开关磁阻电机
Switched Reluctance Drive system, SRD 开关磁阻电机驱动系统(Switched Reluctance Drive system, SRD)具有一些很有特色的优点:电机结构简单、坚固、维护方便甚至免维护，起动及低速时转矩大、电流小;高速恒功率区范围宽、性能好，在宽广转速和功率范围内都具有高输出和高效率而且有很好的容错能力。这使得SR电机驱动系统在家用电器、通用工业、伺服与调速系统、牵引电机、高转速电机、航空航天等领域得到广泛应用。
SR电机是一种机电能量转换装臵。根据可逆原理，SR电机和传统电机一样，它既可将电能转换为机械能——电动运行，在这方面的理论趋于成熟;也可将机械能转换为电能——发电运行，其内部的能量转换关系不能简单看成是SR 电动机的逆过程。
开关磁阻电机的发展概况和发展趋势
“开关磁阻电机(Switched reluctance motor)”一词源见于美国学者S.A.Nasarl969年所撰论文，它描述了这种电机的两个基本特征：①开关性——电机必须工作在一种连续的开关模式，这是为什么在各种新型功率半导体器件可以获得后这种电机才得以发展的主要原因；②磁阻性——它是真正的磁阻电机，定、转子具有可变磁阻磁路，更确切地说，是一种双凸极电机。开关磁阻电机的概念实际非常久远，可以追溯到19世纪称为“电磁发动机”的发明，这也是现代步进电机的先驱。在美国，这种电机常常被称为“可变磁阻电机(variable reluctance motor, VR电机)”一词, 但是VR电机也是步进电机的一种形式，容易引起混淆。有时人们也用“无刷磁阻电机(Brushless reluctance motor)”一词，以强调这种电机的无刷性。“电子换向磁阻电机(Electronically commutated reluctance motor)”一词也曾采用，从工作原理来看，甚至比“开关磁阻”的说法更准确—些，但也容易与电子换向的水磁直流电机相混淆。毫无疑问，正是由于英国P．J．Lawrenson教授及其同事们的杰出贡献，赋予了现代SR电机新的意义，开关磁阻电机一词也因此逐渐为人们所接受和采用。
从电机结构和运行原理上看，SR电机与大步距角的反应式步进电机十分相似，因此有人将SR电机看成是一种高速大步距角的步进电机。但事实上，两者是有本质差别的，这种差别体现在电机设计、控制方法、性能特性和应用场合等方面，见表11-1。
开关磁阻电机也可视为一种反应式同步磁阻电机，但它与常规的反应式同步磁阻电机有许多个同之处，见表11-2
开关磁阻电机的结构
The inside view of the Linear
Switched Reluctance Motor
开关磁阻电机的控制方式
1.1开关磁阻电机驱动系统的组成
开关磁阻电机驱动系统(SRD)主要由开关磁阻电机、功率变换器、控制器和
检测器四部分组成，如图1-1所示。
1.1.1开关磁阻电机
SR电机可以设计成单相、两相、三相、四相及多相等不同相数结构，且有每极单齿结构和每极多齿结构，轴向气隙、径向气隙和轴向—径向混合气隙结构，内转子和外转子结构，低于三相的SR电机一般没有自起动能力。相数多，有利于减小转矩波动，但导致结构复杂、主开关器件多、成本增高。目前应用较多的是二相6／4极结构和四相8／6极结构。下表为常见SR电机定、转子极数组合方案。
三相开关磁阻电机
1.1.2控制器和位量检测器
控制器综合处理位臵检测器、电流检测器提供的电机转子位臵、速度和电流等反馈信息及外部输人的指令，实现SR电机运行状态的控制，是SRD的指挥中枢。控制器一般由单片机及外围接口电路等组成。在SRD中，要求控制器具有下述性能：
(1)电流斩波控制;
(2)角度位臵控制;
(3)起动、制动、停车及四象限运行;
(4)速度调节。
位臵传感器向控制器提供转子位臵及速度等信号，使控制器能正确地决定绕组的导通和关断时刻。通常采用光电器件、霍耳元件或电磁线圈法进行位臵检测，采用无位臵传感器的位臵检测方法是SRD 的发展方向，对降低系统成本、提高系统可靠性有重要的意义。
1.2开关磁阻电机的工作原理
开关磁阻电机的转矩是磁阻性质，其运行原理遵循“磁阻最小原理”——磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合，因磁场扭曲而产生切向磁拉力，如下图所示，具体过程如下：
当A 相绕组电流控制开关S1、S2闭合时，A 相励磁，所产生的磁场力图使转子旋转到转子极轴线a a '与定子极轴线A A '的重合位臵，从而产生磁阻性质的电磁转矩。顺序给A —B —C —D 相绕组通电(B 、C 、D 各相绕组在图中未画出)，则转子便按逆时针方向连续转动起来；反之，依次给D —C —B —A 相绕组通电，则转子会沿顺时针方向转动。在多相电机实际运行中，也常出现两相或两相以上绕组同时导通的情况。当q 相定子绕组轮流通电一次，转子转过一个转子极距。
设每相绕组开关频率(主开关开关频率)为f Ph ，转子极数为N r 则SR 电机的同步转速(r ／min)可表示为
r ph
N f n 60=
由于是磁阻性质的电磁转矩，SR 电机的转向与相绕组的电流方向无关，仅取决于相绕组通电的顺序．这使得能够充分简化功率变换器电路。当主开关S 1、S 2接通时，A 相绕组从直流电源U 吸收电能，而当S 1、S 2断开时，绕组电流通过续流二极管VD 1、VD 2将剩余能量回馈给电源U 。因此，SR 电机具有能量回
馈的特点，系统效率高。
对SRD的理论研究和实践证明，该系统具有明显的特点：
(1)电机结构简单、坚固，制造工艺简单。成本低，转子仅由硅钢片叠压而成，可工作于极高转速；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、高温其至强振动环境。
(2)损耗主要产生在定子，电机易于冷却；转子无永磁体，允许有较高的温升。
(3)转矩方向与相电流方向无关，从而可减少功率变换器的开关器件数，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，无异步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，易于实现各种待殊要求的转矩——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。
相数
Single-Phase Motor
These are the simplest SR motors with fewest connections between machine and electronics. The disadvantages lie in very high torque ripple and inability to start at all angular positions. Maybe attractive for very high speed applications, but starting problems may preclude their use. Two-Phase Motor
Problems of starting compared with single phase machines can be overcome by stepping the air-gap, or providing asymmetry in the rotor poles. This machine may be of interest where the cost of winding connections is important, but again high torque ripple may be detrimental.
Three-Phase Motor
Offers simplest solution to starting and torque ripple without resorting to high numbers of
phases. Hence has been the most popular topology in its 6/4 form. Alternative 3-phase machines with doubled-up pole numbers can offer a better solution for lower speed applications. But again watch-out for torque ripple especially in the voltage control single-pulse operating mode.
Four-Phase Motor
Maybe popular for reducing torque ripple further, but the large number of power devices and connections will probably limit four phase to a limited application field. Five- and six-phase motors can offer better torque ripple reduction compared with four-phase and three-phase.
Journal of Electrical Engineering 电气工程, 2016, 4(1), 55-62 Published Online March 2016 in Hans. https://www.doczj.com/doc/9715888567.html,/journal/jee https://www.doczj.com/doc/9715888567.html,/10.12677/jee.2016.41008 Speed Control Strategy of Switched Reluctance Motor Zhou Du1,2, Dingxiang Wu2,3, Lijun Tang1,2 1School of Physics and Electronic Sciences, Changsha University of Science & Technology, Changsha Hunan 2Hunan Province Higher Education Key Laboratory of Modeling and Monitoring on the Near-Earth Eletromagnetic Environments, Changsha Hunan 3Billion Set Electronic Technology Co, Ltd., Changsha Hunan Received: Mar. 1st, 2016; accepted: Mar. 19th, 2016; published: Mar. 24th, 2016 Copyright ? 2016 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). https://www.doczj.com/doc/9715888567.html,/licenses/by/4.0/ Abstract Aimed at research on starting mode and speed control of switched reluctance motor speed control system, a two-phase starting is adopted to start the electric, in order to increase the torque and reduce the torque ripple. A fuzzy adaptive PID control algorithm is proposed, and a switched re-luctance motor speed control system with STM32 + FPGA as the main controller is designed, ap-plying current chopping in low speed and angle position control mode in high speed, which has a certain effect on solving the problems of high overshoot, slow dynamic response and low accuracy. The experimental results show that the precision of the system speed is within 10 r/min, and the maximum overshoot is 15 r/min. Keywords Switched Reluctance Motor, Torque Ripple, Fuzzy Adaptive Tuning PID 开关磁阻电机速度控制 杜舟1,2，吴定祥2,3，唐立军1,2 1长沙理工大学物理与电子科学学院，湖南长沙 2近地空间电磁环境监测与建模湖南省普通高校重点实验室，湖南长沙 3长沙亿旭机电科技有限公司，湖南长沙
开关磁阻电动机驱动系统（SRD）简介 开关磁阻电动机驱动系统（SRD）是较为复杂的机电一体化装置，SRD的运行需要在线实时检测的反馈量一般有转子位置、速度及电流等，然后根据控制目标综合这些信息给出控制指令，实现运行控制及保护等功能。转子位置检测环节是SRD的重要组成部分，检测到的转子位置信号是各相主开关器件正确进行逻辑切换的根据，也为速度控制环节提供了速度反馈信号。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优点：（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。（9）容错能力强。开关磁阻电机的容错体现在电机某一相损坏，电机照样可以运行。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。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%。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。三、开关磁阻电机的应用近年来，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。3.1 电动车应用开关磁阻电机最初的应用领域就是电动车。目前电动摩托车和电动自行车的驱动电机主要有永磁
开关磁阻电机： 开关磁阻电动机驱动系统（SRD）是较为复杂的机电一体化装置，SRD的运行需要在线实时检测的反馈量一般有转子位置、速度及电流等，然后根据控制目标综合这些信息给出控制指令，实现运行控制及保护等功能。转子位置检测环节是SRD的重要组成部分，检测到的转子位置信号是各相主开关器件正确进行逻辑切换的根据，也为速度控制环节提供了速度反馈信号。 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优点： （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。 （9）容错能力强。开关磁阻电机的容错体现在电机某一相损坏，电机照样可以运行。 开关磁阻电机的应用： 近年来，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。
开关磁阻电机电动车应用 开关磁阻电机最初的应用领域就是电动车。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。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。 SRD开关磁阻电机驱动系统的电机结构紧凑牢固，适合于高速运行，并且驱动电路简单成本低、性能可靠，在宽广的转速范围内效率都比较高，而且可以方便地实现四象限控制。这些特点使SRD开关磁阻电机驱动系统很适合电动车辆的各种工况下运行，是电动车辆中极具有潜力的机种。SRD的最大特点是转矩脉动大，噪声大；此外，相对永磁电机而言，功率密度和效率偏低；另一个缺点是要使用位置传感器，增加了结构复杂性，降低了可靠性。因此无传感器的SRD也是未来的发展趋势之一。其优点主要表现在以下几个方面： （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
题目：开关磁阻电机
开关磁阻电机 学习《特种电机及其控制》这门课程，这要介绍了无刷直流电机及其控制、开关磁阻电机及其控制系统、步进电机及其控制，其中我最感兴趣的开关磁阻电机。下面我将对我所了解的开关磁阻电机做一总结。 一、发展背景 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猛烈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优点，成为直流电机调速系统、交流电机调速系统和无刷直流电机调速系统强有力的竞争者，引起各国学者和企业界的广泛关注，目前开关磁阻电机已开始应用于工业、航空业和家用电器等各个领域。 开关磁阻电机的基本概念可追溯到19世纪40年代，1842年，英国的Aberdeen和Dafidson用两个U型电磁铁制造了由蓄电池供电的机车电动机。20世纪60年代，大功率晶闸管的出现为SR电机的研究发展提供了重要的物质条件。1967年，英国的Leeds大学开始对SR电机进行深入研究；直到1970年左右，研究结果表明：SR电机可以在单相电流下四象限运行，功率变换器无论是用晶体管还是用普通晶闸管，所需开关数都是最少的；电动机成本也明显低于同容量的感应电动机。20年代70年代初，美国福特公司研制出最早开关磁阻电机的调速系统，其结构为轴向气隙电动机，具有电动机和发电机运行状态和较宽范围调速的能力，适合于蓄电池供电的电动车辆的转动。1980年Leeds大学的Lawrenson教授及其同事总结出了自己的研究成果，发表了题为“Variable--Speed Switched Reluctance Motors”的论文，系统阐述了开关磁阻电机的基本原理与设计特点，并得出了新型磁阻电机的单位出力可以与交流感应电机相媲美甚至还略占优势的结论。1983年英国TASC公司推出了Oulton系列通用SRD调速产品，问世不久便受到了各国电气传动界的广泛重视。从1984年开始，我国许多单位先后开展了SRD研究，在借鉴国外经验的基础上，我国SR电机的研究发展很快。2000年，国内100KW以上的SR电机已应用于煤矿的采煤机，目前已将180KW的SR电机应用于地铁机车的牵引，应形成一些SRD系列商品，最
开关磁阻电机控制系统软件设计 开关磁阻电机SRM（Switched Reluctance Motor）是随着电力电子、微电脑和控制技术的迅猛发展而出现的一种新型调速系统，具有结构简单、运行可靠及效率高等突出优点，成为交流、直流和无刷直流电动机调速系统强有力的竞争者，引起各国学者和企业的广泛关注。 1 基本控制策略 开关磁阻电机基本控制策略主要包括电流斩波控制（CCC）、电压PWM 控制、角度位置控制（APC）三种控制策略。 电流斩波控制的优点是可限制电流峰值的增长，保护开关器件的安全，并起到良好有效的调节效果，因此适用于低速调速系统。当相电流超过约定的上限电流值时，则主开关关断，当相电流低于约定的下限电流值时，则组合开关开通，从而实现电流斩波控制效果。 电压PWM控制是通过调整占空比，来调节相绕组的平均电压，以改变相绕组电流的大小，从而实现转速和转矩的调节，电压PWM控制的特点是通过调节相绕组电压的平均值，进而能间接地限制和调节相电流，因此既能用于高速调速系统，又能用于低速调速系统，而且控制也较简单。 角度位置控制是指对开通角和关断角的控制。它的实质就在于输入电压保持不变而通过改变主开关的开通角和关断角来调节电流，以达到调节电机转矩的目的。角度控制的优点是转矩调节范围较大，可允许多相同时通电，以增加电机输出转矩，可实现效率最有控制和转矩
最优控制。 为了实现开关磁阻电机良好的调速性能，该软件设计采用以下组合控制策略，即电机基速以下运行时，采用电流斩波控制方式；在中低速下，采用电压PWM控制方式；而在高速运行时，采用角度位置控制方式。 2 软件设计 软件采用前后台系统作为软件框架，分为主程序和中断程序两部分，相较于现有控制系统软件设计中的多中断程序，该软件设计仅采用了一个定时中断，是程序更简洁，增加了程序的可读性及可移植性，同时也有利于程序的进一步扩充与完善。现有控制系统软件中多数使用多中断设计，其中包括计算电机转速使用的捕获中断，获取电机位置使用一路或两路外部中断，电流采样时使用的DMA中断，以及一至两个定时中断，这些中断不仅增加了程序的复杂性，同时也降低了软件的可靠性。 在软件设计中，重点和难点就是如何获得较好的斩波效果，而软件设计的好坏直接影响了斩波效果的好坏。在现有的软件设计中，一般是将各相电流通过ADC采样，再经DMA通道传输，同时产生一个DMA 中断，然后在一个定时中断（定时中断时间一般为50us至100us）中实现电流斩波。而这种设计会产生两个问题。其一，因为要实现其他功能，定时中断时间不能进一步缩短，而这对电流斩波而言，时间间隔又太长，以50us为例，电流可能会在50us的时间中上升40A。其二，DMA中断优先级要高于定时中断，这可能会导致定时中断的执
开关磁阻电机驱动系统的运行原理及应用（二） （低轴阻发电机参考资料） 1 引言 开关磁阻电机驱动系统(SDR)具有一些很有特色的优点:电机结构简单、坚固、维护方便甚至免维护，启动及低速时转矩大、电流小;高速恒功率区范围宽、性能好，在宽广转速和功率访问内都具有高输出和高效率而且有很好的容错能力。这使得SR电机系统在家用电器、通用工业、伺服与调速系统、牵引电机、高转速电机、航空航天等领域得到广泛应用。 SR电机是一种机电能量转换装置。根据可逆原理，SR电机和传统电机一样，它既可将电能转换为机械能—电动运行，在这方面的理论趋于成熟;也可将机械能转换为电能—发电运行，其内部的能量转换关系不能简单看成是SR电动机的逆过程。本文将从SR电机电动和发电运行这两个角度阐述SR电机的运行原理。 2 电动运行原理 2.1 转矩产生原理 控制器根据位置检测器检测到的定转子间相对位置信息，结合给定的运行命令(正转或反转)，导通相应的定子相绕组的主开关元件。对应相绕组中有电流流过，产生磁场;磁场总是趋于“磁阻最小”而产生的磁阻性电磁转矩使转子转向“极对极”位置。当转子转到被吸引的转子磁极与定子激磁相相重合(平衡位置)时，电磁转矩消失。此时控制器根据新的位置信息，在定转子即将达到平衡位置时，向功率变换器发出命令，关断当
前相的主开关元件，而导通下一相，则转子又会向下一个平衡位置转动;这样，控制器根据相应的位置信息按一定的控制逻辑连续地导通和关断相应的相绕组的主开关，就可产生连续的同转向的电磁转矩，使转子在一定的转速下连续运行;再根据一定的控制策略控制各相绕组的通、断时刻以及绕组电流的大小，就可使系统在最隹状态下运行。 图1 三相sr电动机剖面图 从上面的分析可见，电流的方向对转矩没有任何影响，电动机的转向与电流方向无关，而仅取决于相绕组的通电顺序。若通电顺序改变，则电机的转向也发生改变。为保证电机能连续地旋转，位置检测器要能及时给出定转子极间相对位置，使控制器能及时和准确地控制定子各相绕组的通断，使srm能产生所要求的转矩和转速，达到预计的性能要求。 2.2 电路分析
第二章开关磁阻电机及其调速系统 2.1 开关磁阻电机的发展概况 磁阻式电机诞生于160年前，一直被认为是一种性能不高的电机。然而通过近20年的研究与改进，使磁阻式电机的性能不断提高，目前已能在较大功率范围内不低于其它型式的电机[9]。 70年代初，美国福特电动机（Ford Motor）公司研制出最早的开关磁阻电机调速系统。其结构为轴向气隙电动机、晶闸管功率电路，具有电动机和发电机运行状态和较宽范围调速的能力，特别适用于蓄电池供电的电动车辆的传动。 70年代中期，英国里兹（Leeds）大学和诺丁汉（Nottingham）大学，共同研制以电动车辆为目标的开关磁阻电机调速系统。样机容量从10W至50KW，转速从750 r/min至10000 r/min，其系统效率和电机利用系数等主要指标达到或超过了传统传动系统。该产品的出现，在电气传动界引起了不小的反响。在很多性能指标上达到了出人意料的高水平，整个系统的综合性能价格指标达到或超过了工业中长期广泛使用的一些变速传动系统。 近年来，国内外已有众多高校、研究所和企业投入了开关磁阻电机调速系统的研究、开发和制造工作。至今已推出了不同性能、不同用途的几十个系列的产品，应用于纺织、冶金、机械、汽车等行业中。 目前，在汽车行业意大利FIAT公司研制的电动车和中国第二汽车制造厂研制的电动客车都采用了开关磁阻电机。SRM是没有任何形式的转子线圈和永久磁铁的无刷电动机，它的定子磁极和转子磁极都是凸的。由于SRM具有集中的定子绕组和脉冲电流，其功率变换器可以采用更可靠的电路拓扑形式。SRM具有简单可靠、在较宽转速和转矩范围内高效运行、控制灵活、可四象限运行、响应速度快、成本较低等优点，这是其它调速系统难以比拟的，作为具有潜力的电动车电气驱动系统日益受到重视。然而目前SRM还存在转矩波动大、噪声大、需要位置检测器、系统非线性等缺点，所以，它的广泛应用还受到限制。 2.2 开关磁阻电机的基本结构与特点 开关磁阻电机为定、转子双凸极可变磁阻电机。其定、转子铁心均由硅钢片
开关磁阻电机工作原理及其驱动系统 开关磁阻电机 Switched Reluctance Drivesystem, SRD 开关磁阻电机驱动系统(Switched Reluctance Drive system, SRD)具有一些很有特色的优点:电机结构简单、坚固、维护方便甚至免维护，起动及低速时转矩大、电流小;高速恒功率区范围宽、性能好，在宽广转速和功率范围内都具有高输出和高效率而且有很好的容错能力。这使得SR电机驱动系统在家用电器、通用工业、伺服与调速系统、牵引电机、高转速电机、航空航天等领域得到广泛应用。 SR电机是一种机电能量转换装置。根据可逆原理，SR电机和传统电机一样，它既可将电能转换为机械能——电动运行，在这方面的理论趋于成熟;也可将机械能转换为电能——发电运行，其内部的能量转换关系不能简单看成是SR电动机的逆过程。 开关磁阻电机的发展概况和发展趋势 “开关磁阻电机(Switched reluctance motor)”一词源见于美国学者 S.A.Nasarl969年所撰论文，它描述了这种电机的两个基本特征：①开关性——电机必须工作在一种连续的开关模式，这是为什么在各种新型功率半导体器件可以获得后这种电机才得以发展的主要原因；②磁阻性——它是真正的磁阻电机，定、转子具有可变磁阻磁路，更确切地说，是一种双凸极电机。开关磁阻电机的概念实际非常久远，可以追溯到19世纪称为“电磁发动机”的发明，这也是现代步进电机的先驱。在美国，这种电机常常被称为“可变磁阻电机(variable reluctance motor, VR电机)”一词, 但是VR电机也是步进电机的一种形式，容易引起混淆。有时人们也用“无刷磁阻电机(Brushless reluctance motor)”一词，以强调这种电机的无刷性。“电子换向磁阻电机(Electronically commutated reluctance motor)”一词也曾采用，从工作原理来看，甚至比“开关磁阻”的说法更准确—些，但也容易与电子换向的水磁直流电机相混淆。毫无疑问，正是由于英国 P．J．Lawrenson教授及其同事们的杰出贡献，赋予了现代SR电机新的意义，开关磁阻电机一词也因此逐渐为人们所接受和采用。 从电机结构和运行原理上看，SR电机与大步距角的反应式步进电机十分相似，因此有人将SR电机看成是一种高速大步距角的步进电机。但事实上，两者是有本质差别的，这种差别体现在电机设计、控制方法、性能特性和应用场合等方面，见表11-1。
开关磁阻电机研究的背景及意义
一、项目目的与意义 开关磁阻电机设计及其在矿山机械中的应用研究项目属于《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）》中工业节能（机电产品节能）、基础件和通用部件的重点支持领域，同时符合《湖南省加快培育和发展战略性新兴产业总体规划纲要》高效节能制造产业中节能电机重点发展领域。 开关磁阻电动机(SRD)调速系统是基于计算机和电力电子技术的控制器及开关磁阻电动机的新型调速系统，由开关磁阻电动机与微机智能控制器两个部分组成。开关磁阻电动机调速系统的突出特点是效率高、节能效果好、调速范围广、无启动冲击电流、启动转矩大、控制灵活，此外还具有结构简单、坚固可靠、成本低等优点。除可以取代已有的电气传动调速系统(如直流调速系统、变频调速系统)外，开关磁阻电动机调速系统还十分适用于矿山井下机电设备需要重载启动、频繁启动、正反转、长期低速运行的应用场合，如无极绳牵引车、电牵引采煤机、刮板输送机等。 据有关资料统计，我国煤矿辅助运输职员约占井下职工总数的1/3，且矿井每采百万吨煤需要1200 ~ 1500名职工从事辅助运输，用工量是发达国家的7 ~ 10倍。其主要原因就是我国煤矿辅助运输系统落后，效率太低，大多数煤矿的辅助运输系统仍然是小绞车、小蓄电池机车等多段分散落后的传统方式，严重影响矿井生产效率和煤矿安全生产。随着当前大中型矿井的建设，矿井辅助运输设计与选型是矿井建设的重要课题之一，提高矿井辅助运输的装备水平对确保矿井生产产量进步具有极其深远的意义。 目前，我国矿用机械交流电动机采用较多的调速方式主要有交流变频调速和开关磁阻电动机调速。交流变频技术硬件成本较高、控制电路复杂且不宜进行维护和维修，特别是国内的公司现在还未能很好地掌握变频器核心技术，产品基本上依靠国外进口，不能针对矿井特殊的应用条件将变频器加以改进和设计，较难适应矿用要求。开关磁
开关磁阻电机调速系统 开关磁阻电机调速系统(Switched Reluctance Driver，简称SRD)是以现代电力电子与微机控制技术为基础的机电—体化产品。除了具有显著的节能效果外，开关磁阻电机的理论研究和实践证明，它与常用的三相异步电动机相比还有以下优点: 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.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； 3.调速范围宽，控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩；λ λ 4.在宽广的转速和功率范围内都具有高效率； 5.损耗主要产生在定子，电机易于冷却，转子无永磁体，无高温退磁现象；λλ 6.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； 7.功率变换器不会出现直通故障，可靠性高；λ λ 8.能四象限运作，具有较强的再生制动能力； 开关磁阻电机调速系统(SRD) 开关磁阻电机调速系统(SRD)是当今世界最新、性能价格比最高的调速系统。它是一种基于改变供电电源频率的调速方式——交流变频调速系统应运而生。而开关磁阻电机调速系统(又称开关磁阻电机驱动系统)简称SRD系统,是它们中崭新的一种系统,并且已经是智能化和模块化,不仅调速性优越，而且各种保护功能也很完善，已在很多方面大量使用。这项技术一经问世，便以其宽广的调速范围，良好的机械特性，卓越的启动制动性能，节能，易维护等一系列突出优点而引起电气及其他行业的关注。SRD系统是磁阻电动机和电力电子技术相结合而产生的一种机电一体化装置,主要由SRM开关磁阻电动机、功率变换器、单片机(或DSP 芯片)、电流及位置检测器等五大部分组成。其组成与特点： 1.1开关磁阻电动机(Switched Reluctance Motor,简称SRM) 是系统中实现能量转换的部件, 它与传统的磁阻电动机相比，具有本质的区别。在结构上，SRM采用双凸极形式，即定子、转子均为凸极式构造；定子线圈采用集中式而不是分布式绕组；加在定子绕组上的电压为不连续的矩形波而非连续的正弦波。转子仅由硅钢片叠压而成，既无绕组也无永磁体，定子各极上绕有集中绕组。图2所示为8/6极（定子八极、转子六极）四相SRM剖面图. SRM有两种独特的运行方式：低速时采用电流斩波方式；高速时采用单脉冲角度控制方式。在电流斩波方式中，系统是通过调节相绕组电流的大小来控制转矩，因此能准确知道绕组中实际电流的大小，对电流进行反馈是很必要的；在角度位置控制方式中，系统通过调节触发角和关断角来实现对转矩的控制，此时电流己不再作为控制量，但为了防止系统过载或故障则要进行过流保护，所以系统中需要进行电流检测。 1.11开关磁阻电动机(SRM)工作原理遵循“磁阻最小原理”，通电后，磁路有向磁阻最小路径变或化的趋势。当转子凸极与电子凸极错位时，气隙大、磁阻大：一旦定子磁极绕组通
开关磁阻电机的基本学习内容 1 开关磁阻电机的基本原理以及结构 开关磁阻电动机(Switched Reluctance Motor ，简称SRM) 定转子为双凸极结构，铁心均由普通硅钢片叠压而成，其定子极上有集中绕组，径向相对的两个绕组串联构成一相，转子非永磁体，其上也无绕组[1,3]。SRM 的定转子极数必须满足如下约束关系： s r s N =2km N = N + 2k (1-1) 其中，Ns ，Nr 分别为电机定、转子数；m 为电机相数值减1；k 为一常数。以下图1-1所示一个典型四相8/6极SRM 为例，相数为4，因而m=3，取k=1，则Ns=6，Nr=8。m 及k 值越高，越利于高控制性能控制，但相应成本越高，结构越复杂。目前技术较为成熟，发展较为迅速的产品多为三、四相SRM [2]。
图1-1即为一典型四相8/6结构的SRM电机本体及其不对称功率变换器主电路的示意图（图1-1在末尾手画）。为表述清晰，图中仅画出不对称半桥电路的一相，其他各相均与该相相同，并省略了相应的驱动及检测电路。完整的开关磁阻电机调速系统（Switched Reluctance Motor Drive，简称SRD）则由SRM、功率变换器、控制器、位置检测器等四大部分组成，如下图1-2示。 SRM可以认为是同步电机的一个分支，它运行时遵循磁阻最小原理，同步进电机较为类似[2,30]。其具体运行原理如下：首先要保证励磁相的定子凸极和最近的转子凹极中心线不重合，也即初始位移不能位于磁阻最小位置。通以交流电后，经过一个整流桥变为直流电源，当开关S1和S2开通时，AA’相通电励磁，产生一个磁拉力。在该电磁力的轴向分量作用下，产生电磁转矩，凸极转子铁心趋向于旋转到定转子极轴线B-B’与A-A’重合的位置；而电磁力的径向力分量则造成定子的“变形”，这也是产生转矩脉动和电机噪声的根本原因之一。在该过程中电机吸收电能。关断S1和S2，开通BB’相，此时AA’相经续流二极管VD1、VD2将电能回馈给电源，同时BB’相趋向运行到定转子极轴线C-C’与B-B’重合的位置。以此类推，顺次给A→B→C→D相循环励磁，在惯性和轴向力的作用下，转子将一直逆着励磁顺序旋转，从而完成自同步运行。同理若改变励磁顺序为C→B→A→D，则转子沿顺时针方向转动。由此可以看出， SRM与直流电机不同，其运行方向与相电流方向无关，而仅与相绕组通电顺序有关。 图1-2开关磁阻电机调速系统构成
开关磁阻电动机原理 Switched Reluctance Motor 开关磁阻电动机（SR）是近些年发展的新型调速电机，结构简单结实、调速范围宽且性能好，现已广泛用在仪器仪表、家电、电动汽车等领域。 下面通过一个开关磁阻电动机原理模型来介绍工作原理。 双凸极结构 磁阻电机的定子铁芯有六个齿极，由导磁良好的硅钢片冲制后叠成，见下图。 磁阻电机定子铁芯 磁阻电机的转子铁芯有四个齿极，由导磁良好的硅钢片冲制后叠成，见下图。 磁阻电机转子铁芯
与普通电机一样，转子与定子直接有很小缝隙，转子可在定子内自由转动，见下图。 双凸极结构的定子铁芯与转子铁芯 由于定子与转子都有凸起的齿极，这种形式也称为双凸极结构。在定子齿极上绕有线圈（定子绕组），是向电机提供工作磁场的励磁绕组。 定子铁芯上有励磁绕组 在转子上没有线圈，这是磁阻电机的主要特点。在讲电动机工作原理时常用通电导线在磁场中受力来解释电动机旋转的道理，但磁阻电机转子上没有线圈，也无“鼠笼”，那是靠什么力推动转子转动呢？磁阻电动机则是利用磁阻最小原理，也就是磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，利用齿极间的吸引
力拉动转子旋转。 三相6/4结构工作原理 下面通过图示来说明转子的工作原理，下面是磁阻电动机的正视图，定子六个齿极上绕有线圈，径向相对的两个线圈连接在一起（标有紫色圆点的线端连接在一起），组成一“相”，该电机有3相，结合定子与转子的极数就称该电机为三相6/4结构。在下图标注的A相、B相、C相线圈仅为后面分析磁路带来方便，并不是连接普通的三相交流电。 磁阻电机励磁绕组分布图 在下面有一组磁阻电动机运转原理动画的截图，从中我们将看到磁阻电动机是如何转动起来的。A 相、B相、C相线圈由开关控制电流通断，图中红色的线圈是通电线圈，黄色的线圈没有电流通过；通过定子与转子的深蓝色线是磁力线；约定转子启动前的转角为0度。 从左面图起，A相线圈接通电源产生磁通，磁力线从最近的转子齿极通过转子铁芯，磁力线可看成极有弹力的线，在磁力的牵引下转子开始异时针转动；中间图是转子转了10度的图，右面图是转到20度的图，磁力一直牵引转子转到30度为止，到了30度转子不再转动，此时磁路最短。
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)实用新型专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201920246725.7 (22)申请日 2019.02.27 (73)专利权人 长沙硕博电子科技股份有限公司 地址 410000 湖南省长沙市高新开发区麓 天路28号金瑞麓谷科技园B-2栋102 (72)发明人 郭彦蕊 张涛 熊英 (74)专利代理机构 北京易捷胜知识产权代理事 务所(普通合伙) 11613 代理人 齐胜杰 (51)Int.Cl. H02K 1/14(2006.01) H02K 1/24(2006.01) H02K 1/27(2006.01) H02K 3/28(2006.01) H02P 25/08(2016.01) (ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利 (54)实用新型名称两相永磁开关磁阻电机(57)摘要本申请提供了一种两相永磁开关磁阻电机，该两相永磁开关磁阻电机包括：定子和转子；定子包括定子铁芯，定子轭，定子磁极，定子磁极绕组，A相双极性位置传感器，B相双极性位置传感器；转子包括转子铁芯，转子磁极，转子轭，永磁体，转子轴，前压板，后压板；定子磁极数是转子磁极数的两倍；定子磁极均匀分布在定子内圆周上。本申请的定子包括定子铁芯，定子轭，定子磁极，定子磁极绕组，A相和B相双极性位置传感器；转子包括转子铁芯，转子磁极，转子轭，永磁体，转子轴，前压板，后压板；定子磁极数是转子磁极数的两倍；定子磁极均匀分布在定子内圆周上，克服了普通开关磁阻电机单边励磁工作带来的诸多不足， 提高了电机效率和功率密度。权利要求书2页 说明书9页 附图11页CN 209267286 U 2019.08.16 C N 209267286 U
开关磁阻电机 一、概述 开关磁阻电动机结构简单、可靠性高、恒转矩、恒功率而且调速性能好(覆盖功率范围10W～5MW的各种高、低速驱动调速系统)、价格便宜、鲁棒性好等优点引起了各国电气传动界的广泛重视，由其构成的调速系统兼有直流传动和普通交流传动的优点，是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统的最新一代无级调速系统。这种新型调速系统使开关磁阻电机存在许多潜在的领域，在各种需要调速和高效率的场合均能得到广泛使用。 开关磁组电机调速系统之所以能在现代调速系统中异军突起，主要是因为它卓越的系统性能，主要表现在： (1) 电动机结构简单、成本低、可用于高速运转。 (2)功率电路简单可靠。 (3)系统可靠性高。 (4)起动转矩大，起动电流低。典型产品的数据是：起动电流为额定电流的15％时， 获得起动转矩为100％的额定转矩；起动电流为额定电流的30％时，起动转矩叮 达其额定转矩的250％。 (5)适用于频繁起停及正反向转换运行。 (6)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：相导通角、相关断角、相电流幅值、相绕组电压。 (7)效率高，损耗小。以3kw SRD为例，其系统效率在很宽范围内都是在87％ 以上，这是其它一些调速系统不容易达到的。 (8)可通过机和电的统一协调设计满足各种特殊使用要求。 二、开关磁阻电动机的结构 图1-1开关磁阻电机结构图
典型的三相开关磁阻电动机的结构如图1-1所示。其定子和转子均为凸极结构，图示电机的定子有8个极，转子有6个极。定子极上套有集中线圈，两个空间位置相对的极 上的线圈顺向串联构成一相绕组，图2-1中只画出了A相绕组；转子由硅钢片叠压而成，转子上无绕组。该电机则称三相8/6极开关磁阻电动机。在结构形式及工作原理上，开关磁阻电动机与大步距反应式步进电机并无差别；但在控制方式上步进电机应归属于他控式变频，而开关磁阻电动机则归属于自控式变频；在应用上步进电机都用作“控制电机”而开关磁阻电机则是拖动用电机，因此电机设计时所追求的目标不同而使电机的设计参数不同。 与反应式步进电动机相似，开关磁阻电动机是双凸极可变磁阻电动机。图1-1给出了以8/6极开关磁阻电机为例的结构原理图，图中仅给出了一相的绕组及外围功率开关电路，从这个结构原理图中可以清晰的看到，开关磁阻电动机是双凸极结构，其转子上没有任何形式的绕组，也无永磁体，而定子上只有简单的集中绕组，其中径向相对的两个绕组构成一相。电动机每一相中流过的电流是由外围功率开关电路中的开关根据转子位置的变化，进行相应的通断而获得的。 图1-1中给出的开关磁阻电动机是四相的，通常情况下开关磁阻电动机可以设计成多种不同相数的结构，如两相、三相、四相或更多相，当相数增加时其结构将变得更复杂，相应的外围电路所使用的器件也相应增加。开关磁阻电动机极数的设计也有多种形式，但是定、转子极数和相数要遵循一定的关系。即定子极数应为相数的2倍或2的整数倍； 而转子极数应不等于定子极数且一般转子极数少于定子极数但都是偶数极[2]。由于开关磁阻电动机相数与极数的设计，低于三相的电动机没有自起动能力，对于有自启动、四象限运行要求的驱动场合，应选用表1-1所对应的定、转子极数组合方案。 表2-1 开关磁阻电动机各种方案
2010 年5 月 摘要 开关型磁阻电动机驱动系统(Switched Reluctance Drive，简称SRD电动机)。是20世纪80年代迅猛发展起来的一种新型调速电机驱动系统。它是由功率变换电路、双凸极磁阻电机、控制器及位置检测器构成。它的结构极其简单，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，是各国研究和开发的热点之一。 本文介绍了开关磁阻电机的发展历史,应用领域以及它的优点；对三相6/4结构的开关磁阻电机与四相8/6结构的开关磁阻电机进行了比较；对开关磁阻电机的电磁设计与参数优化进行了分析与研究，简单介绍了ANSYS软件在开关磁阻电机电磁分析中的应用；提出8/6结构开关磁阻电机的一种设计方案；并对开关磁阻电机的磁通波形和电机损耗进行了分析。 关键词: 开关磁阻电机，磁场，电磁设计，参数优化
ABSTRACT The switched reluctance drive (SRD) is a new-type drived-electromotor system which develops rapidly since 1980, and consists of power converter circuits、the doubly-salient reluctance motor、the controller and the examination of position. The structure of the SRD is simple. It has a wide range and excellent performance in speed. It also has a high efficiency and high reliability. So the SRD is one of the hot spots which is studied and designed all over the world. This thesie introduced the SRD development history, the application domain as well as its merit; comparison to the three-phase 6/4 structure SRD with four-phase 8/6 structure SRD overall performance. also analysis and research SRD electromagnetism design and parameter optimization, and introduced ANSYS software in SRD electromagnetism analysis application; Proposes 8/6 structure SRD one kind of design proposal; And analysis to the switched reluctance drive magnetic flux profile and the loss of machine. Keywords:switched reluctance motor, magnetic field, electromagn- etism design, parameter optimization
开关磁阻电动机原理 资料来源：https://www.doczj.com/doc/9715888567.html,/zindex01.html 开关磁阻电动机（SR）是近些年发展的新型调速电机，结构简单结实、调速范围宽且性能好，现已广泛用在仪器仪表、家电、电动汽车等领域。 下面通过一个开关磁阻电动机原理模型来介绍工作原理。 双凸极结构 磁阻电机的定子铁芯有六个齿极，由导磁良好的硅钢片冲制后叠成，见下图。 磁阻电机定子铁芯 磁阻电机的转子铁芯有四个齿极，由导磁良好的硅钢片冲制后叠成，见下图。 磁阻电机转子铁芯
与普通电机一样，转子与定子直接有很小缝隙，转子可在定子内自由转动，见下图。 双凸极结构的定子铁芯与转子铁芯 由于定子与转子都有凸起的齿极，这种形式也称为双凸极结构。在定子齿极上绕有线圈（定子绕组），是向电机提供工作磁场的励磁绕组。 定子铁芯上有励磁绕组 在转子上没有线圈，这是磁阻电机的主要特点。在讲电动机工作原理时常用通电导线在磁场中受力来解释电动机旋转的道理，但磁阻电机转子上没有线圈，也无“鼠笼”，那是靠什么力推动转子转动呢？磁阻电动机则是利用磁阻最小原理，也就是磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，利用齿极间的吸引力拉动转子旋转。
三相6/4结构工作原理 下面通过图示来说明转子的工作原理，下面是磁阻电动机的正视图，定子六个齿极上绕有线圈，径向相对的两个线圈连接在一起（标有紫色圆点的线端连接在一起），组成一“相”，该电机有3相，结合定子与转子的极数就称该电机为三相6/4结构。在下图标注的A相、B相、C相线圈仅为后面分析磁路带来方便，并不是连接普通的三相交流电。 磁阻电机励磁绕组分布图 在下面有一组磁阻电动机运转原理动画的截图，从中我们将看到磁阻电动机是如何转动起来的。A相、B相、C相线圈由开关控制电流通断，图中红色的线圈是通电线圈，黄色的线圈没有电流通过；通过定子与转子的深蓝色线是磁力线；约定转子启动前的转角为0度。 从左面图起，A相线圈接通电源产生磁通，磁力线从最近的转子齿极通过转子铁芯，磁力线可看成极有弹力的线，在磁力的牵引下转子开始异时针转动；中间图是转子转了10度的图，右面图是转到20度的图，磁力一直牵引转子转到30度为止，到了30度转子不再转动，此时磁路最短。 磁阻电机工作原理示意图-1 为了使转子继续转动，在转子转到30度前已切断A相电源在30度时接通B相电源，磁通从最近的转子齿极通过转子铁芯，见下左图，于是转子继续转动。中间图是转子转到40度的图，右面图是转到50度的图，磁力一直牵引转子转到60度为止。 磁阻电机工作原理示意图-2