开关磁阻电机的演进与发展

开关磁阻电机（switched reluctance motor，SRM）是一种双凸极结构的新型电机，具有结构简单、制造成本低、调速范围宽、可容错运行［1］等特点，在工业驱动中具有较大的应用潜力。开关磁阻电机的雏形出现于第一次工业革命时期的英国。1842年英国的Aberdeen和Davidson用两个U形电磁铁制造了蓄电池，用它给电动车供电，其工作原理与现在的开关磁阻电机很相似。由于当时功率半导体器件还没有出现，只能采用机械开关的方式对蓄电池进行控制，因此这一发明在应用便捷性和性能方面存在很大问题，在功率半导体开关器件出现前并没有得到重视。20世纪60年代，大功率晶闸管开始在工业中应用，采用功率开关器件作为驱动的开关磁阻电机在易用性和可靠性方面得到了较大提升，迎来了其第一个高速发展阶段。S.A.Nasar在1969年正式提出了“switched reluctance motor”一词，并定义了开关磁阻电机的基本特征：①开关性，即电机通过连续的开关动作进行连续运转；②磁阻性，即开关磁阻电机具有双凸极结构，定、转子间磁路的磁阻随转子位置的变化而变化，转子倾向于向最小磁阻的位置转动。1974年，FORD MOTOR公司研发出最早的开关磁阻电机控制器，开启了开关磁阻电机的工程应用。1980年，英国Leeds大学的Lawrenson等发表论文［2］，系统地阐述了开关磁阻电机的原理及设计特点，引发了开关磁阻电机的研究热潮。英国TASC Drives是世界上第一家生产开关磁阻电机及其驱动系统产品的公司，于1983年推出了第一台商品化开关磁阻电机传动系统（Outlon，7.5kW，1 500r/min）。开关磁阻电机鲜明的特点引起了大批学者的研究兴趣，日本、英国、美国、中国等国家都开展了相应的研究工作。各国学者将开关磁阻电机调速系统与各类调速系统进行了系统比较，结果表明开关磁阻电机调速系统具有极强的竞争力。经过多年的发展，开关磁阻电机的研究工作已经取得了很大进展，其产品在电动汽车［3-5］、风力发电［6-7］、资源开采、航空航天［8-9］、家用电器等领域得到了广泛应用，功率范围为10W到5MW，转速高达100 000r/min。随着研究的深入，开关磁阻电机在驱动器设计、结构优化、先进控制等方面取到了诸多进展。

我国从20世纪80年代起开始了开关磁阻电机的研究、开发及应用，开关磁阻电机被列入中小型电机“七五”规划项目。从1984年开始，多家单位参与开关磁阻电机的研究，包括中国纺织总会纺织机电研究所、华中科技大学、南京航空航天大学、东南大学、福州大学、华南理工大学及浙江大学。1988年在南京航空航天大学召开了国内第一次开关磁阻电机专题研讨会。1992年，华中科技大学詹琼华教授出版了国内第一本关于开关磁阻电机的学术著作。1993年，在中国电工技术学会中小型电机专业委员会领导下，正式成立了开关磁阻电机学组，该学组由东南大学、南京航空航天大学、华中理工大学、上海电器科学研究所、南京调速电机厂、纺织部纺织机械研究所、哈尔滨电工学院等19家单位组成。经过多年的研发，我国自行研制的开关磁阻电机的功率已经覆盖5～300kW，在纺织机械、食品加工机械、轻型加工机床等产品中得到了广泛应用。但相比国外，我国在研究深度和理论成果转化方面仍然较弱。(www.xing528.com)

开关磁阻电机的研究涉及电机学、电力电子学、控制理论、传热理论、动力学理论等多个学科，其复杂的非线性电磁特性增加了研究的难度，导致目前开关磁阻电机结构设计、仿真分析、性能分析及控制方法等方面的研究仍存在诸多问题。