开关磁阻电动机的性能及典型应用

1 引言

开关磁阻电动机驱动系统（srd）由开关磁阻电机（srm或sr电机）、功率变换器、控制器和检测器四个部分组成，是20世纪80年代初随着电力电子、计算机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。开关磁阻电动机为双凸极磁阻电机，利用磁阻最小原理产生磁阻转矩，因其结构极其简单坚固，调速范围宽，调速性能优异，而且在整个调速范围内都具有较高的效率，系统可靠性高而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。开关磁阻电机已广泛或开始应用于电动车驱动、家用电器、通用工业、航空工业和伺服系统等各个领域，覆盖功率范围10w～5mw的各种高低速驱动系统，呈现巨大的市场潜力［1］。

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］。

2.2 功率电路简单、可靠

电动机转矩方向与绕组电流方向无关，即只需单方向绕组电流，相绕组串在主电路两功率管之间，不会发生桥臂直通短路故障，绕组相间耦合弱，缺相故障运行能力强，系统的容错能力强，可靠性高，可以适用于宇航等特殊场合。

2.3 高起动转矩，低起动电流

很多公司的产品可达到如下性能：起动电流为15％额定电流时，获得起动转矩为100％的额定转矩；起动电流为额定值的30％时，起动转矩可达其额定值的150％。对比其它调速系统的起动特性，如直流电动机为100％的起动电流，获得100％转矩；鼠笼感应电动机为300％的起动电流，获得100％的转矩。可见开关磁阻电动机具有软启动性能，起动过程中电流冲击小，电动机和控制器发热较连续额定运行时还小，因此特别适用于频繁起停及正反向转换运行的场合，如龙门刨床、铣床、冶金行业可逆轧机、飞锯、飞剪等。

2.4 调速范围宽，效率高

在额定转速和额定负载时运行效率高达92%以上，在所有的调速范围内，保持整体效率高达80%以上。

2.5 可控参数多，调速性能好

控制开关磁阻电动机的主要运行参数和常用方法至少有四种：相开通角、相关断角、相电流幅值和相绕组电压。可控参数多，意味着控制灵活方便，可以根据对电动机的运行要求和电动机的情况，采用不同控制方法和参数值，使之运行于最佳状态，还可使之实现各种不同的功能和特定的特性曲线，如使电动机具有完全相同的四象限运行（正转、反转、电动和制动）能力，并具有高起动转矩和串激电动机的负载能力曲线。

2.6 可通过机和电的统一协调设计满足各种特殊使用要求［3］

3 典型应用

开关磁阻电动机优越的结构和性能使其应用领域非常广泛，下面对其三个典型应用进行分析。

3.1 龙门刨床

龙门刨床是机械加工行业的一种主要工作母机，刨床的工作方式是工作台带动工件做往复运动，当其正程运动时，固定于机架的刨刀刨削工件，反程运动时，刨刀抬起，工作台空行返回。该刨床主传动系统的作用是带动工作台往复运动，显然，其性能优劣直接关系到刨床的加工质量和生产效率，因此，要求该传动系统具备以下主要性能。

3.1.1 主要特性

　　（1）适于频繁起动、制动和正反转转换，每分钟不少于10次，且起动、制动过程平稳快捷。

　　（2）静差率要求高。从空载到突然吃刀加载引起的动态速降不大于3%，且短时过载能力强。

　　（3）调速范围宽，适应低速、中速刨削和高速反程的需要。

　　（4）工作稳定性好，往返行程折返位置准确。

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。

3.1.2 采用感应电动机的问题

如采用感应电机变频调速驱动系统，则存在以下问题：

　　（1）输出特性较软，使得龙门刨床在低速时不能带足够的负载。

　　（2）静差大，加工质量低，加工工件出现花纹，吃刀时甚至停车。

　　（3）起、制动转矩小，起、制动慢，停车越位过大。

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