新型开关磁阻电机及其拓扑结构

引言

开关磁阻电机是一种新型的特种电机，是融合了电力电子技术、电机学、自动控制原理、传感器检测等多门学科的机电一体化系统。它具有本体结构简单，控制方式灵活，机械特性硬，温升低等特点，特别适合于电气传动系统，它的调速性能可以媲美直流调速系统，同时由于容错能力强，适于恶劣环境下工作的特点，使得它在采矿、纺织、造纸等行业异军突起。 开关磁阻电机是一种无刷、单励、双凸极（其定子和转子都是凸极式齿槽结构，均由普通硅钢片叠压而成）、转子上既无绕组也无永磁的电机，定子极上有集中绕组，空间径向相对的定子齿上的两个绕组通过串联或并联的方式构成一相的两个磁极。它通过励磁定子极吸引转子实现转动。开关磁阻电机在机械上有点粗糙，可以实现高速、无故障运行，且易于大规模生产。 本文从传统的开关磁阻电机结构特点出发，针对新型开关磁阻电机国内外发展情况，对新型开关磁阻电机及其拓扑结构进行综述，分析了新型开关磁阻电机及其拓扑技术特点及工作原理。这些文献提出的新型开关磁阻及其拓扑结构在一定程度上提高开关磁阻电机单位电流输出转矩、解决少相开关磁阻电机自启动问题、辅助检查电机转子位置、提高电机效率、扩展电机功能等方面做出研究，并得出相关结论。对开展开关磁阻电机进一步深入研究有着重大意义。

传统开关磁阻电机结构特点

SRM的运动是由定、转子间气隙磁阻的变化产生的。当定子绕组通电时，产生一个单相磁场，其分布要遵循“磁阻最小原则”，即磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合。因此，当转子轴线与定子磁极的轴线不重合时，便会有磁阻力作用在转子上并产生转矩使其趋于磁阻最小的位置，即两轴线重合位置，这类似于磁铁吸引铁质物质的现象。开关磁阻电机就是属于这一类型的电机。 开关磁阻电动机是双凸极可变磁阻电动机，其定、转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成。转子既无绕组也无永磁体，定子极上有集中绕组，径向相对的两个绕组串联构成一个两极磁极，称为“一相”。相数多，步距角小，利于减小转矩脉动，但是其结构复杂，而且主开关器件增多，成本高。 如图1所示，这是一种典型的单相开关磁阻电动机。从图上看得出，定子有两个极，而转子也只有两个极。单相开关磁阻电机主要应用于高速领域。如图2所示，这是一种两相开关磁阻电动机的模型。 很容易看出，定子有两对定子极，转子有一对转子极。显然，这种形式的单相电机和两相电机结构简单，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）都不具备自起动能力，同时也存在一定的转矩“死区”。

三相电动机是最常见的开关磁阻电动机，如图3、4所示。三相电动机是具备正反方向自起动能力最少相数的常规结构SR电动机。三相6/8极转子步进角比6/4极小，有利于减小转矩波动，但是降低了对齐位置与不对齐位置电感比率，导致控制器伏安容量增加，由于开关频率上升，也使铁心损耗增大。

与三相电动机相比，四相电动机的起动性能要好得多，转矩波动也小，但电动机和控制器的成本都有所增加。常见的四相8/6极SR电动机，如同5所示，每转有24个步距，步进角15°。此外，还有四相8/10极结构，每转40个步距，步进角为9°。研究表明，8/10极结构的电动机电感比率要比8/6极低，如图6所示。

采用五相（图7）或更多相数的开关磁阻电动机的目的是为了获得更平滑的电磁转矩，降低转矩波动，另外一个优点是可获得稳定的开环工作状态（无位置传感器），但其缺点也是很明显，电动机和控制器的成本和复杂性大大提高。多相开关磁阻电动机一般都采用短磁路的结构。除了上述常规结构形式外，还有盘式结构、滚动转子结构和直线式等特种开关磁阻电动机。图8为7相开关磁阻电机结构示意图。

新型开关磁阻电机及其拓扑结构

迄今为止，国内外的专家已经实现了很多种开关磁阻电机的设计，本节将主要的叙述几种特殊结构开关磁阻电机的设计理念： 实现了一个新的单相混合开关磁阻电动机，该电机采用磁阻转矩和永磁转矩相结合的驱动方式，同时电机中体现的齿槽转矩是有利于减少转矩脉动。该电机不同之处在于，电机通过在磁通量集中的地方用安装廉价的铁氧体磁铁的方式来实现特定位置高齿槽转矩并灵活的塑造齿槽转矩特性。 电机转子的专门的设计对减少涡流损耗起动一定的效果，原型电机结构及磁路方向如图9所示，电机可由一个两相不对称半桥变换器控制。 该电机有四个磁阻磁极和两个PM磁极组成。以磁通量汇集的形式安装有四个矩形永磁体，转子极在接近表面的地方有一个翼缝或是小槽，它的功能类似于一个阶梯转子极的结构，能够实现电机的自启动。 设计的这种结构电机只在逆时针方向旋转。电机的工作原理如下：当转子是在处于定子磁极的非开槽部分与PM磁极对齐的情况下，如图1所示，如果能够提供一个消磁电流，那么电机将通过正向的磁阻转矩和正向的永磁定位转矩被拉到与磁阻磁极一致的位置上。在这期间，齿槽转矩是负的。当转子与磁阻磁极一致的位置时，电流应该为零。正向的齿槽转矩将继续拉动转子磁极直到与永磁磁极对齐的位置，重复这样的过程，就会得到一个稳定的操作过程。  

该电机驱动系统与现有的电机驱动系统相比，能够实现低成本的应用。文献通过有限元模型来分析和预测电机的性能，结果表明电机驱动系统能够实现电机自启动，并有较好的运行效果。 提出一种交流/直流转换器控制技术和带有反应电枢绕组的高速单相磁阻发电机技术。直流到交流的脉宽调制转换器提供了相位角度控制，该技术能控制系统在较宽的调速范围获得高的功率因数，同时可以保持转换器和发电机具有比较低的伏安数。 图10为这种带有八个定子齿和四个转子齿的发电机结构和32/16结构的开关磁通发电机结构示意图。励磁绕组F和电枢绕组A位于同一定子槽内，在简单的转子上没有绕组。文献同时提出一种PWM控制方式，通过控制发电机宽范围的功率因数实现最小的kVA容量。 发电机的输出直流电压被三个独立的参数所控制：励磁磁场，输出轴速度和转换器相位角。在高速电机应用中这是一个很大的优势，因为对于不同的速度，在最佳功率因数的条件下，去控制所输出电压具有较高灵活性

设计一个嵌入式永磁式反向磁通电机。反向磁通电机是一个双凸极永磁定子的电机。定子集中绕组上的永磁磁链与转子的极性反向。其结构简单，适合大批量生产。该电机具有低自感和互感，具有较低的电气时间常数和高容错转矩特性。 然而，其结构存在明显的永磁磁链和齿槽转矩。磁链会降低电机功率密度和电机的磁阻转矩能力。齿槽转矩也会产生转矩脉动从而导致振动和噪声，对于电机的性能是不利。文献同时提出改进的反向磁通电机新设计结构。这种新型反向磁通电机有永磁且平行于定子磁力线，因此很难被消磁。 图11比较了嵌入式磁钢型与传统型的反向磁通电机结构区别。为了能够证明所提出的反向磁通电机的性能，设计了多个使用了大量的永磁通，具有相同规格的反向磁通电机（例如转子和定子的直径，铁芯长度和绕组匝数）。 嵌入式反向磁通电机的磁铁有大约54g，而传统型的磁铁为90g。永磁材料为烧结钕铁硼，为了获得一个合理的磁导率系数，定转子气隙设计为0.5mm，采用二维有限元法，仿真结果表明嵌入式反向磁通电机能有效地提高转矩能力和小齿槽转矩。

提出了一种具有锯齿形极表面的开关磁阻电机，其定转子齿结构如图12所示。相对于平面齿结构，电机设计增加了最大电感和最小电感的比率。它作为一种增强转矩/体积比的概念已被引起注意。 具有锯齿电机能够获得的最大转矩是在它们额定电流的条件下来比较传统开关磁阻电机转矩的。相关文献认为由于当在极表面装有齿后可以增加有效的气隙面积，所以转矩的增加范围可以通过增加最大电感来实现。

单相开关磁阻电机在定转子齿重合部分会产生转矩，但不能自启动，同时转矩脉动比多相SRM的正转矩要大。 为了单相开关磁阻电机自启动，提出了一种自启动装置的设计过程，该装置可以在停机状态，使得电机转子停在一个固定的位置。电机通过在定子齿的角上，安装一个永磁体，通过永磁体的磁阻转矩，把电机停止旋转转子吸引到固定位置。其结构如图13所示。

提出了一种通过六开关管逆变器驱动一个星形连接环形绕组的开关磁阻电动机。该结构电机的设计目的在于减少传统开关磁阻电机功率器件，降低电机控制器的制造成本。电机为三相绕组结构，不同与传统的开关磁阻电机绕组的定子齿集中绕组，绕组绕在定子轭部。 电机工作时，需要两相绕组同时导通，共同产生闭合磁场，磁通路径经过电机定转子气隙，产生磁阻转矩。其绕组工作导通时序与无刷直流电机类似。当电机只有一相导通时，磁路沿着电机轭部进行闭合，磁通不经过定转子气隙，电机不产生电磁转矩。 图14为电机的绕组结构图和电机驱动功率电路。功率电路采用三相H桥结构，有六个功率管组成，这种结构有利于功率管的集成与封装，可以用通用的IPM或三相H桥集成功率模块。该系统的改进能够提高系统的硬件可靠行，降低制造工艺。

针4/2两相开关磁阻电机转子进行了改进，在电机转子上添加了铝制材料的导电面，原型样机实现规格为400W，7500r/min。 文献表明铝制材料的导电面在高速下能改善转矩特性，提高输出功率、提高传动效率，在高速下，性能的改进是由于降低了对齐电感，提供更好的初始电流响应。在低转速下，铝制材料的导电面可以改善电感的变化率和转矩。 典型的4/2开关磁阻电机结构如图15所示，图16为电机转子改进方案示意图。 该机有四个集中绕组S1至S4安装在定子极上，结构相对的两个绕组连接是串联或并联构成一相绕组，使每个线圈的磁动势加强。两相绕组，1相和2相，是机械垂直的。

表明铝制转子导电面的添加提高了两相开关磁阻电机的性能，转子导电面的价值是在高速下很明显，在这种情况下，增加导电面是一种低成本的性能改善。 介绍了一种永磁磁通控制开关磁阻电机，如图17所示。电机为三相12/10结构，绕组结构与传统的12/10开关磁阻电机结构类似，该电机在电机定子齿中嵌入了永磁体，永磁体的长度贯穿了整个磁极，永磁体的磁极方向按照两两相对或两两相向的排列方式。 电机定子永磁体的加入，改变了电机定子转子及气隙的磁通方式和磁密大小，电机通过对绕组电流的控制，利用电机磁饱和原理，对永磁体的磁路进行影响，已达到改善电机输出转矩的目的。 同时由于永磁体的介入，使得电机具有永磁电机的定位转矩，为了降低电机永磁体定位转矩对电机的影响，文献提出了两种电机转子齿形优化方案，一种在电机转子齿中间对电机转子齿错开一定的角度，一种是电机转子采用变齿宽结构，这两结构对降低永磁体带来的定位力，提高电机性能有较好的效果。

提出新型结构的单相开关磁阻电机。电机定子有8个齿，转子有4个齿，其中定子齿分为主绕组齿和辅助绕组齿，主绕组齿上有电机工作电枢绕组，为电机提供工作磁通。辅助绕组齿相对主绕组齿机械位置相差45°位置角，同时辅助绕组齿上只有一对齿上有辅助绕组，用来检测电机转子位置。 该电机结构如图18所示。由于传统单相开关磁阻电机没有启动能力，辅助绕组同时可以辅助电机在停止的时候，把电机的转子吸引到特定位置，让电机具有自起动能力。同时辅助绕组还能够在电机主绕组关断时吸收一部分能量，是的电机主绕组的电流续流时间变短。

提出新型嵌入永磁体单相开关磁阻电机，该电机有一相绕组构成，定转子都有两个齿，为了提高单相开关磁阻电机输出转矩性能，在电机轭部嵌入了两块永磁体，永磁的磁场方向为切向方向，两块永磁的磁极方向相同。同时提出斜面结构的电机转子，这种结构设计能够解决单相开关磁阻电机的无法自起动问题。电机结构如图19所示。

提出了一种高速两相开关磁阻电机，电机转子采用变气隙弧面结构，电机输出功率1.6kW，额定工作转速10000r/min，电机定子为四极两相结构，电机转子只有两个齿。 为了实现两相开关磁阻电机自起动，文献对电机转子形状进行优化，采用变气隙弧面结构，如图20所示。由于变气隙弧面结构的存在，使得电机转子在旋转过程中，电机磁路磁阻变化范围大大变宽，通过优化设计可以把两相绕组的电感变化区进行重叠，从而实现自起动能力。

提出了一种新型E型结构两相开关磁阻电机，电机定子由两个E型铁心构成，每个铁心有3个齿，形成E型结构，中间的齿宽为两边齿宽的两倍，电机的绕组在E型齿的两边齿上，采用集中绕组形式，中间的大齿没有绕组，转子有10个齿，均匀分布。 其结构如图21所示。电机定子E型结构中间大齿对电机磁路起到辅助作用，当绕组通电时，通过辅助大齿，构成短磁路结构。

综上所述，开关磁阻电机转子及其简单、既无永磁钢又无绕组，很强的高温环境适应能力。开关磁阻电机问世以来在世界各国特别是发达国家得到广泛应用。美国、英国、法国、日本、德国、瑞士等发达国家先后将开关磁阻电机应用于电动汽车、纺织、油田、航天航空、工业自动化及家用电器等各行各业领域。

结语

第一代开关磁阻电机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。 本文新型开关磁阻电机及其拓扑结构技术进行了综述，文献在单位电流输出转矩、解决少相开关磁阻电机自启动、辅助检查电机转子位置、提高电机效率、降低电机转矩波动等方面进行研究。 同时，可以看出两相开关磁阻电机是开关磁阻电机绕组形式较为简单电机形式，适用于高速或环境恶劣的工作场合。两相开关磁阻电机的功率器件少及控制策略易实施，其制造工艺和研制成本低，使得该种电机已成为国内外研究的热点。

编辑：黄飞