的定、轉子鐵心均由硅鋼片疊成。定、轉子沖片上均有齒槽，構成雙凸極結構。依定、轉子片上齒槽的多少，形成不同極數(shù)的電機。為避免單邊磁拉力，徑向必須對稱，故定、轉子極數(shù)應為偶數(shù)。除單相外，應使定子極（齒槽）數(shù) ZS 與轉子極（齒槽）數(shù) ZR不相等，但為提高電機 出力，要盡量接近。 對內轉子電機，最常用的關系為 ZS=ZR+2 （ 21） 對外轉子電機，最常用的關系為 ZS=ZR2 （ 22） 每個定子極上套一個集中繞組。同樣為避免單邊磁拉力，圓周上相對的兩個極上的線圈應屬于同一相繞組。若每相繞組由 P 個極上的線圈相互串聯(lián)（或并聯(lián)）構成，則電動機的相數(shù)為 M=ZS/P （內轉子） （ 23） M=ZR/P （外轉子） 通 常 P 取 2，即每相繞組由圓周相對兩個極上的線圈構成。 P 取 4 的也較常用。選擇電動機的極數(shù)及相數(shù)與電機性能和經濟性密切相關，一般地說，極數(shù)和相數(shù)增多，電動機轉矩脈動減小，運行平穩(wěn)，但增加了電動機的復雜性，特別是功率電路的成本提高。 單相開關磁阻電動機 開發(fā)比較成功的一種單相開關磁阻電機結構采用外轉子結構，而內定子的繞組為一環(huán)形線圈，