新型开关磁阻电机及其在电动工具上运用研究

新型开关磁阻电机及其在电动工具上运用研究

姜学峰

浙江科泰电气有限公司310020

摘要：随着我国电机驱动技术的进步和不断发展，开关磁阻电机驱动系统正逐步成为我国较新的电机驱动、调速应用技术，在使用领域它具有易于维护和工作可靠，成本和使用费用较低，同时还具有较大的转矩及功率密度有等优点。本文将结合新型开关磁阻电机的特点，分析它在电动工具及其它的相关行业的应用，以望借鉴。

关键词：开关磁阻电机（SRM）；电动工具；调速控制系统

引言：近年来，我国科学技术发展水平逐步提高，开关磁阻电机是发展中与时俱进的新型动力系统，它在应用领域具有良好的发展前景，在未来使用过程中有无限的工作潜力，随着不断的发展和技术进步可广泛应用在其他领域范围内，以下是具体的应用分析。

一、新型开关磁阻电机的工作原理与特点

得力于我国微电脑控制与电力电子技术突飞猛进的发展，尤其是单片机运算速度越来越快，相关零件价格逐渐降低以及相关电子开关器件的技术进步，使得开关磁阻电机的控制成本和制造费用逐渐降低，为新型开关磁阻电机的后续应用奠定更加坚实的基础。新型开关磁阻电机具有结构简单，运行可靠，工作效率更高，制造成本和维护费用低等优点，因此它会参与到较多的竞争领域，例如当前使用的交流电机调速系统、直流电机调速系统以及无刷直流电机调速系统。所以新型开关磁阻电机的应用会逐渐广泛的出现在人们日常生活中。

新型开关磁阻电机工作系统的运行原理并不繁琐。它自身相关运行结构在一定程度上与大步距角的步进电机相似。与早期步进电机不同的是，新型开关磁阻电机在工作过程中，运行系统必须实时对转子的位置、工作速度以及相关电流数据进行检测，进而结合工作系统的控制要求，为单片机提供相关的数据信息，单片机发出具体的驱动信号，以此实现电机驱动，同时实现过流、过温、欠压、短路等保护功能。结合以上运行状态来看，工作过程中相关信号的检测过程是开关磁阻电机的运行以及进行控制的关键构成部分。所检测的工作信号可以看作是各相关工作结构进行逻辑切换的关键依据，以实现处于速度调控环节时进行逻辑思维判断，同时发出针对性的信号反馈。以上这些就是新型开关磁阻电机与步进电机的主要不同之处。使新型开关磁阻电机真正做到有效运行的同时，可以进一步提高相关零件的再生能力，并提高设备的工作质量与工作效率。近年来，人们对新型开关磁阻电机进行深层次的研究与实践，结果表明以上优点在实际应用过程中非常明显[1]。

新型开关磁阻电机另一个特点就是工作结构较为简单。相关零件没有线圈、磁钢，刚性特点明显，整体建造技术较为简单，需要较低的经济成本即可，电机由此可以进行高速运转。定子线槽窗口具有较大的尺寸，通过采用集中缠，及较少线圈组数，线圈可以轻易嵌入到槽中，线圈的底端有较强的牢固性。这使得电机在高速运行过程中较为可靠，可以应用在任何不利的环境中，例如高温、振动幅度较大的环境进行工作。定子窗口由于具有较大的尺寸，非常容易进行通风、冷却。电机的转动方向与电流的运行方向没有联系性。因此结合以上特点，新型开关磁阻电机的功率密度可适当增加，使运行成本降低。

与使用变频调速的感应电机相对比，新型开关磁阻电机的经济成本费用与感应电动机比较接近，但新型开关磁阻电机的成本和维护费用远低于普通变频调速感应电机。对比普通感应电机变频调速与新型开关磁阻电机的调速性能，两者有很大的不同，尤其是低速时的调速性能差异更大。与此同时，普通变频调速只拥有较硬的特性曲线，因此在电动工具实际运用中只适用振动器、磨砂类工作器具，在使用其他类型的工具时极容易出现过载的问题。变频调速要与直流电机保持相类似的调速特性，就必须选择更加复杂的矢量控制工作系统。而新型开关磁阻电机可以通过不断调整开通角、电压以及电流，就可获得不同的工作曲线，相关工作技术较为容易实现，可以最大限度实现四象限运行的目标。而且以上这种方式只是一种仅靠思维逻辑控制的方式，只要通过控制软件调节电机工作性能就可以满足不同的拖动需求，同时更加容易的进行智能操作与控制。新型开关磁阻电机可以在不同的速度与使用功率范围内保证较高的工作效率，这也是传统变频调速感应电动机无法轻易做到的。

二、新型开关磁阻电机应用

（一）当前电动工具开关速度调节特点

当前电动工具开关大多会通过调节相关结构对电机的工作运转速度进行控制。调节相关结构例如开关的按钮，来调节调速电位器的输出电压，并在此基础上，调节电机的转速，通过以上方式对电动工具进行调节，以此进行更好的应用。控制器通过工作信号来改变相应的脉冲信号占空比，以此实现调节电动工具电机的运行速度。近年来我国在使用的调速工具在设计上尚存在一定缺陷，在速度开关的整体工作运转期内，控制器无法保证接收到较为平均的工作信号，因此最终导致电机速度出现波动，严重时会影响最终的占空比变化曲线，使得电机在运转的过程有明显的转速调节缺陷。

为了更好地解决以上问题，通过应用电动工具开关的速度调节机构对工具进行有力的控制，主要特征则包括一个主要控制器；一个与控制器良好连接的电阻铜箔、一个与电阻相互配合的电阻弹簧片，以上所说的电阻铜箔包括第一铜箔与第二铜箔，其中第一片为较为完整的长条形，第二片则处于中间位置，使电阻铜箔可以与相关设备速度控制器进行连接，实现调速电位器的功能。由此真正的解决了上述速度调节缺陷的问题，提高新型开关磁阻电机在运用过程中的各项性能指标。

（二）新型开关磁阻电机速度调节特点

通过对新型开关磁阻电机调速器实际应用研究可以得知，开关磁阻电机调速控制主要包括以下两方面：定子绕组电流大小以及各相定子的导通相序。定子绕组电流大小在运行过程中主要受较多因数的影响，其中主要包括定子电压、转子工作位置、速度和开关方位设置、以及电机负载等等[2]。各相定子的导通相序为了使转子可以在一个方向进行连续运动或进行变动，就必须保证连续的力矩，以上这类工作过程就必须使相关的导通顺序与组合进行相互联系与合作，在此过程会结合线性化电感图进行工作（如图1所示）。

图 1 线性化电感示意图

（三）在车床控制以及车辆驱动领域的应用

开关磁阻电机最早的应用范围就是电动车，电动摩托车到近年的大型公交车。以武汉为例，它应用功率较大的开关磁阻电机作为电动公交车关键的配套设备。以前电动车驱动多采用的较大功率的永磁无刷以及永磁有刷两种电机。然而与开关磁阻电机驱动有较大的区别，应用在较大功率输出或高温环境中时，开关磁阻电机就会展现出自身明显的优势。开关磁阻电机运行系统作为车辆行驶驱动系统，最主要的优点体现在以下几个方面。其一，开关磁阻电机具有较高的工作效率，即使在高功率输出、速度变化范围较大的情况时都可以保证较高的运行效率。这是我国原有电机工作系统难以做到的。所以开关磁阻电机尤为适合电动车的驱动，可以提高电动车的行驶里程。其二，开关磁阻电机较容易通过针对性的工作措施，以及系统设计满足电动车运行的目标，并且可以在高速运行过程中为电动车提供良好的行驶保障。其三，开关磁阻电机具有较好的耐温与散热功能，它可以通过自身较小的工作体积产生较高的工作效率，由此最大限度减少电机工作体积以及自身重量。其四，开关磁阻电机可以通过调整开通角以及关断角，由此达到良好的驱动效果并进行自身控制，这是一种依靠逻辑的工作方式，因此很容易智能化，通过有针对性的调整结构编程或替换相关电路，就可以良好的满足不同的工作需求。其五，开关磁阻电机的任意零件都较为坚固，例如电机本身抑或是功率转换器，在运行过程中并不需要太多的修理与维护，在任何不适于工作的环境，或高温、恶劣环境，它都可以展现出良好的工作适应性[3]。

开关磁阻电机工作结构更加稳定，通常转子上无绕组、无磁钢，尤为适合高速运转，并且控制电路相对简单、制造成本、费用较低、工作性能更加可靠。在不同的工作范围内工作效率较高，并且可以进行良好的象限控制。以上这些特点都使开关磁阻电机运行系统应用到电动车上，能在任何状态下良好运行，这是电动车辆中发展潜力较大的工作类型。在此基础上，开关磁阻电机运行系统最大的缺陷就是转速脉动大、产生较大噪音，尤其是转速脉动会严重影响车辆运行时的稳定性。与此同时，与永磁电机相比，它具有较低的工作密度以及较差的工作效率。它还具有另一个缺点就是工作位置传感器，无形之中使工作结构更为复杂，降低运行状态中的稳定性。结合以上问题来看，无传感器的开关磁阻电机可以降低电机的结构的复杂程度，优良的调速系统可以大幅减小电机的转速脉动，改进定、转子的结构可以提高开关磁阻电机的效率，这样的电机控制运行系统将是未来主要发展趋势之一。

除此之外，新型开关磁阻电机还可以良好的应用在风力发电领域。当前，我国较为原始的发动机，例如同步发电机、永磁发电机必须要保证稳定的电压以及工作频率，但风速的速度是不可控因素，因此，风力发电的工作原理则是通过风力的力量带动风车的叶片使其进行转动，进而通过运行构件提高转动的速度，由此使发电机进行发电。新型开关磁阻电机可以更加容易的发出较为稳定的直流电，并且由于自身运行结构较为简单，因此在运行过程中不需要太多的经济费用。在此基础上，当进行低频运行时，也难以出现不稳定的情况。因此结合以上情况来看，通过进行针对性的设计，可以在一定程度上借助风力驱动产生较高的工作效率。新型开关磁阻电机在物理与电磁中可以进行相互独立的运行，即使出现部分缺相的问题，仍然可以进行工作，具有较强的包容能力。新型开关磁阻电机还可以与蓄电池进行良好互补，因此可以尽可能地展现发电的良好优势。

三、新型开关磁阻电机在电动工具上的应用

电动工具是使用范围较广、用量较大的产品，大都会使用单向串励电动机，三相、单相工频、三相中频感应式电动机，以及永磁直流电动机作为主要的工作动力。单相串励电动机的运行转动速度较高、体积较小、启动转矩较大，是近年来电动工具中使用最频繁的一种电动机。三相、单相感应式电动机工作结构较为简单、功率较大、具有较高的工作可靠性、使用寿命较长，但由于整体输出功率较小、体积偏大且工作特性曲线较硬，因此只适用于小部分大型或可以移动的电动工具。三相中频感应式电动机在使用过程中具有较强的输出功率、整体体积较小，但整体工作特性曲线仍然较硬，尤其是当工作设备在低速运行时几乎没有转矩输出，由此看来，工作性能并不高。永磁直流电动机在使用前期大多应用于充电式电动工具，整体功率较小。随着近年来我国永磁技术的不断提高进步，大功率的永磁电动机已经在园林工具中广泛应用。

开关磁阻电机应用到电动工具中，其相关的控制与性能包括以下方面。其一，具体的转动方向与电流方向无关，在运行过程中功率电路具有较高的可靠性。在此基础上，具有较好的启动性能，在启动过程中不会产生较大的冲击电流，因此以上这种方式尤为适合正向、反向速度运转的工作过程。其二，开关磁阻电机工作效率较高的同时，还可以保证工作在不同功率以及速度范围内都可以有稳定的功率输出，这是其他电机工作系统难以达到的。其三，开关磁阻电机容易通过采用有针对性的工作系统以及运行状态，在具体的工作结构上实现较为良好的散热特点，因此可以为可靠工作提供优良的保障。在成本方面，开关磁阻电机运行成本远低于永磁电机，由于其自身工作结构较为简单，工作性能良好并具有较高的可靠性，它可以尽可能替代变频调速系统以及其它电动机运行系统。因此在解决电动机重量大，功率密度小等问题的同时，还可以提高工作效率以及使用寿命[4]。

结语：综上所述，由于新型开关磁阻电机在电动工具的转速调节、车床控制以及车辆驱动上都有更加广泛的应用，通过不断对新型开关磁阻电机以及相关应用进行研究，可以更好地丰富开关磁阻电机工作系统以及相关理论，对其未来技术研究与不断发展奠定更加坚实的应用基础。

参考文献：

[1]向宇,杨艳,刘程子,等.适用于无轴承开关磁阻电机的新型升压功率变换器[J].微电机,2021,54(11):82-87.

[2]闫文举,陈昊,刘永强,等.一种用于电动汽车磁场解耦型双定子开关磁阻电机的新型功率变换器[J].电工技术学报,2021,36(24):5081-5091.

[3]孙传余,李井凯,庄鹏,等.新型16相磁悬浮开关磁阻电机解耦特性及数学模型[J].微电机,2019,52(09):41-45.

[4]孙玉坤,殷生晶,袁野,等.新型混合励磁磁悬浮开关磁阻电机基础研究[J].电机与控制应用,2020,45(10):46-52.