【正文】 一般來說，小容量家用電器用的開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)，常做成單相或兩相徑向橫向式結(jié)構(gòu)。 功率變換器功率變換器是開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)所需能量的供給者，是連接電源和電動(dòng)機(jī)繞組的開關(guān)部件。其主要作用為:①起開關(guān)作用，控制相繞組電源的接通和斷開；②為相繞組的儲(chǔ)能提供回饋路徑SR電機(jī)功率變換器的形式與供電電壓、電動(dòng)機(jī)相數(shù)、主開關(guān)器件的種類有關(guān)。當(dāng)上臂Sa合上時(shí)，繞組A從上半部電容吸收電能；當(dāng)Sa斷開時(shí)，則VDa導(dǎo)通；繞組A的剩余能量回饋給下半部電容。這種采用分裂式直流電源供電的功率變換器適用于偶數(shù)相的SR電機(jī)，可以保證電源兩側(cè)的負(fù)載相等而使上、下臂的各相工作電壓對(duì)稱。 4相SR電機(jī)所用的分裂式直流電源功率變換器目前，SRD常用的功變換器主電路有許多種。斬波時(shí)可以同時(shí)關(guān)斷兩個(gè)主開關(guān)，也可只關(guān)斷一個(gè)。(通常采用雙股并繞)。V承受的最大工作電壓為2U，考慮到過電壓因素的影響，V的反向阻斷電壓定額通常取4Uo可以看出。其缺點(diǎn)是電機(jī)與功率變換器的連線較多，電機(jī)的繞組利用率較低。每相只有一個(gè)主開關(guān)，上橋臂從上電源吸收能量，并將剩余的能量回饋到下電源，或從下電源吸取能量，將剩余的能量回饋到上電源。主開關(guān)正常工作時(shí)的最大反向電壓為U。這三種主電路各有優(yōu)、缺點(diǎn)。由于各主電路的主開關(guān)總伏安容量大抵相等，成本相差不大?？刂破鞯淖饔檬歉鶕?jù)操作控制要求和電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況不斷調(diào)節(jié)輸出信號(hào)，以通過功率變換器改變電機(jī)的勵(lì)磁，使之達(dá)到規(guī)定的運(yùn)行要求(如轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等)，并處于最佳工作狀態(tài)。隨著現(xiàn)代功率半導(dǎo)體器件技術(shù)的發(fā)展?？刂破饔删哂休^強(qiáng)信息處理功能的微機(jī)或數(shù)字邏輯電路及接口電路等部分構(gòu)成，微機(jī)信息處理功能的部分由軟件完成。但是開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的理論與任何電磁式機(jī)電裝置運(yùn)行理論本質(zhì)上沒有區(qū)別，這種機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程主要由電路方程、機(jī)械方程、機(jī)電聯(lián)系方程三部分組成。機(jī)械方程： （）機(jī)電聯(lián)系方程： （）式中Wc為磁共能。當(dāng)相電感處于上升區(qū)時(shí)，該相被激勵(lì)則產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩，反之則產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)某一相被激勵(lì)時(shí)，磁力線總是力圖使轉(zhuǎn)子向磁阻最小的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，即使得該相繞組的電感變大。依次導(dǎo)通ABCD，可產(chǎn)生連續(xù)的轉(zhuǎn)矩，使得電機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)定子磁極勵(lì)磁時(shí)，所產(chǎn)生的磁力力圖使轉(zhuǎn)子的極軸線旋轉(zhuǎn)到與定子極軸線相重合的位置。這樣，就可視負(fù)荷的性質(zhì)實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩或恒功率調(diào)速系統(tǒng)。當(dāng)dL/dθ0時(shí)，電機(jī)吸收電能輸出機(jī)械能，產(chǎn)生拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩；當(dāng)dL/dθ0時(shí)，電機(jī)放出電能吸收機(jī)械能，為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。在理想狀況下。因此，SR電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方向不受電流方向的影響，僅取決于電感隨轉(zhuǎn)角的變化。因此，通過控制加到SR電機(jī)繞組中電流脈沖的幅值、寬度及其與轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置，即可控制SR電機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小與方向。 SR電機(jī)的運(yùn)行特性 相電感變化圖SR電機(jī)運(yùn)行特性可分為三個(gè)區(qū)域：恒轉(zhuǎn)矩區(qū)、恒功率區(qū)、自然特性區(qū)(串勵(lì)特性區(qū))。轉(zhuǎn)速nn2，為各特性交接的臨界轉(zhuǎn)速，是SR電機(jī)運(yùn)行和設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的重要參數(shù)。對(duì)于轉(zhuǎn)子上無繞組，定子上是集中繞組的6/4極開關(guān)磁阻電機(jī)的每一相來說，定子極和轉(zhuǎn)子極的相對(duì)位置不同，定子繞組的電感也不同。根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩基本理論可以得出某一相供電時(shí)開關(guān)磁阻的電磁轉(zhuǎn)矩為:[1] 任套牢. 開關(guān)磁阻電機(jī)的原理及應(yīng)用[J]. 煤礦自動(dòng)化, 1998.(6):1112. （）通電繞組中的反電勢(shì)為: （）因此，只要在定子繞組電感上升區(qū)或下降區(qū)對(duì)定子繞組通電，就能夠獲得電磁轉(zhuǎn)矩。在定子電感不同的變化區(qū)域通電和采用不同的觸發(fā)順序就可以方便地控制開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的四象限運(yùn)行。＝∞，因此繞組電感L是轉(zhuǎn)子位置的分段線性函數(shù)。（3） 功率管開關(guān)動(dòng)作瞬時(shí)完成。 繞組電感在上述假設(shè)條件下的電機(jī)模型為理想線性模型。 繞組磁鏈 繞組電感L與轉(zhuǎn)子位移角在一個(gè)轉(zhuǎn)子極距內(nèi)的關(guān)系，當(dāng)SR電機(jī)由恒定直流電源U供電時(shí)并考慮到假設(shè)忽略所有功率損耗，—相電路的電壓方程可寫為: （）式中，“+”對(duì)應(yīng)于繞組與電源接通期間；“－”對(duì)應(yīng)于繞組關(guān)斷后續(xù)流期間。因此，一相繞組在導(dǎo)通、續(xù)流的一個(gè)變化周期內(nèi)，磁鏈可以表示為: （）式中 開通角關(guān)斷角令，稱為導(dǎo)通角。角度位置控制時(shí)，磁鏈波形為等腰三角波，；電流斬波控制時(shí)，磁鏈波形為梯形鋸齒波。a) 角度位置控制 b)電流斬波控制 一相繞組磁鏈波形 繞組電流: （）與求解磁鏈方程類似，由初始條件、： （），對(duì)結(jié)構(gòu)一定的電機(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn)速，電源電壓恒定時(shí)，繞組電流波形與控制參數(shù)有關(guān)，開通角對(duì)電流波形的影響尤為明顯。如果保持繞組中的電流值不變，將不同轉(zhuǎn)子位置的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩連成曲線則形成SR電機(jī)的靜態(tài)矩角特性?？赏ㄟ^磁場(chǎng)儲(chǔ)能或磁共能對(duì)轉(zhuǎn)子位移角的偏導(dǎo)數(shù)求取。第3章 橫向磁通開關(guān)磁阻電機(jī) 橫向磁通電動(dòng)機(jī)的定義和特征關(guān)于橫向磁通電機(jī)定義，并沒有一個(gè)公認(rèn)的明確的說法，但概括地講，磁通方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向垂直的電動(dòng)機(jī)稱為橫向磁通電動(dòng)機(jī)；或者說，將定子和轉(zhuǎn)子中的磁通方向限定于與旋轉(zhuǎn)方向垂直的平面中。目前出現(xiàn)的AFM多采用永磁材料，這樣的AFM又可稱為永磁橫向磁通電動(dòng)機(jī)(AFPMM)。一般來講，AFM有著有別于其他類型電動(dòng)機(jī)的特征:（1） 電動(dòng)機(jī)各相之間完全物理隔離，因此相間無電磁耦合；（2） 電動(dòng)機(jī)的磁路真正是三維的；（3） 簡(jiǎn)單螺線管線圈和與其成套的定子鐵芯耦合，構(gòu)成每一相的電樞繞組；（4） 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)使磁通集中，以便產(chǎn)生高氣隙磁密。因此，設(shè)計(jì)起來有很大的自由性。對(duì)傳統(tǒng)電機(jī)而言,由于可用于承載電流的空間有限，采用多極數(shù)是不可能的。另外對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)而言，當(dāng)極對(duì)數(shù)增加時(shí)，也不能提高功率。（3） 然而，當(dāng)轉(zhuǎn)矩最大化時(shí)，功率因數(shù)減小，導(dǎo)致功率轉(zhuǎn)換需求增加。（4） 一般來說，AFM電機(jī)安裝復(fù)雜，制造困難。由于橫向磁通電機(jī)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，自發(fā)明之日起至今，已出現(xiàn)了很多不同的結(jié)構(gòu)。在這三種結(jié)構(gòu)中，由于聚磁結(jié)構(gòu)能在氣隙處產(chǎn)生較大的磁密，所以當(dāng)線圈中通以一定的電流后，可以產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩密度和功率密度，出力性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他兩種。由圖可以看到，定子鐵心每個(gè)齒下相鄰的兩塊永磁體為近似周向充磁，且充磁方向相反，而同一定子不同齒下相對(duì)磁體的充磁方向也相反。 橫向磁通電機(jī) 前視圖磁路走向 右視圖磁通密度分布圖。在轉(zhuǎn)子和定子鐵心的齒部，磁通沿徑向平面流通，而在定子鐵心的扼部磁通沿軸向流通，流通方向相互垂直，無法簡(jiǎn)化為2D平面內(nèi)的電磁場(chǎng)分析，為此，對(duì)橫向磁通電機(jī)進(jìn)行三維電磁場(chǎng)分析與計(jì)算。（1） 單邊布局:僅在轉(zhuǎn)子徑向一側(cè)布置定子極片。此種結(jié)構(gòu)在定子齒上加裝永磁體，避免氣隙磁漏，有助于提高功率密度。 雙邊AFM，難以適應(yīng)多相電機(jī)，（a）所示的改進(jìn)型，并改變形狀能使磁通從同一個(gè)轉(zhuǎn)子輪緣的相鄰磁體間穿過，為了減少磁通在鐵芯中的畸變，從而盡量減少鐵損耗，鐵芯形狀改變?yōu)镃形，并且為了簡(jiǎn)化電機(jī)的裝配上藝，同時(shí)克服上述缺點(diǎn)，C形鐵芯改變?yōu)橛绍洿藕铣刹牧?SMC)制造，（b）所示。功率變換器SR電動(dòng)機(jī)電流檢測(cè)位置檢測(cè)控制器速度給定機(jī)械輸出電源 橫向磁通SR電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)組成功率變換器向SR電動(dòng)機(jī)提供運(yùn)轉(zhuǎn)所需的能量，它由功率開關(guān)器件組成。 四相SR電動(dòng)機(jī)的 (a)定轉(zhuǎn)子相對(duì)位置(b)相電感隨轉(zhuǎn)子位置功率變換器主電路 變化(c)一定電流下轉(zhuǎn)矩隨位置變化 相電感轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)子位置變化控制器是系統(tǒng)的中樞，它綜合處理速度指令、速度反饋信號(hào)及電流傳感器、位置傳感器的反饋信息，控制功率變換器中功率開關(guān)器件Sa,Sb,Sc,Sd的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)SR電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的控制。(a)的簡(jiǎn)化線性模型，式(1)可簡(jiǎn)化為式(2)。SR電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩方向不受電流方向的影響，僅取決于電感隨轉(zhuǎn)角的變化。繞組則產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩。Ta,Tb,Tc,Td為各相理想轉(zhuǎn)矩，T為四相合成轉(zhuǎn)矩。在這一點(diǎn)上，傳統(tǒng)的SR電動(dòng)機(jī)是無法做到的。其中最有效、目前應(yīng)用最廣泛的是有限元法。ANSYS電磁場(chǎng)分析的基本思想和原理是將所處理的對(duì)象首先劃分成有限個(gè)單元(包括若干個(gè)節(jié)點(diǎn))，然后根據(jù)矢量磁勢(shì)和標(biāo)量電勢(shì)求解一定邊界條件和初始條件下每一節(jié)點(diǎn)處的磁勢(shì)或電勢(shì)。ANSYS的主要分析過程如下:（1） 建立幾何模型（2） 創(chuàng)建物理環(huán)境，對(duì)模型的各部分賦予特性（3） 對(duì)求解區(qū)域用選定的單兒進(jìn)行網(wǎng)格剖分（4） 施加邊界條件和載荷（5） 進(jìn)行求解（6） 后處理本設(shè)計(jì)通過ANSYS模擬了橫向磁通電機(jī)定子鐵心與磁體在不同位置下的磁場(chǎng)分布，找出了電機(jī)空載時(shí)定子扼部磁密的變化，并繪制了相應(yīng)的曲線。設(shè)計(jì)中采用ANSYS剖分工具中的三角形自由剖分。定子扼部纏有線圈，在ANSYS中對(duì)于作為電流源的線圈并不視為真正的有限元，而是用偽單元來表示形狀和位置，因此不對(duì)其進(jìn)行剖分。 剖分結(jié)果 前視圖磁通密度分析 磁場(chǎng)分析與計(jì)算設(shè)計(jì)的橫向磁通電機(jī)內(nèi)部存在三維交變電磁場(chǎng)，磁路結(jié)構(gòu)和漏磁路均十分復(fù)雜，漏磁通所占比例較大。因此，設(shè)計(jì)中采用ANSYS直接求解電磁場(chǎng)的方法來求出磁場(chǎng)分布，分析電機(jī)的性能。其中，φ中為與線圈交鏈部分的磁通。利用ANSYS在纏繞線圈部分的定子鐵心處截取一平面能夠求出穿過此平面的磁通。設(shè)計(jì)中將定子鐵心位于轉(zhuǎn)子永磁體中間時(shí)的轉(zhuǎn)子位置角設(shè)為零度。隨著定子鐵心偏離中心位置，電機(jī)漏磁通變大，定子中的磁密越來越小，而當(dāng)其進(jìn)入下一極時(shí)，定子中的磁密又開始反向增大。此時(shí)，繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并不是呈正弦分布，這是因?yàn)槌ㄍ?，還存在有一系列的高次諧波。然而，對(duì)于低速和空間有限的情況，其轉(zhuǎn)矩不能滿足此要求。其繞組形式和徑向磁通電機(jī)一樣，其磁路和電路同樣爭(zhēng)奪同一塊空間。 徑向橫向推進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)比較類型橫向橫向徑向徑向勵(lì)磁方式永磁永磁永磁感應(yīng)功率(MW)20202020速度(drain)180180180180力密度(kN/m2)120100100100重量(噸)40658070轉(zhuǎn)向器(MVA)5025（資料來源：李亞旭. 橫向磁通電動(dòng)機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)初析[J].,(1):812.） 徑向橫向磁通電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 橫向磁通開關(guān)磁阻電機(jī)的應(yīng)用對(duì)于傳統(tǒng)的通用型SRD產(chǎn)品（供一般工業(yè)用，如風(fēng)機(jī)、泵、卷繞機(jī)、壓縮機(jī)等），還生產(chǎn)許多有特殊用途、特殊性能的SRD產(chǎn)品，應(yīng)用的領(lǐng)域大致有下列幾方面。因此，電動(dòng)機(jī)作為機(jī)械化、電氣化和自動(dòng)化的原動(dòng)機(jī)，廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)、科學(xué)技術(shù)研究和人民物質(zhì)文明生活的各個(gè)領(lǐng)域，例如電動(dòng)機(jī)在汽車上的應(yīng)用情況。20世紀(jì)的特點(diǎn)是由電氣化時(shí)代進(jìn)入原子能、計(jì)算機(jī)及自動(dòng)化時(shí)代，它不僅對(duì)電機(jī)提出了諸如性能良好、運(yùn)行可靠、單位容量輕、體積小等方面愈來愈多的要求，而且隨著自動(dòng)控制系統(tǒng)和計(jì)算裝置的發(fā)展，在旋轉(zhuǎn)電機(jī)的理論基礎(chǔ)上，發(fā)展出多種高可靠性、高精度、快速響應(yīng)的控制電機(jī)，成為電機(jī)學(xué)科的獨(dú)立分支。日本以外的產(chǎn)量大小依次排序?yàn)椋褐袊?guó)、馬來西亞、菲律賓、泰國(guó)、美國(guó)、韓國(guó)、印尼、西班牙、新加坡等地。微特直線電機(jī)多采用在自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為伺服電動(dòng)機(jī)，或者作為一種執(zhí)行元件使用。在這種情況下，傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)再加上一套變換機(jī)構(gòu)組的直線運(yùn)動(dòng)裝置，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了現(xiàn)代控制系統(tǒng)的要求。因而高轉(zhuǎn)矩、小體積的推進(jìn)電機(jī)至關(guān)重要。從2005年幾個(gè)電子產(chǎn)品產(chǎn)量的統(tǒng)計(jì)數(shù)字，可以預(yù)測(cè)微特電機(jī)市場(chǎng)的巨大空間：（1） （2） DVD錄像機(jī)全球達(dá)到1400萬臺(tái)（3） （國(guó)內(nèi)1．3億臺(tái)）（4） 數(shù)碼相機(jī)全球產(chǎn)量5000萬臺(tái)（5） 汽車電子產(chǎn)品出現(xiàn)快速發(fā)展2005年中國(guó)汽車年產(chǎn)量達(dá)420萬輛，20062008年將有較大發(fā)展趨勢(shì)。（6） 小家電市場(chǎng)正顯示旺銷態(tài)勢(shì)品種繁多的小家電已成為現(xiàn)代人生活的必需品，今后23年仍將是我國(guó)小家電發(fā)展的黃金時(shí)期，需求量每年以30％以上速度上升。（7）我國(guó)是微特電機(jī)出口大國(guó)，國(guó)際微特電機(jī)市場(chǎng)大。同時(shí)，微特電機(jī)將向著生物領(lǐng)域和芯片領(lǐng)域進(jìn)軍。 第4章 橫向磁通開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)是電機(jī)(及其系統(tǒng))獲得最佳性能價(jià)格比的重要手段，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，優(yōu)化設(shè)計(jì)這一現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法愈來愈受到電機(jī)工程技術(shù)人員的重視。實(shí)現(xiàn)SRM的優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅是追求電機(jī)本體性能指標(biāo)最佳化的手段，也是這類調(diào)速型電機(jī)及其系統(tǒng)獲得最佳驅(qū)動(dòng)性能的需要。SUMT罰函數(shù)法是電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)用最廣泛和成熟的方法之一。不恰當(dāng)?shù)牧P因子，會(huì)導(dǎo)致增廣目標(biāo)函數(shù)病態(tài)，從而影響尋優(yōu)的正常進(jìn)行。 橫向開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由于AFSRM電機(jī)的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)電機(jī)不同，所以普通電機(jī)的設(shè)計(jì)方法不再適合AFSRM電機(jī)，但在設(shè)計(jì)AFSRM電機(jī)時(shí)，一般也是采用場(chǎng)路結(jié)合的方法。采用場(chǎng)的方法設(shè)計(jì)時(shí)，在作如下假設(shè)的基礎(chǔ)上，可采用二維有限元法計(jì)算。由于這種方法作了許多假設(shè)，使得計(jì)算結(jié)果有較大偏差，但與三維有限元方法相比，其計(jì)算量大大減少。 基本的AFSRM結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 新型AFSRM結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖（1） 為了提高氣隙的磁場(chǎng)密度,。（2） 出于制造工藝方面的考慮,。 新型AFSRM結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖無論是這兩種哪種電機(jī)的改良,都只是從純理論上提出的構(gòu)想,要能在最終的