开关磁阻电机功率因数
开关磁阻电机简介
开关磁阻电机简介
随着社会经济的发展，电力消费需求加大，能源形势日趋紧张，环境压力十分严重。
2008年我国的GDP仅占世界的5%，而耗电量占世界的11%，每年有2.5个三峡发电量被白白浪费。
据统计，我国发电量的60%用于电动机，可以说电动机是用电大户，也是节能潜力最大的领域之一。
国内近年来有相当数量的高校、科研院所和企业投入到开关磁阻电动机技术的研发，取得了一定的成果，并已在纺织、矿山、冶金、石油等行业陆续得到应用。
在不同工况下，节电率达10-60%，正越来越显现出它在调速性能和节能方面的优势。
2005年10月28日，国家发改委、科技部、国家环保总局联合发布《国家鼓励发展的资源节约综合利用和环境保护技术》，第65号公告确将开关
磁阻电动机调速系统作为国家鼓励发展的技术。
本系列电动机作为传动机械、矿山机械、电动汽车、家用电气，交流牵引的动力元件、广泛应用于纺织、矿山、建材、冶金、石油等各个领域。
成果的创造性和先进性在于：效率高、节能效果好；起动转矩大，特别适合于需要重载起动和负载变化明显并且频繁的场合；调整范围广；可频繁正、反转，起动和停止，非常适合于龙门刨床、可逆轧机、油田抽油机等场合；起动电流小，避免了对电网的冲击；功率因数高，无需加装无功补偿装置；结构简单、坚固、成本低，能适应恶劣、高温、强振动环境，工作可靠；缺相与过负载仍可工作；可实现四象限运行。
市场推广前景广阔，适应客户对高效节能电机产品的需求，对用户的节能降耗有明显的作用，并且能满足欧美市场高效率产品的出口要求，市场前景良好。
开关磁阻电机报告
开关磁阻电机技术报告开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor，SRM）有成本低，结构简单，易于散热；容错运行能力强，可靠性高，鲁棒性强等一系列优点。
本人设计4kW、7.5kW和40kW开关磁阻电机控制系统，主要创新点和关键技术如下。
创新点：1.主回路开关管驱动电源，独立电源供电方式，上管为浮驱动，与常规电机开关管驱动电源采用自举供电方式不同。
这种设计不仅使上下管占空比D最大可以到100%，而且使得多种灵活的PWM控制策略成为可能：既可以选择无能量回馈方式的——上管常通，下管斩波，或者下管常通，上管斩波；也可以选择能量回馈方式的上下管同时斩波。
而独立电源实现方式，在4kW和7.5kW开关磁阻电机控制系统中采用了flyback反激拓扑供电架构；在40kW开关磁阻电机控制系统中采用了隔离DCDC模块电源供电架构。
2.由于开关磁阻电机各相交替工作，在4kW开关磁阻电机控制系统设计中，三根电机馈电线缆同时穿过一个电流霍尔传感器，减少了两个电流反馈传感器及其相应的调理电路。
3.提出了基于转子位置反馈误差的换相补偿策略。
位置传感器安装误差，造成传感器状态切换时刻的偏差，使得即使电机处于转速稳态时，绕组励磁持续时间也存在差异，当系统功率较大时，会造成较为严重的相间不平衡问题，进而电机振动和转矩不平衡加剧。
换相补偿策略具体实施方法：假设SRM处于转速稳定状态，利用上一个电周期信息作为下一个电周期的控制依据，用一个定时器记录SRM电周期，然后另一个定时器产生换相中断，这样在每个电周期内，各相就可以在DSP定时器精度下均分励磁区间。
关键技术：1.4kW开关磁阻电机主回路采用多管并联技术，增大了Mos管的通流能力。
2.反激电源的EMI抑制措施，改善了各个子系统间的电磁兼容性能。
EMI抑制措施主要包括：1）高频变压器精心设计，以尽量减小原边漏感引起的电压应力，减小原副边寄生电容引起的EMI干扰。
2）Mos管两端RC缓冲电路设计，抑制开关管关断电压尖峰。
开关磁阻电机
CREATE TOGETHER
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开关磁阻电机的工作原理
SRM的工作原理
• 电磁感应原理：转子绕组切割磁力线产生感应电动势 • 磁阻变化原理：定子凸极与转子凸极相对位置变化导致 磁阻变化 • 扭矩产生：磁阻变化产生电磁扭矩，驱动转子旋转
SRM的运转过程
• 启动阶段：电流通过定子绕组产生磁场，转子开始旋转 • 运行阶段：转子转速增加，磁阻变化减小，电流逐渐减 小 • 停止阶段：转子停止旋转，磁阻变化消失，电流降至零
应用领域的拓展
• 新能源汽车：提高电动汽车性能，降低能耗 • 家用电器：提高家用电器性能，降低能耗 • 工业自动化：提高生产效率，降低能耗
技术水平的提升
• 高性能电机的研究与应用：提高电机性能 • 新型控制策略的研究与应用：提高控制精度和响应速度 • 高性能驱动电路的研究与应用：提高驱动效率和可靠性
开关磁阻电机的技术发展趋势
高性能材料的应用
• 高磁能永磁材料：提高电机磁能密度 • 高强度绝缘材料：提高电机绝缘性能 • 高导热材料：提高电机散热性能
高性能电机设计
• 优化磁路设计：提高电机效率和扭矩 • 优化绕组设计：降低铜损，提高效率 • 优化轴承设计：提高电机运行稳定性
开关磁阻电机的研究热点与挑战
研究热点
• 新型控制策略：提高控制精度和响应速度 • 高性能驱动电路：提高驱动效率和可靠性 • 高性能材料的研究与应用：提高电机性能
挑战
• 高效率与高性能的平衡：提高电机效率，同时保持高性能 • 控制策略的优化：实现精确控制，提高系统性能 • 制造工艺的改进：提高电机制造工艺水平，降低成本
开关磁阻电机的未来展望
常温超导节能电机和传统电机性能对比
不同 持在0.96以上，极节电
素影响高效率区波动，效率 素影响高效率区波动，效率
低
低
定子绕组无需无功电流产生 定子存在使转子产生磁场的 受频异步电机功率因数较不
3
电机功率
转子磁场，转子磁场是永磁 励磁电流，是无功功率，运 高变频器的功率因数较高， 强磁体产生的，所以功率因 行有滑差S，功率因数普遍不 但是产生高次谐波污染
直流电机温升快永磁电机抗震能力 永磁同步电机长时间运行，定子、转子 差，长时间运行，温升快，温度超 温升快温度超过200℃可导致不可逆转的 过200℃可导致失磁，电机报废 失磁，电机报废
直流电机通过直流电机驱动器启 永磁同步电机通过变频器启动，较平
动，较平稳
稳，对电网无冲击
直流电机功率密度不高、体积庞大 永磁电机功率密度略高、体积略小，但 不能制作较大功率高压电机
磁线，铜损几乎为零
损
损
2.定子无铁芯设计，铁损几 2.硅钢片有很高的铁损
2.硅钢片有很高的铁损
电机损耗
乎为零、无磁饱和损耗
3.转子不但有涡流损耗，还 3.转子不但有涡流损耗还有
3.转子采用高导磁通的强磁 有励磁电流损耗及铜损、铁 励磁电流损耗
11 及节能效 体，没有涡流损耗，没有励 损
果
磁电流损耗及铜损、铁损
不同
击、永不失磁，不需要励磁 互作用而运转。损耗大，无 而运转损耗大，无功功率 电流，助力电机输出扭矩， 功功率高，造成效率低下， 高，造成效率低下，不节电
磁场相互作用而运转。效率 不节电
。
极高，节能明显 省去了励磁电流的损耗，负 高效率区间窄，受功率因数 高效率区间窄，受功率因数
2
运行效率 荷从0~150%变化，效率值保 、电压、电流、负载率等因 、电压、电流、负载率等因
开关磁阻电动机
开关磁阻电动机一、开关磁阻电机研究背景及实际意义随着社会经济的发展，电力需求日益增大，能源形势日趋紧张，环境恶化十分严重，据统计我国发电量的60%用于电动机，可以说用电大户是电动机，也是节能降耗潜力最大的区域之一，国内近年来有许多高校、科研院所和企业投入到开关磁阻电机技术的研发，取得了一定成果，并在纺织、冶金、矿山、石油等行业陆续得到应用，在不同工况下节电率达10-60%，正越来越呈现出它在调速性能和节能方面的优势。
目前我国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机调速。
交流变频技术硬件成本高，控制电路复杂且不易进行维护和维修，特别是国内的公司还未能很好掌握变频核心技术，产品基本上依赖国外进口，SRD和变频调速的综合效率比较如下表开关磁阻电机驱动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，开关磁阻电机应用前景广阔而且节能潜力巨大，对我国国民经济的发展具有深远的意义。
二、开关磁阻电机结构和工作原理开关磁阻电机的定子和转子都是凸极结构，即双凸极结构，转子、定子极数不相等，转子和定子铁芯由导磁良好的硅钢片压制而成，转子铁芯无绕组，定子凸极上有集中绕组。
与普通电机一样，转子、定子之间有很小的气隙，转子可以在定子内自由旋转，开关磁阻电机根据转子、定子极数不同可以有多种不同相数的结构，比如定子有6个极，转子有4个极，6/4结构三相开关磁阻电机，如图1所示。
图中，定子径向相对的两绕组串联成一相，比如AX相、BY相、CZ相，转子径向的凸极构成一组。
由于定子极数与转子极数不相等，所以定子极距和转子的极距不相等，当任意相定子凸极中心线与转子凸极中心线重合时，另外一组转子凸极中性线与定子其他相凸极中性线错开。
如图2所示6/4结构开关磁阻电机运转截面图，当A相接通电源产生磁通，利用磁阻最小原理，也就是磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，此时由于A相绕组对应的定子凸极中性线与转子凸极中性线不重合，磁阻不是最小，磁场就会产生拉力，牵引最近的转子凸极转到磁阻最小的位置，如图2转子逆时针转动10°、20°，直到转子凸极转到30°与A相绕组对应的定子凸极重合为止，此时磁阻最小。
开关磁阻电机PPT课件
q1 0 q2 q3 q0 q4 q5
q=0 定子磁极轴线与转子凹槽中心重合
q1(q5) q2 q3 q4
转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置 转子磁极前沿与定子磁极前沿相遇位置 转子磁极前沿与定子磁极前沿重合位置 转子凹槽前沿与定子磁极后沿重合位置
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SR电机绕组电感的分段线性解析式：
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12/8 极三相开关磁阻电动机
A
C
B
B
C
A
A
C
B A
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B C
12/8 极三相开关磁阻电动机
A
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C
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A
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B C
12/8 极三相开关磁阻电动机
A
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B
C
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A
C
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B C
12/8 极三相开关磁阻电动机
A
C
B
B
C
A
A
C
B A
转子极数 4 6 8 10 12 14 16
步进角(度) 30 15 9 6 4.28 3.21 2.5
相数与转矩、性能关系：
相数越大，转矩脉动越小，但成本越高，故常用三相、四相，还有学者在研究两 相、单相SRM。
低于三相的SRM 没有自起动能力！
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常用开关磁阻电机方案结构
两相 4/2结构 三相 6/4结构
电源
功率变换器
SR 电动机
负载
控制信号
电流检测 位置检测 控制器
SRD
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开关磁阻电机结构
开关磁阻
图6-3 单相径向-轴向磁通 外转子电动机
相数m 1 2 3 4 5 6 定子极数Ns 2 4 6 8 10 12 转子极数Nr 2 2 4 6 8 10
常见SRM定、转子极数组合方案
SRM的起动能力
❖ 一般低于三相的SRM都不具备自起动能力。如两相电机 在对齐位置(定、转子磁极中心线对齐)和不对齐位置(定子 极与转子槽中心线对齐)时，无论采用怎样的相电流组合 都无法产生转矩，存在转矩“死区”。解决方法为：
❖ 定子上装有简单的集中绕组，直径方向相对的两个绕组 串联在一起，构成“一相”；转子由叠片构成，不需要 任何形式的绕组、换向器、集电环等。
图6-2 开关磁阻电动机的基本结构
开关磁阻电动机的分类
❖ 按相数分： 单相、两相、三相、四相和多相；
❖ 按气隙方向分： 为轴向式、径向式结构和径向-轴向混 合式结构。
①具有较少数量的主开关元件。
②可将电源电压全部加给电动机相绕组。
③主开关器件的电压额定值与电动机接近。
④具备迅速增加相绕组电流的能力。
⑤可以通过主开关器件调制,有效地控制相电流。 ⑥能将绕组储能回馈给电源。
SRD系统功率变换器四种典型形式
图6-5 SRD典型功率变换器
SRD系统功率变换器四种典型形式
分，绕组关断时其贮能不是直接回馈到电源，而是转存到电容上，然后
再回馈到电源。其优点是可工作于相数较多的场合，且加快了绕组放电，
改善了电流波形，提高了系统效率。
3. 位置检测器
❖ SRM位置检测的目的是确定定、转子的相对位 置，是决定绕组通电与关断的依据，也是提 供速度信息从而保证系统的动、静态性能的 依据。目前多采用直接位置检测的方法检测 转子位置，如光电式、电磁式或磁敏式传感 器。
开关磁阻电机大学课件
02
开关磁阻电机的结构与组成
定子结构
1 3
定子铁芯
由硅钢片叠压而成，是产生磁场的关键部分。
定子绕组
电流斩波控制
总结词
电流斩波控制是一种控制开关磁阻电机 电流的方法，通过设定电流的上限和下 限，当电流超过上限时，控制器会降低 电压以减小电流；当电流低于下限时， 控制器会增加电压以增加电流。
VS
详细描述
在电流斩波控制策略中，控制器实时监测 开关磁阻电机的电流，当电流超过设定的 上限时，控制器会降低电机相电压，以减 小电机电流；当电流低于设定的下限时， 控制器会逐渐增加电机相电压，以增加电 机电流。通过这种方式，可以有效地限制 电机电流，防止过流对电机造成损坏。
传感器
用于检测转子的位置和速度，以便控制器精确控制电 机的运行。
保护电路
用于保护电机和控制器的安全，防止过电流、过电压 等异常情况。
03
开关磁阻电机的控制策略
角度控制
总结词
角度控制是一种精确控制开关磁阻电机转子位置的方法，通过检测转子的位置 并调整开通角和关断角来控制电机的转动。
详细描述
在角度控制策略中，控制器实时检测开关磁阻电机的转子位置，并根据转子的 位置来精确控制电机的开通角和关断角。通过调整开通角和关断角，可以精确 地控制电机的转动，从而实现高精度的位置和速度控制。
06
开关磁阻电机的前景与展望
技术发展趋势
高效能化
随着新材料、新工艺的应用，开关磁阻电机的效 率将进一步提高，降低能耗。
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开关磁阻电机功率因数
一、开关磁阻电机的基本原理
开关磁阻电机是一种新型的电机，其基本原理是利用磁场的转移作用来实现转子运动。
该电机由定子和转子两部分组成，其中定子上有若干个线圈，通过交流电源对其进行供电，从而产生旋转磁场。
转子上则装有若干个铁芯，在旋转磁场的作用下，铁芯会发生磁通的变化，从而引起铁芯内部的磁场分布发生变化，使得转子产生旋转运动。
二、开关磁阻电机的优点
相比传统的感应电机和永磁同步电机，开关磁阻电机具有以下几个优点：
1. 高效率：由于该电机采用了开关控制技术，在启动和运行过程中可以实现高效率控制，从而大大提高了整个系统的能量利用率。
2. 负载能力强：在高负载情况下，该电机仍然能够保持较高的效率和稳定性。
3. 可靠性高：由于该电机采用了无刷结构设计，在使用过程中不会出现刷子摩擦和磨损等问题，从而大大提高了其使用寿命。
三、开关磁阻电机的功率因数
功率因数是电力系统中的一个重要参数，它表示有用功与视在功之比。
在开关磁阻电机中，由于其结构特点和工作原理的限制，其功率因数
通常较低。
这主要是由于以下几个方面的原因：
1. 谐波产生：由于该电机采用了开关控制技术，在启动和运行过程中
会产生大量的谐波，从而导致系统中出现较多的无功功率。
2. 磁场变化：由于该电机采用了变磁场控制技术，在运行过程中会不
断改变磁场方向和大小，从而导致系统中出现较多的无功功率。
3. 电容器不足：在使用该电机时，需要配备适当大小的电容器来补偿
无功功率，如果选用不当或数量不足，则会导致系统中出现较多的无
功功率。
四、提高开关磁阻电机的功率因数
为了提高开关磁阻电机的功率因数，可以采取以下几种方法：
1. 优化控制策略：通过优化控制策略，减少谐波和磁场变化对系统的
影响，从而降低无功功率的产生。
2. 增加电容器：在使用该电机时，可以增加适当大小的电容器来补偿
无功功率，从而提高整个系统的功率因数。
3. 改进电机结构：通过改进电机结构，减少谐波和磁场变化对系统的
影响，从而降低无功功率的产生。
四、总结
开关磁阻电机是一种新型的高效率、高可靠性的电机，在实际应用中
具有广泛的应用前景。
然而，在使用过程中需要注意其功率因数问题，采取适当措施来提高整个系统的能量利用效率。