开关磁阻电机研究的背景及意义

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

阻电动机调速系统作为后起之秀，具有伺服系统的高性能和普通调速系统的价格，性价比非常高，这是交流变频调速系统根本无法比拟的，SRD和变频调速的综合效率比较如下表：

表1 SRD和变频调速的综合效率比较

开关磁阻电机调速系统作为我国节能电机领域中重点推广的发展技术，还关系着我国民族产业的兴旺发展。SRD能在很宽的调速范围内保持高效率，是典型高效节能产品，开关磁阻电机调速系统的应用前景广阔而且节能潜力巨大。在《国家“十二五”科学和技术发展规划》中，新能源产业技术成为近五年科技部重点扶持的领域，而开关磁阻电机作为新能源产业发展中关键能量转换部件，其可靠性和高效行已经在新能源电动汽车、油田抽油机等领域中得到验证。如果将开关磁阻电机调速系统应用在矿山机械中，可以使系统结构布局简单、紧凑，系统效率和可靠性大大提高，同时降低污染排放。因此，《“十二五”规划》对新能源行业的大力推进，是对开关磁阻电机行业的极大利好，将大大促进开关磁阻电机行业的发展和应用。然而，开展开关磁阻电机设计及其在矿山机械中的应用研究，可以实现矿山机械设备向数字化、精细化、智能化的重大突破，促进矿山机械向绿色、环保、节能方向进行结构调整，从而提升矿山机械行业整体技术水平和核心竞争力，实现矿山机械的跨越式发展。

同时，《“十二五”规划》中还提出了节能减排的任务。我国电机

用电量占总用电量的比重可达50%，占工业用电量的比重接近70%。因此，使用高效节能电机可作为节能的突破口。高电机效率，降低电机能源消耗，研发推广应用高效、超高效电动机，具有其十分重要的国家能源战略意义和现实的社会效益。而在众多电机中，开关磁阻电机是其中的佼佼者，开关磁阻电机的一个很重要的特点就是效率高、能耗小，十分符合国家规划的要求。因此加快推广应用高效的开关磁阻电机，对于完成“十二五”节能减排任务，促进产业结构调整升级意义重大。

为此，本项目“开关磁阻电机设计及其在矿山机械中的应用研究”目的和意义为：

（1）通过开关磁阻电机设计的研究，实现高效节能电机产业数字化、精细化、智能化的重大突破，促进电机行业向绿色、环保、节能方向进行结构调整，从而形成我国开关磁阻电机调速系统战略性新兴产业，加快SRD 产业化的进程。

（2）通过开关磁阻电机在矿山机械中的应用研究，提升我国矿山机械行业整体技术水平和核心竞争力。该项目技术的采用将提高我国矿山输送机关键技术的自主创新和生产能力，提高输送机的综合性能、可靠性和生产效率。

（3）通过开关磁阻电机设计并结合及其在矿山机械中的应用研究，响应及支持党和国家对于完成“十二五”节能减排任务，推进产业结构调整和优化升级，实现我国工业跨越式发展，使我国由工业大国向工业强国转变。

二、国内外研究现状及技术发展趋势

近年来，开关磁阻电机调速系统的应用领域已经从最初侧重于牵引运输发展到通用工业、航空工业和家用电器等各个领域。目前，开关磁阻电机驱动系统的开发范围为：转矩0.01N·m~106 N·m，功率l0W~5MW，转速上限可达到100000r/min。开关磁阻电机的规格也从

多相发展到单相、两相，电机的机型从旋转型发展到直线型。

（1）国外研究现状

SR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。但因电路断开时没有释放能量的续流二极管电路，以及采用机械开关控制电磁铁的轮流通电，电动机的性能（效率、功率因数和利用系数等）不高。在此后100多年内，SR电机都没有得到重视和发展。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；到1970年左右，研究结果表明：SR电机可在单向电流下四象限运行，功率变换器无论用晶体管还是用普通晶闸管，所需的开关数都是最少的；电动机成本也明显低于同容量的感应电动机。20世纪70年代初，美国福特公司研制出最早的开关磁阻电动机调速系统，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传动。1975年，英国Leeds大学和Nottingham大学的研究小组联合研制了用于电动汽车的50kW的SR电机装置，其单位输出功率和效率都高于同类的感应电动机驱动装置。1980年，Leeds大学的Lawrenson教授及其同事总结了自己的研究成果，发表了题为“Variable-Speed Switched Reluctance Motors（变速开关型磁阻电动机）”的论文，系统阐述了SR电机的基本原理与设计特点，并得出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。这标志着SR电机得到国际社会的承认。1983年英国TASC公司推出了Oulton系列通用SRD调速产品，问世不久便引起各国电气传动界的广泛重视。目前，SRD在国外已取得很大的发展，其产品已在电动车驱动、家用电器、工业应用、伺服系统、高速驱动等众多领域得到应用。

SRD系统兼有直流和普通交流传动的优点，在各种需要调速和高效率的场合，均能提供所需的性能要求。国外一些成功的应用领域如

下:

①电动车。SRD系统可靠性高、效率高、起动转矩大、起动电流小，首先在电动车驱动领域得到应用，被认为是电动车驱动的最佳选择之一。SRD Ltd.公司研制的30kW SRD用于驱动市内有轨电车，电车在包括重盐大气环境在内的各种恶劣条件下运行了两年，行程超过24000km，体现了优良的工作性能，被认为是在同类电动车辆中操纵最方便、噪声最低的车辆。英国JeffreyDiamond的刨煤电动车，滚齿刨煤机重达10～30t, 且要求整个传动和传输系统能精确控制和经久

耐用。过去采用传统的传动系统，经常发生故障，改用SRD系统后得到根本改善。

②航空工业。1986～1988年，美国GE公司根据国防部“未来先进控制技术规划”及美国空军USAF资助，从电源系统的可靠性、可维护性、余度性、容错性、环境适应性及容量、效率、功率密度等方面论证了SR电动机、SR发电机所独有的优越性。1989年，GE公司研制了发电功率30kW并用于起动1700hp、4800r/min飞机发动机的SR起动/发电机系统，其指标为0～9000r /min 恒转矩13N·m起动，9000～26000r/min 恒功率12.5kW加速起动，26000~48000r/min 恒电压

270VDC、30kW发电；同年，美国空军USAF与GE公司、Sundstrand 公司签订1990~1995年合同；针对现役F-16战斗机，研制“高可靠性、内装式、三余度起动/发电机计划”, 其技术指标为：0~13400r/min 恒转矩17.7N·m起动，13400~26000r/min 恒电压270VDC、3×12.5KW 发电，系统效率为90%，功率/重量比为2.5 KW/kg，1993 年完成方案设计，1994 年完成样机制造和实验，1995 ~1998年该SRS/G 己装入F-16 战斗机用发动机内进行飞行试验。

③家用电器。英国SRD公司已有功率700W 的洗衣机用SRD系统，该公司还生产食品加工机械、电动工具、吸尘器用的SRD系统；世界著名电气制造商爱默生（Emerson）也在90年代末成功将SR电机应用在Maytag Neptune 洗衣机上。

④机械传动。老牌SR电机供应商宜控（Emotrom）和Baldor Electric

在通用型SR电机上的应用取得较大的进展；SR 电动机良好的起动性能使它特别适合于需要起动转矩大、低速性能好、频繁正反转等场合，如在龙门刨床、平网印花机、可逆轧机等应用中都取得了良好的效果。

⑤精密伺服系统。SRD 系统作为机电一体化产品，有优良的控制性能，可以在许多需要具有伺服性能的精密传动机构中开发应用。如在电缆、纺织行业中作恒线速度或恒张力传动，在具有高精度控制性能的计算机控制工业缝纫机中作伺服传动，都有较成功的应用。（2）国内研究现状

SRD作为调速系统的一支新劲旅，从二十世纪八十年代起，我国很多研究单位、高等院校开展了开关磁阻电动机研究，如华中科技大学、南京航空航天大学、中纺机电研究所（原中国纺织机械研究所）等。并且，开关磁阻电机被列为中小型电机“七五”科研规划项目。在借鉴国外经验的基础上，我国SR 电机的研究发展很快，取得了大量的科研成果并达到了国际先进水平，甚至在有些方面领先于国外技术水平，形成了一些SRD 系列商品，最大功率达几百千瓦，成功地将SRD应用到电动车辆驱动、家用电器、电牵引采煤机、煤矿运输机、龙门刨床、纺织机械、油田抽油机等产品中。由于这些成功的应用案例，引起了国内电工界的极大兴趣，也纷纷加入到研究、开发、应用的行列：如清华大学、浙江大学、西北工业大学等高等院校；如北京通大华泉、山东科汇、广东威灵（美的）等公司企业。

目前，国内的华中科技大学、中纺机电研究所都有SRD 系统产品在混合动力电动汽车的驱动系统中应用与运行，中纺机电研究所研制的180 kW SRD 已成功用于地铁轻轨车的驱动系统中。西北工业大学也于1999 年研制出了飞机发动机用SR 起动/发电机系统。2000 年，国内30kW以上的SR电机已应用于煤矿的采煤机，SR电动机还适用于高速传动机构、恶劣环境中的生产机械传动等应用，国内生产的用于吸尘泵、离心干燥机等装置的专用高速开关磁阻电动机的转速最高达30000r/ min。2001年，中纺机电研究所研制的30kW的SRD

成功用于油田抽油机，节电率可达30%以上，每台每月节约电费2000元左右。该产品在明显的节约电能的同时，又优化和完善了电机的性能指标及运行中的各项自动调整和保护功能。2005年10月，国家发展和改革委员会、科技部、国家环保总局在联合发布的《国家鼓励发展的资源节约综合利用和环境保护技术》公告中，明确将开关磁阻调速电动机作为电机行业重点推广技术。2007年，由山东科汇电气股份有限公司、山东理工大学等单位合作研制开关型磁阻电动机调速系统，被发展改革委列为我国“十一五”期间重点推荐的节能型产品。

另外，我国于近些年来基于SRD陆续开发了皮带机(双132 kW，280 kW同步，660V)、矸石山翻矸绞车(110 kW，660V)、采煤机(双37kW同步，电压380V及1140V)及采煤机电牵引电机，运行性能都很好。但我们应该看到，目前我国对开关磁阻电机的理论研究和整体的实际应用与国外相比还存在较大的差距和明显的不足，实用化工作进展缓慢，没有得到大量的推广应用。

（3）SRD的发展趋势

①SRD 系统的优化。SRD系统是由SR 电机及其控制装置构成的不可分割的整体，因此在设计时必须从系统的观点出发，对电机模型和控制系统综合考虑，进行一体化设计和全局优化。

②无位置传感器SRD 系统的研制。位置闭环控制是开关磁阻电机的基本特征，但是位置传感器的存在使电机结构变得复杂，同时也降低了可靠性。为此探索实用的无位置传感器控制方案是十分引人注目的课题。

③新型控制技术的应用。高性能DSP 和专用集成电路(ASIC)的应用，为SRD 系统的高性能控制提供了可靠的硬件保证。因此，研究具有较高动态性能、算法简单、能抑制参数变化、扰动及各种不确定性干扰的SRD系统控制技术成为近期的重要任务，SRD系统的直接转矩控制、智能控制技术的研究成为热点。

④振动和噪声研究。由于SRD系统是脉冲供电工作方式，瞬时

转矩脉动大，低速时步进状态明显，振动噪声大，这些缺点限制了其在诸如伺服驱动这类要求低速运行平稳且有一定静态转矩保持能力

场合下的应用。因此，研究SR 电机的电磁力及振动噪声特征成为改进SRD 系统特性的重要课题之一。

⑤铁损耗分析与效率研究。SRD 系统堪称是高效率调速系统，但SR电机的铁损耗计算是难度较大的课题之一。SR电机的铁损耗计算难度较大，这是因为电机供电波形复杂、电机磁路局部饱和严重、电机的步进运动状态及双凸极结构等特点。SR 电机的铁损耗常常是影响效率的主要方面，尤其在斩波工作状态及高速运行时，铁损耗是较为可观的。铁损耗分析的目的是建立准确、实用的铁损耗计算模型和分析、测试手段，以及从电机、电路结构和控制方案着手，研究减少损耗、提高效率的措施。

⑥采用“矢量控制、鲁棒技术、模糊控制”等现代控制理论进行精确控制。

⑦加大在对转矩脉动、振动和噪声要求不高的领域的应用研究和推广。

三、项目技术与产品应用前景和市场分析

SRD作为一种新型调速驱动系统，不但其非防爆产品在地面驱动装置的应用上完全可与直流和交流调速系统相媲美，而且从其防爆产品在矿井下进行的生产实践中可以看出，SRD在矿井下驱动装置的应用更具有竞争优势。应用于矿井生产的机械设备多数都要求调速，然而由于矿井生产工作环境恶劣，生产条件差，使得矿用机械生产设备的调速控制部分体积相当大，可靠性差，机械设备维修费用高，这给矿井高效连续生产带来许多困难。而SR电机结构简单，坚固耐用，其控制部分体积小，且能在恶劣的环境中可靠运行，能有效解决矿用装备高效连续生产的困难。因而，该调速系统是一种性能优越的变速传动系统。用此调速系统来代替我国目前矿用机械设备的调速控

制系统具有十分重要的意义和广阔的发展空间。

国外公司很早就将其用于采煤机、皮带机、刮板输送机及破碎机等井下机械设备。20世纪90年代英国已研制成功300kW的开关磁阻电机，用于刮板输送机，效果很好。在中国，无锡盛达机械有限公司于2002年研制出国内首台采用开关磁阻电动机调速技术的MG200/500 -WD 型电牵引采煤机，并将1140 V电压直接供电的开关磁阻电动机调速系统成功安装在MG160/ 380 -WD 型电牵引采煤机中。开关磁阻电动机调速系统在电牵引采煤机中的应用虽然起步较晚，但具有发展潜力。该系统既有交流变频调速系统结构简单、无刷无整流子的优点，也有直流调速系统调速性能好、控制电路简单、节约能源、经济可靠等优势。开关磁阻电动机调速系统正在进行噪声问题及转子位置检测器可靠性方面的改进，随着这些问题的解决，其在矿井下采掘机械中将得到广泛的应用。经过多年的研究与应用，国内矿用SRD系列产品基本达到了国外RELU-SPEED和Diamiond产品的技术水平。

由于开关磁阻电机系统产品技术含量高，因此产品利润空间很大。据相关资料，2010年前后国内开关磁阻电机产品的成本与销售价格大致如下：3kW系统的电机加控制器的生产成本约3000元，销售价为9000多元；7.5kW系统的电机加控制器的生产成本不超过8000元，报价为5万元。现在随着生产技术的进步，使得开关磁阻电机产品的成本有所降低，并且越来越多的企业将目标瞄准该行业，产品的价格比2010年应有下滑，但仍然保持着高于行业平均指数的高利润，而且系统功率越大，利润越高。随着SRD 产业化进程的加快，其在矿井机械设备中的应用也必将越来越广泛。本项目技术的采用有利于提高我国矿用设备关键技术的自主创新和生产能力，提高矿井机械的综合性能、可靠性和生产效率，投资前景一片光明。

此外，不论是《节能与新能源产业发展规划》还是《国家“十二五”科学和技术发展规划》，都有对开关磁阻电机行业的发展极为有利的规划，使开关磁阻电机行业有着极为广阔的发展空间和良好的投

资前景。研制适合矿井生产的开关磁阻电机，将其应用于风机、水泵、刮板输送机等更多的矿井设备，提高设备的调速性能、控制精度及其功率，对于提高我国煤炭等矿井企业的现代化管理水平，增强企业竞争能力至关重要。开关磁阻电动机调速系统在我国煤矿机械的新产品开发以及老产品的技术改造中的应用仅仅几年的时间，就已显示出其独有的优势和强大生命力。可以预言，该系统的异军突起，必将在我国乃至世界的矿用设备变速传动领域中占有重要的一席之地。