最新 开关磁阻电机发展应用简介
华中科技大学电气专业新型电机大作业 开关磁阻电机在风力发电系统中的应用
开关磁阻电机在风力发电系统中的应用华中科技大学电气与电子工程学院新型电机论文作业一、引言风电行业现状概要与开关磁阻电机发展简介风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视，随着全球化石能源的枯竭和供应紧张以及气候变化形势的日益严峻，世界各国都认识到了发展可再生能源的重要性，风能作为清洁可再生能源之一，受到了各国的高度重视，世界风电产业也因此得到了迅速发展。
中国风能资源十分丰富：陆上和近海可供开发和利用的风能储量分别为2.53亿千瓦和7.5亿千瓦,具有发展风能的潜力和得天优厚的优势。
在未来的能源市场上，充分开发和挖掘这一潜力和优势，将有助于持续保持本国的能源活力和维持经济的可持续发展。
在开发利用风能的过程中，风电场的建设是其必须的环节，而风电机组的应用又是建设风电场的重中之重。
中国风能储量很大、分布面广，开发利用潜力巨大。
属于风能资源较丰富的国家。
“十一五”期间，中国的并网风电得到迅速发展。
从自然环境来看，我国居于非常有利的优势地位。
我国地域广阔，海岸线长、风力资源十分丰富。
据统计，全国平均风能密度大约为100 W/m2，风能总量为3226 GW，其中可供开发利用的陆上风能总量大约为253 GW。
在我国东南沿海及附近岛屿、内蒙和河西走廊，以及我国东北、西北、华北、海南及西青藏高原等部分地区，每年的年平均风速在3 m/s以上时间近4000 h，一些地区的年平均风速在6～7 m/s以上，对于风力发电来说，具有很大的开发价值和广阔的利用空间。
按“十一五”发展规划，至2010年我国风电装机总量将突破10 GW。
风力发电问题近年来已成为电力行业研究的热点。
在风电发展的过程中，直驱永磁同步电机得到了越来越广泛的应用。
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迅猛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特点，成为交流电机调速系统、直流电机调速系统和无刷直流电机调速系统的强有力的竞争者，引起各国学者和企业界的广泛关注。
开关磁阻电机发展及应用
有 5 本，同时研究成果已逐步从实验室走向了工业应
用。
2 技术特点
伴随磁场的存在必定有电磁转矩 兀二
兀Jov id，; “是指转子角位置·
可近似 以相电感 L 和相电流 1表达
_
1 .，a L
1 __ = 一 1- —
图所示电流波形，即可产生所需的转矩。
2. 1 结构特点 磁阻电机本身是最简结构电机，特别是转子既
无绕组也无 需永磁 ，是无刷 结构 。因此 ，它有很强 的环境适用性。
作为电机的结构特征: 定子齿极数和转子齿极 数，与系统的相数相关，并且有多种不同的选择。 如三相方案有 6/4 、6/8、1218、24/ 16 等几种结构， 四相方案有 8/6、16/ 12、32/24 等结构，此外二相 4/2 结构及六相 12/ ro 结构也都有应用。开关电路则有 多种不同的拓扑。由于电机转子是反应式结构，因 此只需单向供电 ( 直流或交流整流电源) ，使得主电 路结构得以简化。图 3 所示为主开关管与续流二极 管构成的不对称半桥主电路，这是常用的每相双管 结构。每相单管结构主电路，元件少，具有成本优 势，如采用 电容分压及二相 串联供 电技术 ，构成每 相单管的四相主电路，非常传统、广为应用。一般 的每相单管主电路的技术关键是可靠换相，因此出 现了如电容储能、准谐振开关等不同换相方式的电 路拓扑。
可见，从技术上讲，多种不同的结构方案和主 电路拓扑，有各 自不同的性能特点，可适于在各种 不同的场合应用。 2. 2 控制特点
控制参数多，控制性能好，是 SR 电机系统的重要 技术特点。
为说明控制原理，先简要介绍SR 电机的电磁转矩。 电机相绕组通电后建立磁场，根 电磁场理论，
开关磁阻电机的设计与应用
开关磁阻电机的设计与应用引言开关磁阻电机是一种新型的电机，具有结构简单、体积小、响应快、效率高等优点，在工业生产和家用电器等领域得到广泛应用。
本文将介绍开关磁阻电机的设计原理、构造和工作方式，并探讨其在不同领域的应用。
1. 开关磁阻电机的设计原理开关磁阻电机是通过控制磁场的方向和大小来实现转动，其设计原理基于磁阻效应和磁场的反转。
当电流通过绕组时，会产生一个磁场，根据右手定则，当磁阻材料中的磁场方向与绕组的磁场方向相反时，就会出现瞬时的磁流偏移，导致磁场的反转。
通过不断地反转磁场的方向，可以产生连续的转动力。
2. 开关磁阻电机的构造开关磁阻电机主要由转子、定子和驱动电路组成。
2.1 转子转子是开关磁阻电机的核心部件，由磁阻材料制成。
磁阻材料通常采用铁短路片或磁铁片，具有高导磁性和低磁饱和性。
转子上绕有线圈，通过控制线圈通电情况，可以控制转子的磁场方向和大小。
2.2 定子定子是开关磁阻电机中固定的部件，用于产生或感应磁场。
定子一般由永磁体或电磁体构成，永磁体具有固定的磁场，电磁体则通过外部电源提供磁场。
定子的磁场与转子的磁场交互作用，产生转动力。
2.3 驱动电路驱动电路是控制开关磁阻电机正常工作的关键部分，它负责提供正确的电流和电压信号，并控制磁场的反转。
驱动电路一般由电能转换器、控制芯片和传感器组成。
3. 开关磁阻电机的工作方式开关磁阻电机主要有两种工作方式：单相工作和多相工作。
3.1 单相工作单相工作是指开关磁阻电机通过单个绕组进行驱动，具有结构简单、成本低的优点。
但由于只有一个驱动绕组，单相工作的开关磁阻电机转速较低，扭矩较小，适用于一些低负载和速度要求不高的应用。
3.2 多相工作多相工作是指开关磁阻电机通过多个绕组进行驱动，具有转速高、扭矩大的优点。
多相工作的开关磁阻电机可以灵活控制磁场的变化，达到更高的效率和更精确的转动性能。
但多相工作的开关磁阻电机相对于单相工作来说，结构复杂，成本较高。
开关磁阻电机原理和应用
开关践俎电机开关磁阻电机是一种新型调速电机，调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点，是继、调速系统的最新一代无极调速系统。
它的结构简单坚固，调速范围宽，调速性能优异，且在整个调速范围内都具有较高效率，高。
主要由开关磁阻电机、功率变换器、控制器与位置检测器四部分组成。
控制器内包含控制电路与功率变换器，而转子位置检测器则安装在电机的一端。
其电机部分由于是运用了磁阻最小原理，故称为磁阻电动机，又由于线圈电流通断、磁通状态直接受开关控制，故称为开关磁阻电动机。
特征开关磁阻电机结构简单，性能优越，可靠性高，覆盖功率范围10VC5MW的各种高低速驱动调速系统。
使的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（电动车驱动、通用工业、家用电器、纺织机械、电力传动系统等各个领域）。
优点♦其结构简单.价格便宜・电机的转子没有绕组和战铁。
♦电机转子无永磁体.允许较高的.由干绕组均在定子上.电机容易冷却。
效率奇・损耗小。
♦转矩方向与电流方向无关.只需单方相绕组电流•毎相一个功率开关•功率电路简单町扱♦转子上没有电刷结沟坚固.适用干高速驰动。
♦转子的转动惯扯小.有牧高转矩惯煲比.♦调速范m.控制灵活・易于实现备种再生制动能力。
♦并具频繁启动（1000 ；v小时）•正向反向运转的特殊场合使用・♦且启动电流小•启动转矩人•低逮时更为突出。
♦电机的绕组电流方向为单方向.电力控制电路简单・具有较烏的经济性和吋維性。
♦对通过机和电的统一协调设汁满足备种特殊使用要求。
缺点其工作原理决定了.如果需要开关磁阻电机运行程定对維.必须使电机与控制配合的很好。
因其要使用位HL传感器・增加了结沟災杂性，降低了可靠性。
对干电机本身而肓.转矩馱动大是其固有的缺点：在电机远离设计点的时候.转矩脉动人仝体现的更加明協。
如果单纯使用电流斩波或最优导通角控制方法.对其转矩脉动的改售不是很人.需耍加入更加如朵的貳法。
另外.运行时噪音和撮动较人.非线形性强也足开关險阻电机需耍解决的何題。
开关磁阻电动机的性能及典型应用
脱水“均工作在最佳的转速上，以实现真正意义上的标准洗、快速洗、轻柔洗、丝绒洗，甚至变速洗。脱水时也可以随意选择旋转的转速。还可以按某些设定的程序来提升转速，让衣物在脱水过程中避免因分布不均造成的振动和噪声。开关磁阻电动机卓越的启动性能可消除洗涤过程中电机频繁正反转启动电流对电网的冲击，使洗涤、换向平稳无噪声。开关磁阻电动机调速系统在全部调速范围内的高效率，可以使洗衣机的耗电量大大减少。
2 结构与性能特点
2.1 电动机结构简单、成本低、适用于高速
开关磁阻电动机的结构比通常认为最简单的鼠笼式感应电动机还要简单，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、高温甚至强振动环境；转子仅有硅钢片叠成，因此不会有鼠笼感应电动机制造过程中鼠笼铸造不良和使用中的断条等问题，转子机械强度极高，可工作于极高转速，转速可达每分钟10万转［2］。
目前国内龙门刨床的主传动系统主要有直流机组形式和异步电动机-电磁离合器形式。大量以直流机组为主拖动系统的刨床，使用到现在大多处于严重老化的状态，电机磨损严重，高速重载时电刷上火花较大，故障频繁，维护工作量大，直接影响正常的生产。此外，该系统不可避免地存在设备庞大、耗电多，噪音高的缺点。异步电动机-电磁离合器系统依靠电磁离合器实现正反转向，离合器磨损严重，工作稳定性不好，且不便调速，仅限用于轻型刨床。
（4）电机的起动电流小，对电瓶无冲击，起动转矩大，适合于重载起动。
（5）无论电机还是功率变换器都十分坚固可靠，适用于各种恶劣、高温环境，具有良好的适应性。
鉴于以上优点，国内外都有很多开关磁阻电动机在电动汽车、电动客车、电动自行车的实际应用［6］。
开关磁阻电机发展概况
开关磁阻电机发展概况1 发展简介开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor, SRM)最早可以追溯到1970年，英国Leeds大学步进电机研究小组首创一个开关磁阻电机雏形。
到1972年进一步对带半导体开关的小功率电动机(10w～1kw)进行了研究。
1975年有了实质性的进展，并一直发展到可以为50kw的电瓶汽车提供装置。
1980年在英国成立了开关磁阻电机驱动装置有限公司(SRD Ltd.)，专门进行SRD系统的研究、开发和设计。
1983年英国(SRD Ltd.)首先推出了SRD系列产品，该产品命名为OULTON。
1984年TASC驱动系统公司也推出了他们的产品。
另外SRD Ltd. 研制了一种适用于有轨电车的驱动系统，到1986年已运行500km。
该产品的出现，在电气传动界引起不小的反响。
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应用的一些变速传动系统。
下表是当时对几种常用变速传动系统各项主要经济指标所作的比较。
成本 1.0 1.5 1.0美国、加拿大、南斯拉夫、埃及等国家也都开展了SRD系统的研制工作。
在国外的应用中，SRD一般用于牵引中，例如电瓶车和电动汽车。
同时高速性能是SRD的一个特长的方向。
据报道，美国为空间技术研制了一个25000r/min、90kW的高速SRD样机。
我国大约在1985年才开始对SRD系统进行研究。
SRD系统的研究已被列入我国中、小型电机“八五”、“九五”和“十五”科研规划项目。
华中科技大学开关磁阻电机课题组在“九五”项目中研制出使用SRD的纯电动轿车，在“十五”项目中将SRD应用到混合动力城市公交车，均取得了较好的运行效果。
纺织机械研究所将SRD应用于毛巾印花机、卷布机，煤矿牵引及电动车辆等，取得了显著的经济效益。
从上世纪90年代国际会议的上有关SRD系统的文章来看，对SRD系统的研究工作已经从论证它的优点、开发应用阶段进入到设计理论、优化设计研究阶段。
开关磁阻电机1
开关磁阻电机一、开关磁阻电机发展简介开关磁阻电机是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。
图1--1 开关磁阻电动机调速系统构成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，最大功率达几十到上百千瓦。
开关磁阻电机的发展及其在煤炭行业中的应用
制动特性
输入220V 输入380V
输入220v--P=15 输入380v--P=10
1200 1000 800 600 400 200
T(ms)
0
0
50
100
150
200
250
300
T(ms)
图示说明：电机带10倍于转子惯量的惯量负载 电源电压变化基本不不影响响应时间。
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二、SRD在煤矿领域的应用优势
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二、SRD在煤矿领域的应用优势
1、工作可靠性高
功率开关（IGBT）工作பைடு நூலகம்率低， 有利于降低控制器和电机的温升， 有利于降低电磁干扰（EMI）。
SRD:400 Hz 变频:4000 Hz
1000 转/分 时IGBT的工作波形
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二、SRD在煤矿领域的应用优势
2、超强的起动能力和快速响应能力
SRD在起动状态下： 起动转矩大、起动电流小。 30%额定电流对应150%额定转矩。
电源电压：380V/660V； 功率范围：18.5KW-60KW； 四象限运行，回馈能力100% 特点： ●组合式结构，工作可靠性高 z单元体积小重量轻，易使用 z故障判断清楚，减少查找时间 z备件更换方便快捷，不易出错
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三、煤矿机械专用SRD产品介绍
2、提升机械用SRD
电源电压：380V/660V； 功率范围：30KW-200KW； 特点： 起动平稳，电流小； 可四象限运行，下放牵引时不失速； 电机具有位置反馈信号，可以牵引定位； 对电网和周围环境的电磁干扰小；
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四、 SRD在煤矿应用的新发展
3、大功率组合式SRD
大功率组合式SRD的电机和控制器原理图
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开关磁阻电机技术发展及应用简介
F35的通用电气F135发动机
开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor, SRM）是随着现代电力电子技术、控制技术及数字计算机技术的发展而出现的一种新型无级调速电机，是典型的机电一体化产品。
Switched Reluctance Motor, SRM开关磁阻电机
Switched Reluctance Drivesystem, SRD 开关磁阻电机驱动系统
《GB/T2900.25-2008电工术语旋转电机》对磁阻电机定义如下：
磁阻电机Reluctance machine
一种同步电机，其中一个部件（通常为静止部件）上装有互相适当排列的电枢绕组和励磁绕组或永久磁铁，而另一个部件（通常为旋转部件）上没有绕组，只具有若干规则的凸起部分。
由于利用了磁阻最小原理，故称为磁阻电动机，又由于线圈电流通断、磁通状态直接受开关控制，故称为开关磁阻电动机。
1983年,英国TASC Drive有限公司将世界第一台SR电机——oIllton装置(7.5KW,1500r/min)商品投放市场
控制方式：电流斩波，电压斩波，角度位置控制等
定子转子极对数：4/2，6/4，8/6，12/8，18/12，24/18
开关磁阻电机技术应用
已经应用行业：
采煤采矿机驱动电机（英国SRD公司最早）
抽油机牵引电机（中国）
装载机牵引电机（美国莱图尔诺，轮毂牵引电机）
电力机车牵引电机（中国，矿用）
电动大巴（英国SRD公司、北京中纺锐力）、电动轿车（日本，主驱动电机，轮毂电机）、电动自行车牵引电机（美国最早，中国），
电动工具（美国百得凿破机）、工业吸尘器（美国）、家用吸尘器（英国戴森）等驱动电机
家用空调，洗衣机
飞机发动机起动机，如美国F35战斗机，芯片厂商microchip
美国的第四代战斗机F一35的主电源系统就采用美国SUNDSTRAND公司的80KW高转速的航空SRM起动／发电机。
这些研究成果表明：高速／超高速SRM可达到很高的功率密度，而且有高容错性，高可靠性等优点（美国汉胜公司（Hamilton Sundstrand））
食品机械，药品反应釜/搅拌设备
尚未应用行业：重型渣土车牵引动力，电动叉车驱动/液压电机，风机，水泵（潜水泵、高压锅炉泵），船舶推进动力，工业机器人动力
国内最早应用研发项目：70年代后期，原纺织部北京纺织机电研究所研制纺织机械牵引动力，原合肥电机厂和合肥工业大学电机系合作研制军用鱼雷推进电机。
国外代表企业：英国开关磁阻电机有限公司（原先属于美国艾默生电。