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內容簡(jiǎn)介：華中科技大學(xué)開(kāi)關(guān)磁阻電機課題組在“九五”項目中研制出使用SRD的純電動(dòng)轎車(chē)，在“十五”項目中將SRD應用到混合動(dòng)力城市公交車(chē)，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(dòng)車(chē)輛等，取得了顯著(zhù)的經(jīng)濟效益。

      開(kāi)關(guān)磁阻電機是80年代初隨著(zhù)電力電子、微電腦和控制技術(shù)的迅猛發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的一種新型調速驅動(dòng)系統，具有結構簡(jiǎn)單、運行可靠及效率高等突出特點(diǎn)，成為交流電機調速系統、直流電機調速系統和無(wú)刷直流電機調速系統的強有力的競爭者，引起各國學(xué)者和企業(yè)界的廣泛關(guān)注。跨國電機公司Emerson電氣公司還將開(kāi)關(guān)磁阻電機視為其下世紀調速驅動(dòng)系統的新的技術(shù)、經(jīng)濟增長(cháng)點(diǎn)。目前開(kāi)關(guān)磁阻電機已廣泛或開(kāi)始應用于工業(yè)、航空業(yè)和家用電器等各個(gè)領(lǐng)域。
      1970年，英國Leeds大學(xué)步進(jìn)電機研究小組首創(chuàng )一個(gè)開(kāi)關(guān)磁阻電機（Switched Reluctance Motor, SRM）雛形，這是關(guān)于開(kāi)關(guān)磁阻電機最早的研究。1972年，進(jìn)一步對帶半導體開(kāi)關(guān)的小功率電動(dòng)機（10w～1kw）進(jìn)行了研究。到了1975年有了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，并一直發(fā)展到可以為50kw的電瓶汽車(chē)提供裝置。1980年在英國成立了開(kāi)關(guān)磁阻電機驅動(dòng)裝置有限公司（SRD Ltd.），專(zhuān)門(mén)進(jìn)行SRD系統的研究、開(kāi)發(fā)和設計。1983年英國（SRD Ltd.）首先推出了SRD系列產(chǎn)品，該產(chǎn)品命名為OULTON。1984年TASC驅動(dòng)系統公司也推出了他們的產(chǎn)品。另外SRD Ltd. 研制了一種適用于有軌電車(chē)的驅動(dòng)系統，到1986年已運行500km。該產(chǎn)品的出現，在電氣傳動(dòng)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(gè)系統的綜合性能價(jià)格指標達到或超過(guò)了工業(yè)中長(cháng)期廣泛應用的一些變速傳動(dòng)系統。

      從上世紀90年代國際會(huì )議的上有關(guān)SRD系統的文章來(lái)看，對SRD系統的研究工作已經(jīng)從論證它的優(yōu)點(diǎn)、開(kāi)發(fā)應用階段進(jìn)入到設計理論、優(yōu)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(yōu)化設計、結構形式等方面進(jìn)行了更加深入的研究。

二、原理簡(jiǎn)介及優(yōu)越性簡(jiǎn)介

      開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機驅動(dòng)系統（SRD）是較為復雜的機電一體化裝置，SRD的運行需要在線(xiàn)實(shí)時(shí)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(shí)現運行控制及保護等功能。轉子位置檢測環(huán)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(kāi)關(guān)器件正確進(jìn)行邏輯切換的根據，也為速度控制環(huán)節提供了速度反饋信號。
開(kāi)關(guān)磁阻電機具有再生的能力，系統效率高。對開(kāi)關(guān)磁阻電機的理論研究和實(shí)踐證明，該系統具有許多顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn)：
（1）電機結構簡(jiǎn)單、堅固，制造工藝簡(jiǎn)單，成本低，可工作于極高轉速；定子線(xiàn)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(dòng)環(huán)境。
（2）損耗主要產(chǎn)生在定子，電機易于冷卻；轉子無(wú)永磁體，可允許有較高的溫升。
（3）轉矩方向與電流方向無(wú)關(guān)，從而可最大限度簡(jiǎn)化功率變換器，降低系統成本。
（4）功率變換器不會(huì )出現直通故障，可靠性高。
（5）起動(dòng)轉矩大，低速性能好，無(wú)感應電動(dòng)機在起動(dòng)時(shí)所出現的沖擊電流現象。
（6）調速范圍寬，控制靈活，易于實(shí)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(dòng)能力。
（9）容錯能力強。開(kāi)關(guān)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(dòng)機相比，開(kāi)關(guān)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(yōu)勢或競爭力。
      如果說(shuō)第一代開(kāi)關(guān)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(dòng)機低，第二代開(kāi)關(guān)磁阻電機（1988年研制）的效率已全面超過(guò)了高效變頻調速感應電動(dòng)機。更難得的是，開(kāi)關(guān)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(dòng)機難以比擬的。感應電動(dòng)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(kāi)關(guān)磁阻電機通過(guò)調整開(kāi)通角、關(guān)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(jiǎn)單、靈活，能容易地實(shí)現軟啟動(dòng)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(guò)修改軟件調整電機工作特性滿(mǎn)足不同應用要求。
由于開(kāi)關(guān)磁阻電機固有的轉矩波動(dòng)，可能導致較大的噪聲和振動(dòng)，事實(shí)上這種情況的發(fā)生往往與電機設計和控制的不合理相關(guān)，通過(guò)優(yōu)化電機設計和控制策略，轉矩波動(dòng)和噪聲完全可以得到有效的抑制，正確認識到這一點(diǎn)對開(kāi)關(guān)磁阻電機的開(kāi)發(fā)和應用是很重要的。SRD Ltd.公司開(kāi)發(fā)的伺服應用開(kāi)關(guān)磁阻電機，轉矩波動(dòng)僅為0.05%。近年研究的最優(yōu)勵磁控制策略、兩次換流控制策略、電機噪聲根源、定子振動(dòng)模態(tài)、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(jìn)作用。隨著(zhù)設計和制造水平的提高，噪聲必將進(jìn)一步降低。

三、開(kāi)關(guān)磁阻電機的應用

      近年來(lái)，開(kāi)關(guān)磁阻電機的應用和發(fā)展取得了明顯的進(jìn)步，已成功地應用于電動(dòng)車(chē)驅動(dòng)、通用工業(yè)、家用電器和紡織機械等各個(gè)領(lǐng)域，功率范圍從10W到5MW，最大速度高達100000 r/min。

3.1 電動(dòng)車(chē)應用
      開(kāi)關(guān)磁阻電機最初的應用領(lǐng)域就是電動(dòng)車(chē)。目前電動(dòng)摩托車(chē)和電動(dòng)自行車(chē)的驅動(dòng)電機主要有永磁無(wú)刷及永磁有刷兩種，然而采用開(kāi)關(guān)磁阻電機驅動(dòng)有其獨特的優(yōu)勢。當高能量密度和系統效率為關(guān)鍵指標時(shí)，開(kāi)關(guān)磁阻電機變?yōu)槭走x對象。

      SRD開(kāi)關(guān)磁阻電機驅動(dòng)系統的電機結構緊湊牢固，適合于高速運行，并且驅動(dòng)電路簡(jiǎn)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(shí)現四象限控制。這些特點(diǎn)使SRD開(kāi)關(guān)磁阻電機驅動(dòng)系統很適合電動(dòng)車(chē)輛的各種工況下運行，是電動(dòng)車(chē)輛中極具有潛力的機種。SRD的最大特點(diǎn)是轉矩脈動(dòng)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(gè)缺點(diǎn)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(wú)傳感器的SRD也是未來(lái)的發(fā)展趨勢之一。其優(yōu)點(diǎn)主要表現在以下幾個(gè)方面：
（1）開(kāi)關(guān)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(lèi)型驅動(dòng)系統難以達到的。這種特性對電動(dòng)車(chē)的運行情況尤為適合，有利于提高電動(dòng)車(chē)的續駛里程。
（2）開(kāi)關(guān)磁阻電機很容易通過(guò)采用適當的控制策略和系統設計滿(mǎn)足電動(dòng)車(chē)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(dòng)能力。
（3）開(kāi)關(guān)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(guò)調整開(kāi)通角和關(guān)斷角，開(kāi)關(guān)磁阻電機完全可以達到它激直流電機驅動(dòng)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(guò)重新編程或替換電路元件，方便地滿(mǎn)足不同運行特性的要求。
（5）開(kāi)關(guān)磁阻電機無(wú)論電機還是功率變換器都十分堅固可靠，無(wú)需或很少需要維護，適用于各種惡劣、高溫環(huán)境，具有良好的適應性。
3.2 紡織工業(yè)應用
      近十多年來(lái)我國紡織機械行業(yè)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(shù)。這項技術(shù)的內容包含了先進(jìn)的信息處理和控制技術(shù)，即以計算機為核心，有PLC、工控機、單片機、人機界面、現場(chǎng)總線(xiàn)等組成的控制系統；先進(jìn)的驅動(dòng)技術(shù)，有變頻調速，交流伺服，步進(jìn)電機等；檢測傳感技術(shù)和執行機構；精密機械技術(shù)等。棉紡織設備較有代表性的機電一體化產(chǎn)品，例如新型的粗紗機、分條整經(jīng)機、漿紗機等。其中，
無(wú)梭織機的主傳動(dòng)技術(shù)也有了新的突破：采用開(kāi)關(guān)磁阻電機作為無(wú)梭織機的主傳動(dòng)帶來(lái)許多好處，減少傳動(dòng)齒輪、不用皮帶和皮帶盤(pán)，不用電磁離合器和剎車(chē)盤(pán)，不用尋緯電機，節能10%等優(yōu)點(diǎn)，國內已有開(kāi)關(guān)磁阻電機和驅動(dòng)器的產(chǎn)品（北京中紡機電研究所），目前還在與無(wú)梭織機主機廠(chǎng)合作，共同開(kāi)發(fā)應用技術(shù)，希望能盡快取得成功，填補國內空白。
3.3 焦炭工業(yè)應用
開(kāi)關(guān)磁阻電機（SRD）因其起動(dòng)力矩大、起動(dòng)電流小，可以頻繁重載起動(dòng)，無(wú)需其它的電源變壓器，節能，維護簡(jiǎn)單，特別適用于礦井輸送機、電牽引采煤機及中小型絞車(chē)等。

90年代英國已研制成功300kW的開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)磁阻電機用于矸石山絞車(chē) 、132kW的開(kāi)關(guān)磁阻電機用于帶式輸送機拖動(dòng)，良好的起動(dòng)和調速性能受到工人們的歡迎。我國還將開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)磁阻電機用于電機車(chē)，提高了電機車(chē)運行的可靠性和效率。
3.4 家電行業(yè)應用
隨著(zhù)人們生活水平的提高，洗衣機已逐漸深入千家萬(wàn)戶(hù)，洗衣機也經(jīng)歷了手動(dòng)機械洗衣機、半自動(dòng)洗衣機、全自動(dòng)洗衣機的發(fā)展過(guò)程，并不斷智能化。洗衣機電機也由簡(jiǎn)單的有級調速電機發(fā)展為無(wú)級調速電機。開(kāi)關(guān)磁阻電機由于低成本、高性能、智能化已開(kāi)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(yōu)點(diǎn)：
（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(dòng)。
（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(kāi)關(guān)磁阻電機的發(fā)展趨勢展望

      作為一種新型調速驅動(dòng)系統，開(kāi)關(guān)磁阻電機以其結構簡(jiǎn)單、低成本、高效率、優(yōu)良的調速性能和靈活的可控性，愈來(lái)愈得到人們的認可和應用。目前已成功應用于在電動(dòng)車(chē)用驅動(dòng)系統、家用電器、工業(yè)應用、伺服系統、高速驅動(dòng)、航空航天等眾多領(lǐng)域中，成為交流電機調速系統、直流電機調速系統和無(wú)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(kāi)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(chē)和電動(dòng)汽車(chē)。同時(shí)高速性能是SRD的一個(gè)特長(cháng)的方向。據報道，美國為空間技術(shù)研制了一個(gè)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(xué)開(kāi)關(guān)磁阻電機課題組在“九五”項目中研制出使用SRD的純電動(dòng)轎車(chē)，在“十五”項目中將SRD應用到混合動(dòng)力城市公交車(chē)，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(dòng)車(chē)輛等，取得了顯著(zhù)的經(jīng)濟效益。

      近年來(lái)功率電子技術(shù),數字信號處理技術(shù)和控制技術(shù)的快速發(fā)展，而且隨著(zhù)智能技術(shù)的不斷成熟及高速高效低價(jià)格的數字信號處理芯片（DSP）的出現，利用高性能DSP開(kāi)發(fā)各種復雜算法的間接位置檢測技術(shù),無(wú)需附加外部硬件電路，大大提高了開(kāi)關(guān)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(yōu)越性。

      90年代進(jìn)一步以計算機控制的柔性制造系統、主體倉庫、機器人進(jìn)行裝配等組合起來(lái)，由計算機控制材料、部件的供應管理、達到全廠(chǎng)高效率、高質(zhì)量的全自動(dòng)化均衡生產(chǎn)，設計和制造水平不斷提高，專(zhuān)用控制芯片和集成功率器件不斷被開(kāi)發(fā)出來(lái)，開(kāi)關(guān)磁阻電機性能和適用性不斷增強。隨著(zhù)國民經(jīng)濟建設的日益發(fā)展，各行各業(yè)的機械化、自動(dòng)化程度越來(lái)越高，為開(kāi)關(guān)磁阻電機提供了巨大的潛在市場(chǎng)。

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