开关磁阻电动机的性能及典型应用

1 引言

　　开关磁阻电动机驱动系统（srd）由开关磁阻电机（srm或sr电机）、功率变换器、控制器和检测器四个部分组成，是20世纪80年代初随着电力电子、计算机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。开关磁阻电动机为双凸极磁阻电机，利用磁阻最小原理产生磁阻转矩，因其结构极其简单坚固，调速范围宽，调速性能优异，而且在整个调速范围内都具有较高的效率，系统可靠性高而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。开关磁阻电机已广泛或开始应用于电动车驱动、家用电器、通用工业、航空工业和伺服系统等各个领域，覆盖功率范围10w～5mw的各种高低速驱动系统，呈现巨大的市场潜力［1］。

2 结构与性能特点

　　2.1 电动机结构简单、成本低、适用于高速

　　开关磁阻电动机的结构比通常认为最简单的鼠笼式感应电动机还要简单，定子线圈为集中绕组，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；转子仅有硅钢片叠成，因此不会有鼠笼感应电动机制造过程中鼠笼铸造不良和使用中的断条等问题，转子机械强度极高，可工作于极高转速，转速可达每分钟10万转［2］。

　　2.2 功率电路简单、可靠

　　电动机转矩方向与绕组电流方向无关，即只需单方向绕组电流，相绕组串在主电路两功率管之间，不会发生桥臂直通短路故障，绕组相间耦合弱，缺相故障运行能力强，系统的容错能力强，可靠性高，可以适用于宇航等特殊场合。

　　2.3 高起动转矩，低起动电流

　　很多公司的产品可达到如下性能：起动电流为15％额定电流时，获得起动转矩为100％的额定转矩；起动电流为额定值的30％时，起动转矩可达其额定值的150％。对比其它调速系统的起动特性，如直流电动机为100％的起动电流，获得100％转矩；鼠笼感应电动机为300％的起动电流，获得100％的转矩。可见开关磁阻电动机具有软启动性能，起动过程中电流冲击小，电动机和控制器发热较连续额定运行时还小，因此特别适用于频繁起停及正反向转换运行的场合，如龙门刨床、铣床、冶金行业可逆轧机、飞锯、飞剪等。

　　2.4 调速范围宽，效率高

　　在额定转速和额定负载时运行效率高达92%以上，在所有的调速范围内，保持整体效率高达80%以上。

　　2.5 可控参数多，调速性能好

　　控制开关磁阻电动机的主要运行参数和常用方法至少有四种：相开通角、相关断角、相电流幅值和相绕组电压。可控参数多，意味着控制灵活方便，可以根据对电动机的运行要求和电动机的情况，采用不同控制方法和参数值，使之运行于最佳状态，还可使之实现各种不同的功能和特定的特性曲线，如使电动机具有完全相同的四象限运行（正转、反转、电动和制动）能力，并具有高起动转矩和串激电动机的负载能力曲线。

　　2.6 可通过机和电的统一协调设计满足各种特殊使用要求［3］

3 典型应用

　　开关磁阻电动机优越的结构和性能使其应用领域非常广泛，下面对其三个典型应用进行分析。

　　3.1 龙门刨床

　　龙门刨床是机械加工行业的一种主要工作母机，刨床的工作方式是工作台带动工件做往复运动，当其正程运动时，固定于机架的刨刀刨削工件，反程运动时，刨刀抬起，工作台空行返回。该刨床主传动系统的作用是带动工作台往复运动，显然，其性能优劣直接关系到刨床的加工质量和生产效率，因此，要求该传动系统具备以下主要性能。

　　3.1.1 主要特性

　　（1）适于频繁起动、制动和正反转转换，每分钟不少于10次，且起动、制动过程平稳快捷。

　　（2）静差率要求高。从空载到突然吃刀加载引起的动态速降不大于3%，且短时过载能力强。

　　（3）调速范围宽，适应低速、中速刨削和高速反程的需要。

　　（4）工作稳定性好，往返行程折返位置准确。

　　目前国内龙门刨床的主传动系统主要有直流机组形式和异步电动机-电磁离合器形式。大量以直流机组为主拖动系统的刨床，使用到现在大多处于严重老化的状态，电机磨损严重，高速重载时电刷上火花较大，故障频繁，维护工作量大，直接影响正常的生产。此外，该系统不可避免地存在设备庞大、耗电多，噪音高的缺点。异步电动机-电磁离合器系统依靠电磁离合器实现正反转向，离合器磨损严重，工作稳定性不好，且不便调速，仅限用于轻型刨床。

　　3.1.2 采用感应电动机的问题

　　如采用感应电机变频调速驱动系统，则存在以下问题：

　　（1）输出特性较软，使得龙门刨床在低速时不能带足够的负载。

　　（2）静差大，加工质量低，加工工件出现花纹，吃刀时甚至停车。

　　（3）起、制动转矩小，起、制动慢，停车越位过大。

　　（4）电机发热。

　　而开关磁阻电机的特性则特别适用于频繁起、制动和换向运行，换向过程起动电流小，起、制动转矩可调，因而保证了在各种速度区间内与工艺要求相符合。开关磁阻电机还具有很高的功率因数，不论是高、低车速，还是空载、满载，其功率因数都接近于1，优于目前龙门刨床所用的其他传动系统［4］。

　　3.2 洗衣机

　　随着经济的发展和人们生活质量的不断提高，环保、智能型洗衣机的需求量也越来越大，电机作为洗衣机的主动力，其性能必须不断完善。目前国内市场上流行的洗衣机主要有两种：波轮式和滚筒式洗衣机。无论哪种洗衣机，其基本原理都是通过电机驱动波轮或者滚筒转动，从而产生水流，再由水流及波轮、滚筒产生力来洗涤衣物，电机的性能在很大程度上决定了洗衣机的运行状态，也就是决定了洗涤、甩干的质量以及噪声、振动大小等。

　　现在波轮洗衣机上使用的电机以单相感应电机为主，少数用变频电机和无刷直流电动机。滚筒洗衣机则以串激电机为主，此外还有变频电机，无刷直流电动机，开关磁阻电机。

　　采用单相感应电机的缺点非常明显，表现如下：

　　（1）不能调速

　　在洗涤时只有一种转速，难以适应各种织物对洗涤转速的要求，而所谓的“强洗”、“弱洗”、“轻柔洗”等洗涤程序的变化仅仅是靠改变正反转的持续时间而已，而且为了照顾洗涤时对转速的要求，往往使得脱水时的转速偏低，一般仅为400转/分钟至600转/分钟。

　　（2）效率很低

　　效率一般均在30％以下，起动电流很大，可达额定电流的7～8倍，难以适应频繁正反转洗涤状况。

　　串激电机就是一台直流串激电机，具有起动力矩大、效率较高、调速方便、动态性能好等优点。但是，串激电机的缺点是结构复杂，转子电流需要经过换向器和电刷来进行机械式换向，换向器和电刷间的滑动摩擦容易产生机械磨损、噪声、火花以及电磁干扰，使得电机可靠性降低、寿命变短。

　　开关磁阻电动机的特点使其应用在洗衣机上可以获得良好的效果。开关磁阻电动机调速系统宽广的调速范围，可以使“洗涤“与

　　脱水“均工作在最佳的转速上，以实现真正意义上的标准洗、快速洗、轻柔洗、丝绒洗，甚至变速洗。脱水时也可以随意选择旋转的转速。还可以按某些设定的程序来提升转速，让衣物在脱水过程中避免因分布不均造成的振动和噪声。开关磁阻电动机卓越的启动性能可消除洗涤过程中电机频繁正反转启动电流对电网的冲击，使洗涤、换向平稳无噪声。开关磁阻电动机调速系统在全部调速范围内的高效率，可以使洗衣机的耗电量大大减少。

　　无刷直流电动机的确是开关磁阻电动机强有力的对手，但是开关磁阻电动机的优势是成本低、坚固、没有退磁现象和启动性能优越［5］。

　　3.3 电动车

　　进入20 世纪80年代以来，由于人们对环境和能源问题的日益关注，电动车因其行驶时零排放、噪声低、电能来源广阔、能源利用率高等优点而成为一种理想的交通工具。电动车对电机驱动系统有如下要求：在整个运行区域高效率，高功率密度和转矩密度，工作转速范围宽，系统具有防水、抗震和耐冲击能力。目前，电动车主流电机驱动系统有感应电动机、无刷直流电动机和开关磁阻电动机。开关磁阻电动机调速系统在性能和结构的一系列特点使其十分适合电动车辆，其在电动车领域具有如下优点：

　　（1）电机结构简单，适用于高速，电机的绝大部分损耗集中在定子上，易于冷却，易做成水冷防爆结构，基本上无须维护。

　　（2）在很宽的功率和转速范围内都能保持高效率，这是其他驱动系统难以达到的。这种特性十分有利于提高电动车的续驶历程。

　　（3）容易实现四象限运行，实现能量再生反馈，能在高速运行区域保持强有力的制动能力。

　　（4）电机的起动电流小，对电瓶无冲击，起动转矩大，适合于重载起动。

　　（5）无论电机还是功率变换器都十分坚固可靠，适用于各种恶劣、高温环境，具有良好的适应性。

　　鉴于以上优点，国内外都有很多开关磁阻电动机在电动汽车、电动客车、电动自行车的实际应用［6］。

4 结束语

　　由于开关磁阻电动机具有结构简单、起动电流小、调速范围宽、可控性好等优点，因此其在龙门刨床、洗衣机、电动车等领域具有很大的应用优势和广阔的应用前景，国外在上述领域的实际应用较多，国内虽有一定程度的应用，但还处于起步阶段，其潜力还未发挥出来，相信其在上述领域的应用会越来越广泛。