開關磁阻電機發展概況及市場趨勢

一、開關磁阻電機發展簡介 

開關磁阻電機是80年代初隨著電力電子、微電腦和控制技術的迅猛發展而發展起來的一種新型調速驅動系統，具有結構簡單、運行可靠及效率高等突出特點，成為交流電機調速系統、直流電機調速系統和無刷直流電機調速系統的強有力的競爭者，引起各國學者和企業界的廣泛關注。跨國電機公司Emerson電氣公司還將開關磁阻電機視為其下世紀調速驅動系統的新的技術、經濟增長點。目前開關磁阻電機已廣泛或開始應用于工業、航空業和家用電器等各個領域。 
1970年，英國Leeds大學步進電機研究小組首創一個開關磁阻電機（Switched Reluctance Motor, SRM）雛形，這是關于開關磁阻電機最早的研究。1972年，進一步對帶半導體開關的小功率電動機（10w～1kw）進行了研究。到了1975年有了實質性的進展，并一直發展到可以為50kw的電瓶汽車提供裝置。1980年在英國成立了開關磁阻電機驅動裝置有限公司（SRD Ltd.），專門進行SRD系統的研究、開發和設計。1983年英國（SRD Ltd.）首先推出了SRD系列產品，該產品命名為OULTON。1984年TASC驅動系統公司也推出了他們的產品。另外SRD Ltd. 研制了一種適用于有軌電車的驅動系統，到1986年已運行500km。該產品的出現，在電氣傳動界引起不小的反響。在很多性能指標上達到了出人意料的高水平，整個系統的綜合性能價格指標達到或超過了工業中長期廣泛應用的一些變速傳動系統。 

從上世紀90年代國際會議的上有關SRD系統的文章來看，對SRD系統的研究工作已經從論證它的優點、開發應用階段進入到設計理論、優化設計研究階段。對SR電機、控制器、功率變換器等的運行理論、優化設計、結構形式等方面進行了更加深入的研究。 

二、原理簡介及優越性簡介 

開關磁阻電動機驅動系統（SRD）是較為復雜的機電一體化裝置，SRD的運行需要在線實時檢測的反饋量一般有轉子位置、速度及電流等，然后根據控制目標綜合這些信息給出控制指令，實現運行控制及保護等功能。轉子位置檢測環節是SRD的重要組成部分，檢測到的轉子位置信號是各相主開關器件正確進行邏輯切換的根據，也為速度控制環節提供了速度反饋信號。 
開關磁阻電機具有再生的能力，系統效率高。對開關磁阻電機的理論研究和實踐證明，該系統具有許多顯著的優點： 
（1）電機結構簡單、堅固，制造工藝簡單，成本低，可工作于極高轉速；定子線圈嵌放容易，端部短而牢固，工作可靠，能適用于各種惡劣、高溫甚至強振動環境。 
（2）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。 
（3）轉矩方向與電流方向無關，從而可最大限度簡化功率變換器，降低系統成本。 
（4）功率變換器不會出現直通故障，可靠性高。 
（5）起動轉矩大，低速性能好，無感應電動機在起動時所出現的沖擊電流現象。 
（6）調速范圍寬，控制靈活，易于實現各種特殊要求的轉矩－速度特性。 
（7）在寬廣的轉速和功率范圍內都具有高效率 
（8）能四象限運行，具有較強的再生制動能力。 
（9）容錯能力強。開關磁阻電機的容錯體現在電機某一相損壞，電機照樣可以運行。 
與當前廣泛應用的變頻調速感應電動機相比，開關磁阻電機在成本、效率、調速性能、單位體積功率、可靠性、散熱性等都具有明顯的優勢或競爭力。 
如果說第一代開關磁阻電機（1983年研制）在小功率范圍的效率比高效變頻調速感應電動機低，第二代開關磁阻電機（1988年研制）的效率已全面超過了高效變頻調速感應電動機。更難得的是，開關磁阻電機在寬廣的速度和功率范圍內都能保持較高的效率，這是變頻調速感應電動機難以比擬的。感應電動機要取得與直流電機相近的調速特性需采用復雜的矢量控制系統，而開關磁阻電機通過調整開通角、關斷角、電壓和電流，可以得到不同負載要求的機械特性，控制簡單、靈活，能容易地實現軟啟動和四象限運行，而且由于這是一種純邏輯的控制方式，很容易智能化，通過修改軟件調整電機工作特性滿足不同應用要求。 
由于開關磁阻電機固有的轉矩波動，可能導致較大的噪聲和振動，事實上這種情況的發生往往與電機設計和控制的不合理相關，通過優化電機設計和控制策略，轉矩波動和噪聲完全可以得到有效的抑制，正確認識到這一點對開關磁阻電機的開發和應用是很重要的。SRD Ltd.公司開發的伺服應用開關磁阻電機，轉矩波動僅為0.05%。近年研究的最優勵磁控制策略、兩次換流控制策略、電機噪聲根源、定子振動模態、定子固有頻率計算等成果對降低電機噪聲都有積極的促進作用。隨著設計和制造水平的提高，噪聲必將進一步降低。 

三、開關磁阻電機的應用 

近年來，開關磁阻電機的應用和發展取得了明顯的進步，已成功地應用于電動車驅動、通用工業、家用電器和紡織機械等各個領域，功率范圍從10W到5MW，最大速度高達100000 r/min。 

3.1 電動車應用 
開關磁阻電機最初的應用領域就是電動車。目前電動摩托車和電動自行車的驅動電機主要有永磁無刷及永磁有刷兩種，然而采用開關磁阻電機驅動有其獨特的優勢。當高能量密度和系統效率為關鍵指標時，開關磁阻電機變為首選對象。 

SRD開關磁阻電機驅動系統的電機結構緊湊牢固，適合于高速運行，并且驅動電路簡單成本低、性能可靠，在寬廣的轉速范圍內效率都比較高，而且可以方便地實現四象限控制。這些特點使SRD開關磁阻電機驅動系統很適合電動車輛的各種工況下運行，是電動車輛中極具有潛力的機種。SRD的最大特點是轉矩脈動大，噪聲大；此外，相對永磁電機而言，功率密度和效率偏低；另一個缺點是要使用位置傳感器，增加了結構復雜性，降低了可靠性。因此無傳感器的SRD也是未來的發展趨勢之一。其優點主要表現在以下幾個方面： 
（1）開關磁阻電機不僅效率高，而且在很寬的功率和轉速范圍內都能保持高效率，這是其它類型驅動系統難以達到的。這種特性對電動車的運行情況尤為適合，有利于提高電動車的續駛里程。 
（2）開關磁阻電機很容易通過采用適當的控制策略和系統設計滿足電動車四象限運行的要求，并且還能在高速運行區域保持強有力的制動能力。 
（3）開關磁阻電機有很好的散熱特性，從而能以小的體積取得較大的輸出功率，減小電機體積和重量。 
（4）通過調整開通角和關斷角，開關磁阻電機完全可以達到它激直流電機驅動系統良好的控制特性，而且這是一種純邏輯的控制方式，很容易智能化，從而能通過重新編程或替換電路元件，方便地滿足不同運行特性的要求。 
（5）開關磁阻電機無論電機還是功率變換器都十分堅固可靠，無需或很少需要維護，適用于各種惡劣、高溫環境，具有良好的適應性。 
3.2 紡織工業應用 
近十多年來我國紡織機械行業的機電一體化水平有了較明顯的提高，在新型紡織機械上普遍采用了機電一體化技術。這項技術的內容包含了先進的信息處理和控制技術，即以計算機為核心，有PLC、工控機、單片機、人機界面、現場總線等組成的控制系統；先進的驅動技術，有變頻調速，交流伺服，步進電機等；檢測傳感技術和執行機構；精密機械技術等。棉紡織設備較有代表性的機電一體化產品，例如新型的粗紗機、分條整經機、漿紗機等。其中， 
無梭織機的主傳動技術也有了新的突破：采用開關磁阻電機作為無梭織機的主傳動帶來許多好處，減少傳動齒輪、不用皮帶和皮帶盤，不用電磁離合器和剎車盤，不用尋緯電機，節能10%等優點，國內已有開關磁阻電機和驅動器的產品（北京中紡機電研究所），目前還在與無梭織機主機廠合作，共同開發應用技術，希望能盡快取得成功，填補國內空白。 
3.3 焦炭工業應用 
開關磁阻電機（SRD）因其起動力矩大、 起動電流小，可以頻繁重載起動，無需其它的電源變壓器，節能，維護簡單，特別適用于礦井輸送機、電牽引采煤機及中小型絞車等。 

90年代英國已研制成功300kW的開關磁阻電機，用于刮板輸送機，效果很好。我國已研制成功110kW的開關磁阻電機用于矸石山絞車 、132kW的開關磁阻電機用于帶式輸送機拖動，良好的起動和調速性能受到工人們的歡迎。 我國還將開關磁阻電機用于電牽引采煤機牽引，運行試驗表明新型采煤機性能良好。此外還成功地將開關磁阻電機用于電機車，提高了電機車運行的可靠性和效率。 
3.4 家電行業應用 
隨著人們生活水平的提高，洗衣機已逐漸深入千家萬戶，洗衣機也經歷了手動機械洗衣機、半自動洗衣機、全自動洗衣機的發展過程，并不斷智能化。洗衣機電機也由簡單的有級調速電機發展為無級調速電機。開關磁阻電機由于低成本、高性能、智能化已開始應用于洗衣機，在美國高檔洗衣機中已小批量采用，并取得明顯的優點： 
（1）很低的洗滌速度。 
（2）良好的衣物分布性。 
（3）滾筒平衡性好。 
（4）快速安全停機。 
（5）軟起動。 
（6）電流限幅。 
（7）最大速度高，低速轉矩大。 
（8）機械特性易調整。 
（9）對水溫、水流等易于智能控制。
 
四、開關磁阻電機的發展趨勢展望 

作為一種新型調速驅動系統，開關磁阻電機以其結構簡單、低成本、高效率、優良的調速性能和靈活的可控性，愈來愈得到人們的認可和應用。目前已成功應用于在電動車用驅動系統、家用電器、工業應用、伺服系統、高速驅動、航空航天等眾多領域中，成為交流電機調速系統、直流電機調速系統和無刷直流電機調速系統的強有力競爭者。 
美國、加拿大、南斯拉夫、埃及等國家都開展了SRD系統的研制工作。在國外的應用中，SRD一般用于牽引中，例如電瓶車和電動汽車。同時高速性能是SRD的一個特長的方向。據報道，美國為空間技術研制了一個25000r/min、90kW的高速SRD樣機。SRD系統的研究已被列入我國中、小型電機“八五”、“九五”和“十五”科研規劃項目。 

華中科技大學開關磁阻電機課題組在“九五”項目中研制出使用SRD的純電動轎車，在“十五”項目中將SRD應用到混合動力城市公交車，均取得了較好的運行效果。紡織機械研究所將SRD應用于毛巾印花機、卷布機，煤礦牽引及電動車輛等，取得了顯著的經濟效益。 

近年來功率電子技術,數字信號處理技術和控制技術的快速發展，而且隨著智能技術的不斷成熟及高速高效低價格的數字信號處理芯片（DSP）的出現，利用高性能DSP開發各種復雜算法的間接位置檢測技術,無需附加外部硬件電路，大大提高了開關磁阻電機檢測的可靠性和適用性,必將更大限度地顯示SRD的優越性。 

90年代進一步以計算機控制的柔性制造系統、主體倉庫、機器人進行裝配等組合起來，由計算機控制材料、部件的供應管理、達到全廠高效率、高質量的全自動化均衡生產，設計和制造水平不斷提高，專用控制芯片和集成功率器件不斷被開發出來，開關磁阻電機性能和適用性不斷增強。隨著國民經濟建設的日益發展，各行各業的機械化、自動化程度越來越高，為開關磁阻電機提供了巨大的潛在市場。