开关磁阻电机驱动（SRD）系统概述

文/尚巍

（上海齐腾驱动技术有限公司 上海市 201208）

1 高效节能电机发展之路

最早发明的有刷直流电机（DCM）和有刷交流电机（ACM），已经有100 多年历史了，直到现在还因为价廉可靠、技术成熟等优点，在市场中占据很大份额。但未来趋势肯定是高效节能电机，并且正逐步的蚕食传统电机的市场，分为如下几个阶段：

第1 阶段：改进的交流异步感应电动机（ACIM）。廉价可靠，直至现在世界各国还在改进和应用，能效标准也从IE1 提高IE4。例如特斯拉第一代就是应用了铜转子技术的ACIM；

第2 阶段：额外加装变频器，成为“变频电机”。这个也是世界上大量应用的廉价产品，但是其核心技术仍然是基于ACIM；

第3 阶段：使用永磁体作为励磁能源的来源，大大提高了效率。细分为正弦波电流永磁同步电机（PMSM），矩形脉冲波电流的无刷直流电机（BLDC）。如果按照永磁体材料分类，又可分为铁氧体和稀土材料电机，广泛的应用在电动汽车、绝大部分高效电机应用等场合；

第4 阶段：开关磁阻电机（SRM）。其实也有100 多年的历史了，但是受限于驱动器一直没有广泛应用，直到近些年随着电力电子技术和半导体技术的飞速发展，突破了驱动技术的瓶颈，才真正发挥出了他的优势，而且随着研究的深入，其优势越来越明显，大有取代ACIM、PMSM、BLDC 的趋势。典型应用如美国联邦快递与政府合作大规模推广应用的SRD 物流车，宝马新一代X-Driver 技术电动汽车，新一代特斯拉电动汽车等。

2 高效节能电机各阶段驱动技术对比

ACIM 改进型：通过改进来提高电机的效率,例如铜转子，但是无法从根本上本质上克服此类电机的缺点。

组合变频电机：实现了功能，有一定的效果，但在大多数情况下由于变频器和电机是“硬匹配”，存在许多使用弊端，仍然无法改变其低速区效率低、扭矩低、电流高、因素低、谐波高的固有缺陷，总体上节能效果非常有限。

图1：110kW 巴士开关磁阻电动机

图2：1kW洗衣机开关磁阻电动机

图3：45kW 乘用车开关磁阻电动机

图4

图5

BLDC 和PMSM：系统额定效率很高性能先进，是非常有前途的新型高效电机。但是低速和高速性能不好，启动力矩小、过载能力低、调速范围窄、扭矩效率寿命难以持久等问题。最致命的问题是永磁体消磁问题，同时因为永磁体的存在，高温、震动都是严重影响和制约电机性能的问题。

SRM：不仅是额定效率高，更关键的是在低、中、高很宽的转速范围内，均具有很高的效率和扭距。即使在负重载情况下，也可以轻松实现低电流启动，高、中、低速区性能兼顾，而且高速特性是所有电机中最高的。特别是不需要永磁体，所以其可靠性最高，是最优秀的高性能电机驱动系统，在一些要求苛刻的场合得到大量应用，例如航空航天、军事、野外、电力驱动、公共交通等场合。缺点是功率密度低。

3 开关磁阻电机系统简介

3.1 开关磁阻电机系统的基本概念

开关磁阻电机驱动系统（Switched Reluctance Driver：SRD）。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（SRM）。

SRD，是磁阻动力装置的大脑，它综合转子位置、速度和电流等反馈信息及外部输入的命令，通过在线分析处理，决定控制策略，向功率变换器发出执行命令，控制磁阻电机运行。控制器由微控制器、数字逻辑电路及接口电路等构成。

3.2 开关磁阻电机系统的发展概况

1970年，英国Leeds 大学、Nottingham 大学研究出第一台50kw的开关磁阻电机，这也是现代SRM的雏形。但是，直到1980年，Leeds 大学的Lawrenson 及其同事们发表论文《开关磁阻调速电动机》，标志着开关磁阻电机正式得到国际承认。

目前，SRD 在国外已经得到很大发展。产品已广泛应用于电动车辆驱动系统、航空航天、家用电器、电动工具、超高转速设备、特种设备、纺织设备、通用工业（风机、泵、压缩机等）等领域，功率范围从10W 到5MW 不等，转速上限高达30 万转。中国对开关磁阻电动机调速系统的研究与试制起步于20 世纪80年代中期，目前取得了一定从基础理论到设计制造技术多方面的成果与进展。迄今为止，已有十余家单位推出不同性能、不同用途的及个系列和规格的产品，应用于油田、纺织、家电、机械、车辆等行业。

3.3 开关磁阻电机系统的基本结构和原理

开关磁阻电机是开关磁阻电机调速系统的执行单元，它的结构和工作原理与传统交直流电机有着根本的区别，其主要结构分为六大部分，分别为定子、转子、结构件、位置传感部分、散热结构部分。如图4 所示。

其工作原理也很简单，就是利用磁阻最小原理来实现的，细节请参考附件文献资料。

以12/8 极三相开关磁阻电机为例，如图5 表示该电机的横切面和一相电路的原理示意图。Sl、S2 是电子开关，Dl、D2 是二极管，Us 是直流电源。它的定子和转子为双凸极结构，极数互不相等，定子绕组可根据需要采用串联、并联或串并联结合的形式在相应的极上得到径向磁场，转子由硅钢片叠片构成，无绕组，转子带有位置检测器以提供转子位置信号，使定子绕组按一定的顺序通断，保持电机的连续运行。电机磁阻随着转子磁极与定子磁极的中心线对准或错开而变化，因为电感与磁阻成反比，当转子磁极在定子磁极中心线位置时，相绕组电感最大，当转子极间中心线对准定子磁极中心线时，相绕组电感最小。

4 开关磁阻电机驱动系统的特点

SRD工作的基础原理，决定了其具成为革命性的电机驱动系统，成为当代高性能电机之首。主要表现在：

（1）起动转矩大、起动电流小，控制系统从电源侧吸收很小的电流就可提供很大起动转矩，典型数据是：起动电流为额定电流的15%时起动转矩为100%的额定转矩，30%时可达150%。其优点还可以延伸到低速运行段，因此低速下可实现大转矩、直驱运行，是少数几种可以在低转速下（1~300 转）实现大扭矩的电动机；

（2）无功损耗极小，功率因数接近1。无功损耗大约是三相异步电机无功损耗的约2%；

（3）电机系统高效区非常宽泛，高、中、速区扭矩和效率兼顾。因为一方面电机的转子无铜损，另一方面电动机可控参数多灵活方便，易于在宽转速范围和不同负载下实现扭矩和效率的优化控制。以45kW SRM 为例，在低、中、高速的广泛范围内都在80%以上，这是其它一些调速系统难以达到的；

（4）峰值扭矩高、宽、持续时间长。这是其他任何电机系统都做不到的；

图6

图7

（5）对负载的变化自动检测，调整电流，从根本上实现节电。不同于诸多“调整型”节电设备，磁阻动力系统在运行时驱动器能自动感知电动机负载的大小和变化，并据此自动调整从电源侧所取电流大小，从本质上实现了节电；

（6）可以超高速运行，特别是10 万转以上的应用场合，效率和扭矩相比PMSM 和BLDC，更是其最有优势的地方；

（7）电动机结构简单，寿命和可靠性所有电机最好的结构，适用于频繁带载起停及正反向转换运行。SRM 的结构比鼠笼式感应电动机还要简单，其突出的优点是转子上没有任何形式的绕组，因此不会有鼠笼感应电机制造过程中铸造不良和使用过程中的断条等问题；定子方面，它只有几个集中绕组，因此制造简便、绝缘结构简单。

以额定45kW 峰值110kW 乘用车开关磁阻电动机系统为例，可以参考其定转子结构和基本性能曲线，如图6 和图7 所示。

5 结语

开关磁阻电机（SRM），作为一种“古老”但是年轻的高性能的新型调速系统，由于其技术系统的复杂性不是单一的某种技术所能解决，同时世界上从事此种设备研究的人员少，实际设计和应用人才更少，加之过去100年对这种动力装置的理解和认识还不够深入，因此，还远远没有达到普及的程度。

但是，其划时代的优越性能和先进制造业的发展，特别是近二十年驱动技术和半导体技术的飞速发展，逐步的解决了SRD 的瓶颈问题。所以，可以预见在未来的几十年里，SRM 全面进入各种应用领域是必然和必要的，其必将会逐步的取代DCM、ACIM、PMSM、BLDC 等传统电机技术。