開關磁阻電機的特性及在家電業(yè)的應用

1、開關磁阻電機的特性及在家電業(yè)的應用吳建華浙江大學電機及其控制研究所，杭州310027摘要 開關磁阻電機是一種新型高效調速驅動系統(tǒng)，可廣泛應用于家用電器、通用工業(yè)和電 動車驅動等各個領域。本文闡述了開關磁阻電機的工作原理和特點，以及在家電行業(yè)的應用 概況，并與變頻調速電機作了比較。關鍵詞 開關磁阻電機，變頻電機，家用電器，應用1 概述開關磁阻電機是80年代初隨著電力電子、微電腦和控制技術的迅猛發(fā)展而發(fā)展起來的 一種新型調速驅動系統(tǒng)，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(tǒng)、直流電機調速系統(tǒng)和無刷直流電機調速系統(tǒng)的強有力的競爭者，引起各國學者和企業(yè) 界的廣泛關注?？鐕姍C公

2、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(tǒng)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(yè)、航空業(yè)和家用 電器等各個領域。隨著對開關磁阻電機認識的深入，其應用必將更為普遍。本文簡要介紹了 開關磁阻電機的工作原理和特點，以及在家電業(yè)的應用概況。2工作原理和特點圖1開關磁阻電機的典型結構原理圖圖1所示是開關磁阻電機的典型結構原理圖，電機為雙凸極結構。轉子僅由疊片疊 壓而成，既無繞組也無永磁體；定子各極上繞有集中繞組，徑向相對極的繞組串聯(lián)，構成一相。 其工作原理遵循“磁阻最小原理”一 一磁通總是要沿磁阻最小的路徑閉合，因磁場扭曲而 產生磁阻性質的電磁轉矩。順序給

3、A-B-C-D相繞組通電，則轉子便按逆時針方向連續(xù) 轉動起來。當主開關管S1、S2導通時，A相繞組從直流電源V吸收電能；而當S1、S2關 斷時，繞組電流通過續(xù)流二極管D1、D2，將剩余能量回饋給電源V。因此，開關磁阻電機 具有再生的能力，系統(tǒng)效率高。對開關磁阻電機的理論研究和實踐證明，該系統(tǒng)具有許多顯著的特點:（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(huán)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

4、統(tǒng)成本。（4）功率變換器不會出現(xiàn)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(xiàn)的沖擊電流現(xiàn)象。（6）調速范圍寬，控制靈活，易于實現(xiàn)各種特殊要求的轉矩一速度特性。（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。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(yōu)勢或競爭力。圖2是不同功率等級開關 磁阻電機和變頻調速感應電機的效率比較（功率均折算到1500r/min），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

5、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(tǒng)，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(xiàn)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(fā)生往往與電機設計和控制的不合理相 關，通過優(yōu)

6、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(fā)和應用是很重要的。SRD Ltd.公司開發(fā)的伺服應用開關磁阻 電機，轉矩波動僅為0.05%。圖3為132機座開關磁阻電機的聲壓級，及與同機座號變頻 感應電動機噪聲的比較，在額定工作點的噪聲已比變頻感應電動機噪聲低，且應注意到開關磁 阻電機具有10kW的額定功率，而變頻感應電動機只有7.5kW額定功率。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作用。隨著設計和制造水平的提高，噪聲必將進一步降 低。不同功率等級開關磁

7、阻電機和變頻調速感應電機的效率比較o o o o O 8 7 6 5絹圖版0rLOOJ20O1E；OO轉速r/iDin圖3 132機座開關磁阻電機（10kW，1500r/min）聲壓級與變頻調速的另一類電機永磁無刷直流電動機相比，開關磁阻電機在成本、調速性能、 可靠性和散熱性等依然保持優(yōu)勢，但和變頻感應電動機一樣都存在勵磁懲罰（既勵磁電損 耗）的問題，效率和單位體積功率稍顯不足。但在一些應用場合，開關磁阻電機在效率和輸出功 率依然具有優(yōu)勢。文獻5給出一種低壓大轉矩伺服應用兩種電機的比較數(shù)據，開關磁阻電 機與無刷直流電動機的輸出轉矩比為2.04，系統(tǒng)效率比2.04，轉動慣量比0.422。目前永磁

8、 式開關磁阻電機也在研究，初步的測試結果表明效率和單位體積功率的不足完全可以克服。3在家電業(yè)的應用概況近20年來，開關磁阻電機的應用和發(fā)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(yè)、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。以下簡要介紹開關磁阻電機在家電行業(yè)中的應用實例。開關磁阻電機最初的應用領域就是電動車。我國摩托車從90年代初的71.9萬輛起，每 年以140%左右的速度增長。1995年年產達783.6百萬輛，1997年年產量已超過1000萬 輛，是世界摩托車產量的第一大國，摩托車燃油所造成的環(huán)境污染，已到了必須采取措施的地

9、止步，其最好的對策是采用電動摩托車。我國又是一個自行車王國，隨著城市范圍的擴大，人力自 行車顯得太慢太費力，電動自行車則是一個很好的代步工具。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(yōu)勢。 圖4a為美國Tridelta工業(yè)公司開發(fā)的開關磁阻電機驅動的助力車，原動力為小型汽油發(fā) 動機。當高能量密度和系統(tǒng)效率為關鍵指標時，開關磁阻電機變?yōu)槭走x對象。圖4b為美 國EMB公司開發(fā)的電動摩托車，采用兩相開關磁阻電機驅動。(a)電動助力車(b)電動摩托車圖 4 開關磁阻電機驅動的電動助力車和電動摩托車開關磁阻電機在電動車的應用充分體現(xiàn)該系統(tǒng)許多

10、明顯的優(yōu)點：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(tǒng)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(xù)駛里程。開關磁阻電機很容易通過采用適當?shù)目刂撇呗院拖到y(tǒng)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(qū)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(tǒng) 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。

11、（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(huán)境，具有良好的適應性。在食品加工機械中，開關磁阻電機顯現(xiàn)出其獨特的優(yōu)勢：（1）體積小。（2）不燒電機。（3）沒有或只有小的齒輪減速比。（4）電機外形設計靈活，適應性好（“扁平”或“細長”）。（5）安全停機。（6）速度離散可選或連續(xù)可調。（7）易實現(xiàn)特殊要求的機械特性（軟件編程）。圖5為某食品加工機械用普通電機和開關磁阻電機對比，開關磁阻電機結構、體積、特 性上的優(yōu)勢非常明顯，降低了電機成本，提高了產品的可靠性。圖5某食品加工機械用普通電機和開關磁阻電機隨著人們生活水平的提高，洗衣機已逐漸深入千家

12、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(fā)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(fā)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(yōu)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。圖6為地板磨光機和所用的開關磁阻電機，新系統(tǒng)具有：（1）軟起動，起、制動平滑。（2）工作轉速高，產生鏡面磨光效果。（3）速度保護防止危險的飛逸，

13、保證磨光的一致性。（4）電機無電刷和永久磁鋼，降低材料成本和勞動成本，減少了產品維護，保證了產 品長壽命。（5）效率由原系統(tǒng)的55%提高到75%。（6） 體積小、重量輕，操作容易。（7）電機適用于各種尺寸的地板磨光機。（a）地板磨光機（b）開關磁阻電機圖 6 地板磨光機和所用的開關磁阻電機4結束語作為一種新型調速驅動系統(tǒng)，開關磁阻電機以其結構簡單、低成本、高效率、優(yōu)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，成為交流電機調速系統(tǒng)、直流電機 調速系統(tǒng)和無刷直流電機調速系統(tǒng)的強有力競爭者，隨著設計和制造水平的提高，專用控制 芯片和集成功率器件的開發(fā)，開關磁阻電機必將得到更為廣泛應用。參考文獻Lawrenson P J . Switched Reluctance Drives: APerspective . Proc. Of ICEM92, 1221Lovatt H C, Stephenson J M . Optimum Excitation of Switched Reluctance Motor. Proc. of IEE Eighth International Conference o