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开关磁阻电机的特性及在家电业的应用 吴建华 浙江大学电机及其控制研究所，杭州 310027 摘要 开关磁阻电机是一种新型高效调速驱动系统，可广泛应用于家用电器、通用工业和电 动车驱动等各个领域。本文阐述了开关磁阻电机的工作原理和特点，以及在家电行业的应用 概况，并与变频调速电机作了比较。 关键词 开关磁阻电机，变频电机，家用电器，应用 1 概述 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。跨国电机公司 Emerson 电气公司还将开关磁阻电机视为其下世纪调速驱动 系统的新的技术、经济增长点。目前开关磁阻电机已广泛或开始应用于工业、航空业和家用 电器等各个领域。随着对开关磁阻电机认识的深入，其应用必将更为普遍。本文简要介绍了 开关磁阻电机的工作原理和特点，以及在家电业的应用概况。 2 工作原理和特点 图 1 开关磁阻电机的典型结构原理图 图1 所示是开关磁阻电机的典型结构原理图，电机为双凸极结构。转子仅由叠片叠压而 成，既无绕组也无永磁体；定子各极上绕有集中绕组，径向相对极的绕组串联，构成一相。 其工作原理遵循“磁阻最小原理”— —磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合，因磁场扭曲而 产生磁阻性质的电磁转矩。顺序给 A－B－C－D 相绕组通电，则转子便按逆时针方向连续 转动起来。当主开关管 S1、S2 导通时，A相绕组从直流电源 V吸收电能；而当 S1、S2 关断 时，绕组电流通过续流二极管 D1、D2，将剩余能量回馈给电源 V。因此，开关磁阻电机具 有再生的能力，系统效率高。对开关磁阻电机的理论研究和实践证明，该系统具有许多显著 的特点： （1）电机结构简单、坚固，制造工艺简单，成本低，可工作于极高转速；定子线圈嵌 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。 （2）损耗主要产生在定子，电机易于冷却；转子无永磁体，可允许有较高的温升。 （3）转矩方向与电流方向无关，从而可最大限度简化功率变换器，降低系统成本。 （4）功率变换器不会出现直通故障，可靠性高。 （5）起动转矩大，低速性能好，无感应电动机在起动时所出现的冲击电流现象。 （6）调速范围宽，控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩－速度特性。 （7）在宽广的转速和功率范围内都具有高效率 （8）能四象限运行，具有较强的再生制动能力。 与当前广泛应用的变频调速感应电动机相比，开关磁阻电机在成本、效率、调速性能、 单位体积功率、可靠性、散热性等都具有明显的优势或竞争力。图 2 是不同功率等级开关磁 阻电机和变频调速感应电机的效率比较（功率均折算到 1500r/min） ，如果说第一代开关磁阻 电机（1983 年研制）在小功率范围的效率比高效变频调速感应电动机低，第二代开关磁阻 电机（1988 年研制）的效率已全面超过了高效变频调速感应电动机。更难得的是，开关磁 阻电机在宽广的速度和功率范围内都能保持较高的效率， 这是变频调速感应电动机难以比拟 的。感应电动机要取得与直流电机相近的调速特性需采用复杂的矢量控制系统，而开关磁阻 电机通过调整开通角、关断角、电压和电流，可以得到不同负载要求的机械特性，控制简单、 灵活，能容易地实现软启动和四象限运行，而且由于这是一种纯逻辑的控制方式，很容易智 能化，通过修改软件调整电机工作特性满足不同应用要求。由于开关磁阻电机固有的转矩波 动，可能导致较大的噪声和振动，事实上这种情况的发生往往与电机设计和控制的不合理相 关，通过优化电机设计和控制策略，转矩波动和噪声完全可以得到有效的抑制，正确认识到 这一点对开关磁阻电机的开发和应用是很重要的。 SRD Ltd.公司开发的伺服应用开关磁阻电 机，转矩波动仅为 0.05%。图 3 为 132 机座开关磁阻电机的声压级，及与同机座号变频感 应电动机噪声的比较，在额定工作点的噪声已比变频感应电动机噪声低，且应注意到开关磁 阻电机具有 10kW 的额定功率，而变频感应电动机只有 7.5kW 额定功率。近年研究的最优 励磁控制策略、两次换流控制策略、电机噪声根源、定子振动模态、定子固有频率计算等成 果对降低电机噪声都有积极的促进作用。 随着设计和制造水平的提高， 噪声必将进一步降低。 图 2 不同功率等级开关磁阻电机和变频调速感应电机的效率比较 图 3 132 机座开关磁阻电机（10kW，1500r/min）声压级