开关磁阻电机系统结构优化

开关磁阻电机是双凸极结构的电机，结构如图1.1所示。开关磁阻电机的相绕组缠绕在定子凸极上，定子上均匀分布的若干绕组通过串联或并联的形式构成一相，同一相中各绕组的凸极间隔角度取决于定子数和相数，即θg＝360°Np/Ns，其中θg表示同一相绕组所在凸极的间隔角度；Np表示电机绕组相数；Ns表示定子凸极数。通常以绕组相数、定子和转子凸极数表示开关磁阻电机的结构，如三相6/4极、三相12/8极、四相8/6极电机以及四相16/12等。图1.1为三相12/8极开关磁阻电机的平面与三维结构图。开关磁阻电机的相数对电机性能有明显影响，增加电机相数可以有效降低转矩脉动，但将增加制造难度和成本。由于绕组相数小于3的开关磁阻电机不具备自启动能力［10］，因此，实际应用中三相开关磁阻电机最为常见。

开关磁阻电机的驱动系统主要由电机本体、控制器、驱动器（含功率变换）、位置传感器和电流传感器组成，驱动系统结构如图1.2所示。

图1.1　三相12/8开关磁阻电机结构

（a）平面结构图；（b）三维结构图。

图1.2　开关磁阻电机驱动系统结构图

开关磁阻电机的运行遵循“磁阻最小原理”，即磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合。当任一相绕组通电后，通电绕组产生的磁场将离该绕组所在定子凸极最近的转子凸极“吸引”到其轴线与该定子凸极轴线完全对齐的磁阻最小位置。当一相绕组达到最小磁阻位置时，定子凸极和转子凸极的间距不相等，相邻相绕组一定处于非最小磁阻位置，此时关闭达到最小磁阻位置的绕组，打开相邻相绕组，电机转子继续在电磁力作用下旋转。当控制器根据定子绕组的分布以固定方向给各相绕组顺序通电，转子就按照通电顺序方向连续旋转。在图1.2所示的系统中，控制器的作用是产生绕组的开关控制信号，使电机能按预定目标旋转。控制器通过位置传感器和电流传感器采集位置信号和相电流信号，进而判断系统当前状态；根据系统当前状态和目标状态，控制器通过控制算法给出控制信号。在较常见的转速控制系统中，控制算法由速度控制单元和电流控制单元组成，速度控制单元根据速度反馈误差设定目标电流；电流控制单元通过输出控制信号调节实际电流以追踪目标电流。在采用直接转矩控制或者智能控制的系统中，控制算法结构会略有不同。(www.xing528.com)

控制器是产生功率开关器件控制命令的核心，控制器根据位置反馈和电流信号反馈，按照特定的控制算法生成控制指令，控制指令经过驱动电路后可以控制功率开关器件的开通和关断。由于控制器的开关控制信号为弱电信号，驱动能力不足，控制信号一般通过驱动器作用于功率变换器，驱动器的主要作用是提高控制信号的驱动能力，同时保护功率开关器件，防止器件过流、过压或过热。功率变换器由可控功率开关器件（如IGBT或MOSFET）和功率二极管组成，通过功率变换器中各开关器件的开关动作，实现电源与电机之间的能量转换。开关磁阻电机具有电动和制动两种工作状态。在电动状态时，功率变换器将电源能量供给相应的开通相绕组进行励磁；在制动状态下，通过续流回路将通电绕组中储存的能量回馈给电源。

电流传感器采集各相电流信号，经模数转换反馈给控制器。位置传感器（包括光电编码器和旋转变压器等）用于获取开关磁阻电机转子的位置并提供给控制器，通过位置反馈还可以计算电机转子的转速，可用于电机的转速闭环控制。

开关磁阻电机的性能特点：定子、转子均由硅钢片制成，不含永磁体，制造成本低；定子采用集中式绕组，结构简单；转子上没有绕组，不产生铜损，运行效率高；启动转矩大，启动电流小，适合在超高速、高温或强振等恶劣环境下应用［11，12］。开关磁阻电机的功率变换器结构与交流电机变频器不同，其各相之间相互独立运行，某一相发生故障时不影响其他相的运行，具有容错运行能力，适用于一些对可靠性要求较高的场合，例如航空航天和风力发电等领域。开关磁阻电机与传统电机的性能比较如表1.1所示。

表1.1　开关磁阻电机与传统电机的性能比较

（续表）

与传统电机相比，开关磁阻电机也存在一些不足，包括非线性电磁特性导致的控制难度高、振动和噪声较大、转矩脉动较大、功率密度和效率低于永磁电机等。