中心議題：

• 開關磁阻電機調速係統發展概況
• 開關磁阻電機調速係統基本構成
• 開關磁阻電機調速係統的應用

解決方案：

• 磁阻電機
• 功率變換器
• 控製器
• 位置檢測器

開關磁阻電動機調速係統SRD（SwitchedReluctanceDrive）是繼變頻調速係統、無換向器電動機調速係統之後發展起來的最新一代交流無級調速係統。它具有結構簡單
、堅固、成本低、工作可靠、控製靈活、運行效率高等諸多優點，由其構成的傳動係統具有交
、直zhi流liu傳chuan動dong係xi統tong所suo沒mei有you的de優you點dian。本ben文wen主zhu要yao介jie紹shao了le開kai關guan磁ci阻zu電dian機ji調tiao速su係xi統tong的de發fa展zhan概gai況kuang及ji基ji本ben構gou成cheng，並bing對dui開kai關guan磁ci阻zu電dian機ji調tiao速su原yuan理li進jin行xing分fen析xi
，並bing在zai對dui其qi優you缺que點dian的de基ji礎chu上shang詳xiang細xi闡chan述shu了le其qi應ying用yong場chang合he與yu領ling域yu。
　　
1開關磁阻電機調速係統發展概況
　　
開關磁阻電機（SwitchedReluctanceMotor，SRM或SR電機）基本原理最早提出在19世紀40年代
，當時的研究人員認為利用順序磁拉力使電動機旋轉是簡單可行的。1842年
，英國的Aberdeen和Davidson製造出了最初的SRM模型，但是因為當時的科技條件落後

，電動機的運行特性很差。以後的100多年間，開關磁阻電機的發展緩慢。1975年，英國Leeds大學和Nottingha大學這2所大學的研究小組聯合參了Chlorid公司發起的製造蓄電池車輛驅動裝的研究，成功地研製出驅動電動汽車的SRD。1980年，Leeds大學的Lawrenson及其同事總結了自己的研究成果，發表論文“開關磁阻調速電動機”，標誌著SR正式得到國際承認。1983年，英國TASCDriv公司推出第1台商品化SRD——Oulton傳動置（7.5kW，1500r/min）；1984年又推出4~kW4個規格的係列產品[1]。作為一種性能價格高的新型調速係統，SRD的問世不久
，引起各界的廣泛關注。美國、加拿大等國競相發展，並在係統一體化設計、微機應用
、電動機電磁分析、功率元件應用
、新型結構開發等方麵取得了很大進展。
　　
woguoduikaiguancizudiandongjitiaosuxitongdeyanjiuqibujinguanjiaowan
，danshiqidianjiaogao，zaijiejianguowaijingyandejichushangfazhansudujiaokuai。woguoduikaiguancizudiandongjitiaosuxitongdeyanjiuyushizhiqibuyu20世紀80年代。1988年在南京召開的第一屆開關磁阻電機研討會。1992年nian，在zai中zhong國guo電dian工gong技ji術shu學xue會hui中zhong小xiao型xing電dian機ji專zhuan業ye委wei員yuan會hui領ling導dao下xia成cheng立li了le開kai關guan磁ci阻zu電dian機ji學xue組zu，以yi更geng好hao地di推tui動dong開kai關guan磁ci阻zu電dian機ji研yan究jiu工gong作zuo的de進jin展zhan。在zai借jie鑒jian國guo外wai經jing驗yan的de基ji礎chu上shang，國guo內nei對dui開kai關guan磁ci阻zu電dian機ji調tiao速su係xi統tong的de開kai發fa研yan究jiu盡jin管guan起qi步bu較jiao晚wan
，但dan是shi起qi點dian較jiao高gao，研yan製zhi目mu標biao基ji本ben都dou集ji中zhong在zai較jiao為wei成cheng熟shu的de三san相xiang或huo四si相xiang控kong製zhi方fang案an上shang。一yi批pi高gao等deng院yuan校xiao
、研究所開展了這項工作，部分重點高校招了多期以開關磁阻電動機調速係統為課題的博士生
、碩士生，取得了從基礎理論到設計製造技術多方麵成果與進展。迄今為止，已有十餘家單位推出不同性能、不同用途的幾十個係列規格產品，應用於紡織、冶金
、機械
、運輸等行業的數十種生產機械和交通工具中
，開關磁阻電動機調速係統在一些機械中發揮出獨有的優勢。
　　
2開關磁阻電機調速係統基本構成
　　
開關磁阻電動機調速係統主要由開關磁阻電動機（SRM）
、功率變換器、控製器和檢測器組成[2]。如圖1所示：


（1）磁阻電機
　　
磁阻電機是SRD係統的執行元件。一般采用凸極定子和凸極轉子
，即雙凸極結構

，並且定、轉子齒極數（簡稱極數）不相等，定子裝有集中繞組，直徑方向相對的兩個繞組串聯成為“一相”
；轉子由疊片構成，沒有繞組、換向器
、集電環等。SR電機可做成單相、兩相、三相
、四相和多相，相數越多，性能越好，但結構複雜
，主開關器件多，成本較高

，故相數不宜太多。圖2所示為一台4相8/6極SR電機示意圖。定子有8個齒
，轉子有6個齒。每個定子齒上繞有一個線圈
，其中徑向相對的兩個極的線圈串聯構成一相繞組，共有4組繞組，轉子上無繞組。

　
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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。在圖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，而僅取於相繞組通電的順序[3]。
　　
另外，當主開關器件S2導通時，A相繞組從直流電源U吸收電能，而當S1、S2關斷，繞組電流經續流二極管VD1、VD2繼續流通

，並回饋給電源U。此
，SR電動機傳動的共性特點是具有再生作用
，係統效率高。
　　
通過控製加到SR電動機繞組中電流脈衝的幅值、寬度及其與轉子的相對位置（即導通角、關斷角）


，即可控製SR電機轉矩的大小與方向，這正是SR電動機調速控製的基本原理。
　　
（2）功率變換器
　　
功率變換器是SR電機運行時所需能量的供給者

，是連接電源和電機繞組的開關部件，其作用是將電源提供的能量經適當轉換後提供給SRM，由(you)蓄(xu)電(dian)池(chi)或(huo)交(jiao)流(liu)電(dian)整(zheng)流(liu)後(hou)得(de)到(dao)的(de)直(zhi)流(liu)電(dian)供(gong)電(dian)。因(yin)此(ci)，它(ta)包(bao)括(kuo)蓄(xu)電(dian)池(chi)或(huo)整(zheng)流(liu)器(qi)所(suo)形(xing)成(cheng)的(de)直(zhi)流(liu)電(dian)源(yuan)和(he)開(kai)關(guan)元(yuan)件(jian)。功(gong)率(lv)變(bian)換(huan)器(qi)的(de)線(xian)路(lu)有(you)多(duo)種(zhong)形(xing)式(shi)
，並(bing)且(qie)與(yu)開(kai)關(guan)磁(ci)阻(zu)電(dian)動(dong)機(ji)的(de)相(xiang)數(shu)、繞組形式（單繞組或雙繞組）有關。
　　
功率變換主電路的結構型式很多，有不對稱半橋型、雙繞組型、電容裂相型、H型、電容轉儲型等。
　　
可以用來構成SRD功率變換器的主開關器件主要有普通晶閘管、大功率晶體管（High-powerTransistors，GTR）
、可關斷晶閘管（GateTurn-OffThyristor
，GTO）、MOS場效應晶體管（MOSField-effectTransistor
，MOSFET）和絕緣柵雙極晶體管（InsulatedGateBipolarTransistors，IGBT）。電動機功率變換器主開關器件的選擇與電動機的功率等級
、供電電壓、峰值電流、成本等有關
；另外還與主開關器件本身的開關速度、觸發難易、開關損耗
、抗衝擊性、耐用性及市場普及性有關係。
　　
普通晶閘管是使用時間最長、伏安容量最大，並且價格比較便宜，但是因為沒有自關斷能力
，開關頻率低，強迫換相電路成本高、可靠性差，故不適宜做功率電路中開關元件。大功率晶體管（GTR）的開關頻率高

，具有自關斷能力，在中、小容量的SRD應用廣泛
，但其電壓、電流過載能力差，承受浪湧電流的能力差，存在二次擊穿現象，不易保護。
　　
可關斷晶閘管（GTO）在zai不bu斷duan關guan斷duan時shi要yao求qiu相xiang當dang大da的de反fan向xiang控kong製zhi電dian流liu，關guan斷duan控kong製zhi實shi現xian有you難nan度du，並bing存cun在zai管guan壓ya降jiang比bi普pu通tong晶jing閘zha管guan高gao等deng不bu足zu
，因yin此ci作zuo為wei功gong率lv電dian路lu的de開kai關guan的de應ying用yong並bing不bu廣guang泛fan。功gong率lv場chang效xiao應ying管guan（MOSFET）是一種單極型的電壓控製器件，具有驅動電路簡單、開關速度快
、熱穩定性好等優點，但是容量有限製並且比雙極型功率晶體管通態壓降大，隻適用於低電壓、小功率的開關磁阻電機係統中。
　　
絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是80niandaichuxiandexinxingfuhekaiguanqijian，juyougongzuopinlvjiaogao，kongzhishixianbijiaojiandan

，erqiedanguandedianyadingeyudianliudingeyeyijingzuodehenda
，yijingkeyimanzuduibenzhuangzhigonglvqijiandeyaoqiu，yincijingzonghekaolvxuanyongIGBT作為本係統SRD功率變換器的主開關器件。
　　
（3）控製器
　　
控製器是SRD係統的大腦。它綜合位置檢測器
、電流檢測器所提供的電機轉子位置
、速度和電流等反饋信息及外部輸人的命令，通過分析處理，決定控製策略
，向功率變換器發出執行命令，控製SR電機運行。控製器由微機或數字邏輯電路及接口電路等構成。
　　
（4）位置檢測器
　　
位置檢測器是轉子位置及速度等信號的提供者，其作用是及時向控製器提供定、轉子齒極間實際相對位置的信號和轉子運行速度的信號。
　　
開關磁阻電機調速係統的優點理論與實踐表明，與其它電動機調速係統比較，SRD具有如下顯著優點：
　　
（1）SR電機堅固

、簡單、成本低
，適於高速運行，特別適用於煤礦井下、紡織等行業。
　　
（2）轉zhuan矩ju方fang向xiang與yu相xiang電dian流liu方fang向xiang無wu關guan。隻zhi要yao控kong製zhi各ge相xiang在zai不bu同tong電dian感gan區qu域yu內nei的de瞬shun時shi電dian流liu，即ji能neng方fang便bian地di實shi現xian四si象xiang限xian運yun行xing，無wu須xu輔fu助zhu電dian力li電dian子zi開kai關guan器qi件jian，故gu可ke降jiang低di係xi統tong成cheng本ben
；相電流的單向流動，使得其功率主電路結構簡單。
　　
（3）轉zhuan子zi無wu繞rao組zu
，也ye無wu永yong久jiu磁ci體ti，定ding子zi為wei集ji中zhong繞rao組zu。比bi任ren何he傳chuan統tong類lei型xing的de電dian動dong機ji都dou簡jian單dan，製zhi造zao和he維wei護hu起qi來lai也ye比bi較jiao方fang便bian。中zhong小xiao功gong率lv的de調tiao速su係xi統tong具ju有you很hen高gao的de性xing價jia比bi，其qi成cheng本ben低di於yu同tong功gong率lv的de異yi步bu電dian機ji變bian頻pin調tiao速su係xi統tong。
　　
（4）較小的起動電流，可獲得較大起動轉矩，在寬廣的轉速和功率範圍內均具有高輸出和高效率。
　　
（5）控製參數多，控製方式靈活。
　　
4開關磁阻電機調速係統的應用
　　
我國從80年代初開始進行SR的研究工作，十幾年來國內的一些高等學校和科研院所競相開展研製
、開發。起步雖較晚，但發展的速度很快。
　　
（1）在有特殊要求的場所中的應用在要求快速正反轉的一些工業應用中，如紡織印染業
，要求電動機反應速度要快
，其反應時間不得大於0.3秒，電動機要能長期地

、連續地、頻繁地處於正
、反轉交替變換的工作狀態，電動機要有能在較寬廣的範圍內無級調速的性能，電動機能長期地在濕
、熱(re)的(de)環(huan)境(jing)中(zhong)工(gong)作(zuo)。這(zhe)時(shi)候(hou)

，使(shi)用(yong)開(kai)關(guan)磁(ci)阻(zu)電(dian)機(ji)能(neng)收(shou)到(dao)意(yi)想(xiang)不(bu)到(dao)的(de)良(liang)好(hao)效(xiao)果(guo)。還(hai)有(you)在(zai)要(yao)求(qiu)轉(zhuan)速(su)高(gao)度(du)穩(wen)定(ding)的(de)一(yi)些(xie)工(gong)業(ye)應(ying)用(yong)中(zhong)
，如(ru)化(hua)纖(xian)行(xing)業(ye)，開(kai)關(guan)磁(ci)阻(zu)調(tiao)速(su)電(dian)動(dong)機(ji)具(ju)有(you)良(liang)好(hao)的(de)同(tong)步(bu)性(xing)能(neng)，而(er)且(qie)不(bu)存(cun)在(zai)電(dian)刷(shua)磨(mo)損(sun)（如直流電動機）或恒磁體退化（如永磁同步電動機）的問題，可長期可靠工作。
　　
（2）在龍門刨床主傳動係統中的應用開關磁阻調速電動機良好的調速性能、寬廣的調速範圍
、比較小的起動電流獲得較大的起動轉矩
、對稱的四象限運行特性等一係列突出優點，對於滿足龍門刨主傳動的高技術要求提供了完全的可行性。[5]
　　
（3）在數控機床主軸直驅係統中的應用
　　
利用開關磁阻調速電動機恒轉矩特性好、動dong態tai響xiang應ying特te性xing好hao的de優you點dian
，將jiang其qi應ying用yong於yu數shu控kong機ji床chuang主zhu軸zhou直zhi驅qu係xi統tong，取qu得de了le成cheng功gong。這zhe為wei我wo國guo普pu及ji型xing小xiao型xing數shu控kong機ji床chuang的de主zhu軸zhou驅qu動dong提ti供gong了le一yi種zhong性xing價jia比bi很hen高gao的de新xin動dong力li。
　　
（4）開關磁阻調速電動機在家電行業中的應用
　　
空調、冰箱、洗(xi)衣(yi)機(ji)等(deng)家(jia)電(dian)發(fa)展(zhan)的(de)總(zong)趨(qu)勢(shi)是(shi)采(cai)用(yong)具(ju)有(you)現(xian)代(dai)調(tiao)速(su)係(xi)統(tong)的(de)電(dian)動(dong)機(ji)來(lai)取(qu)代(dai)不(bu)調(tiao)速(su)的(de)電(dian)動(dong)機(ji)。這(zhe)裏(li)最(zui)具(ju)資(zi)格(ge)的(de)當(dang)數(shu)無(wu)刷(shua)直(zhi)流(liu)電(dian)動(dong)機(ji)調(tiao)速(su)係(xi)統(tong)和(he)開(kai)關(guan)磁(ci)阻(zu)調(tiao)速(su)電(dian)動(dong)機(ji)係(xi)統(tong)。而(er)在(zai)性(xing)價(jia)比(bi)上(shang)開(kai)關(guan)磁(ci)阻(zu)調(tiao)速(su)電(dian)動(dong)機(ji)係(xi)統(tong)還(hai)占(zhan)有(you)一(yi)定(ding)的(de)優(you)勢(shi)。
　　
（5）在電動車、船驅動控製係統中的應用
　　
開關磁阻調速電動機高效
、節能、調速範圍寬、啟、製動特性卓越，顯然是電動車驅動與控製係統的理想動力。國外已將SRD在電瓶車、鏟車、無軌電車、電動轎車、城市輕軌列車等方麵進行廣泛應用，其優勢已經明顯凸現出來，國內這方麵的研究開發也已取得了顯著的成效。[6]將開關磁阻調速電動機應用於水域的船隻驅動上
，可以避免機油、汽油、柴油對水域的汙染，還可以大大減少噪聲汙染，這同樣是一個很有前途的應用領域。
　　
開(kai)關(guan)磁(ci)阻(zu)調(tiao)速(su)電(dian)動(dong)機(ji)還(hai)可(ke)以(yi)用(yong)在(zai)其(qi)他(ta)許(xu)多(duo)領(ling)域(yu)，這(zhe)需(xu)要(yao)相(xiang)關(guan)人(ren)士(shi)更(geng)多(duo)的(de)努(nu)力(li)。相(xiang)信(xin)開(kai)關(guan)磁(ci)阻(zu)調(tiao)速(su)電(dian)動(dong)機(ji)技(ji)術(shu)一(yi)旦(dan)普(pu)及(ji)和(he)推(tui)廣(guang)，一(yi)定(ding)會(hui)取(qu)得(de)良(liang)好(hao)的(de)經(jing)濟(ji)效(xiao)益(yi)和(he)社(she)會(hui)效(xiao)益(yi)。

隨著國內外電氣界深入廣泛的研究
，基於DSP的開關磁阻電機調速係統顯示出越來越強大的生命力，相信在它會作為新一代調速係統
，有著更加廣闊的發展潛力。