負磁阻發(fā)電機概述

通過最近約20年問的研究和改進設計工作，使負磁阻發(fā)電機的性能不斷提高，目前已能在較大的功率范圍內(nèi)使其性能不低于其它型式的電動機。七十年代初，美國福特電動機公司研制出最早的開關磁阻電機調速系統(tǒng)。其結構為軸向氣隙電動機、晶閘管功率電路，具有電動機和發(fā)電機運行狀態(tài)和較寬范圍調速的能力，特別適用作蓄電池供電的電動車輛傳動。

七十年代中期，在工業(yè)部門的促進下，英國里茲大學和諾丁漢大學組成一研究小組，共同研制以傳動電動車輛為目標的開關磁阻電動機調速系統(tǒng)。小組在該系統(tǒng)的理論研究和實踐方面做了大量工作，他們研制的樣機容量從10W至50kW，轉速從750rpm至10，000rpm，其系統(tǒng)效率和電動機利用系數(shù)等主要指標達到或超過了傳統(tǒng)傳動系統(tǒng)。隨后以研究小組為基礎成立了開關磁阻電動機調速系統(tǒng)公司，以經(jīng)營其研究成果。1981年英國TASC公司獲準制造該系統(tǒng)，并于1983年推出商品名為Oulton的通用調速系列產(chǎn)品，其容量范圍為4-22kW。該產(chǎn)品的出現(xiàn)在電氣傳動界引起不小的反響。因為其確實在很多性能指標上達到出人意料的高水平，整個系統(tǒng)的綜合性能價格指標達到或超過了工業(yè)中長期廣泛應用的一些變速傳動系統(tǒng)。

開關磁阻電動機調速系統(tǒng)的出現(xiàn)不僅為工業(yè)、交通、國防及家用電器等部門提供了一種極其優(yōu)越的調速系統(tǒng)，而且也因其具有的典型機電一體化結果豐富了“機械電子學”的成功實例。因此1983年后在國際范圍內(nèi)迅速掀起開關磁阻電機研究開發(fā)熱，并持續(xù)至今不斷發(fā)展，其產(chǎn)品推廣領域不斷擴大。

我國對開關磁阻電機調速系統(tǒng)的開發(fā)研究開始于1984年，現(xiàn)已有大批高等院校、科研院所、生產(chǎn)企業(yè)從事開關磁阻電機調速系統(tǒng)的開發(fā)研究工作，在借鑒國外經(jīng)驗的基礎上，國內(nèi)對開關磁阻電機調速系統(tǒng)的開發(fā)研究盡管起步較晚，但是起點較高，研制目標基本都集中在較為成熟的三相或四相控制方案上，目前已有十余家單位推出不同性能、用途、功率(1kW到55kW)的多規(guī)格系列產(chǎn)品，應用于紡織、冶金、機械、運輸?shù)榷喾N行業(yè)、場所的數(shù)十種生產(chǎn)機械和運輸車輛中。

綜上所述：開關磁阻電機（SRD）是上世紀80年代初隨著電力電子、微電腦和控制技術的迅猛發(fā)展而發(fā)展起來的一種新型調速驅動系統(tǒng)，具有結構簡單、運行可靠及效率高等突出特點，成為交流電機調速系統(tǒng)、直流電機調速系統(tǒng)和無刷直流電機調速系統(tǒng)的強有力的競爭者，引起各國學者和企業(yè)界的廣泛關注。開關磁阻電動機調速系統(tǒng)兼具直流、交流兩類調速系統(tǒng)的優(yōu)點，是集現(xiàn)代微電子技術、數(shù)字技術、電力電子技術、紅外光電技術及現(xiàn)代電磁理論、設計和制作技術為一體的光、機、電一體化高新技術。英、美等經(jīng)濟發(fā)達國家對開關磁阻電動機調速系統(tǒng)的研究起步較早，并已取得顯著效果，產(chǎn)品功率等級從數(shù)瓦直到數(shù)百千瓦，廣泛應用于家用電器、航空、航天、電子、機械及電動車輛等領域。中國對開關磁阻電動機調速系統(tǒng)的研究與試制起步于20世紀80年代末90年代初，取得了從基礎理論到設計制造技術多方面的成果與進展，但產(chǎn)業(yè)化及應用性研究工作相對滯后。

負磁阻發(fā)電機在構造上與常規(guī)發(fā)電機有很大的區(qū)別，常規(guī)發(fā)電機主要由轉子和定子兩大部分構成；而負磁阻發(fā)電機是由內(nèi)定子、斬磁器、外定子、整流器、儲能電感、脈沖變壓器等機構組成。另外，兩種發(fā)電機的磁路方向也是不相同的，常規(guī)發(fā)電機的磁路方向多為徑向，或沿周向，而負磁阻發(fā)電機的磁路方向統(tǒng)為軸向。

負磁阻發(fā)電機的轉子即是斬磁器，它是由特殊的超導磁材料（新開發(fā)材料）構成的，它具有很強的遮磁作用。當斬磁器在內(nèi)定子與外定子之間高速旋轉時，內(nèi)定子感應到外定子磁極中的磁通量就會由靜磁通變?yōu)槊}沖磁通，于是在外定子電樞線圈中就會產(chǎn)生脈沖式感應電流。因為外定子電樞設計有N多磁極，所以當斬磁器依次遮擋每一級電樞時，電樞中的磁通量都會有一次由多到少的變化過程，按愣次定律，磁通由多到少變化時，感應電流的磁場方向與原磁場（內(nèi)定子磁場）方向相同。當感應電流的磁場方向與內(nèi)定子磁場方向相同時，將對斬磁器產(chǎn)生排斥力；將電樞回路設計成純電感電路，于是感應電流就會落后于感應電動勢90°。因為感應電動勢是在斬磁器開始遮向電樞磁極時就隨即產(chǎn)生的，所以就必須使感應電流落后，也就是使他的斥力僅作用于斬磁器的后沿部分；于是，斬磁器高速旋轉將內(nèi)定子的恒穩(wěn)磁場斬變?yōu)槊}沖磁通。

傳統(tǒng)的PID控制一方面參數(shù)的整定沒有實現(xiàn)自動化，另一方面這種控制必須精確地確定對象模型。而開關磁阻電動機(SRM)得不到精確的數(shù)學模型，控制參數(shù)變化和非線性，使得固定參數(shù)的PID控制不能使開關磁阻電動機控制系統(tǒng)在各種工況下保持設計時的性能指標。

模糊控制器是一種近年來發(fā)展起來的新型控制器，其優(yōu)點是不需要掌握受控對象的精確數(shù)學模型，而根據(jù)人工控制規(guī)則組織控制決策表，然后由該表決定控制量的大小。因此采用模糊控制，對開關磁阻電動機（SRM）進行控制是改善系統(tǒng)性能的一種途徑。但在實踐中發(fā)現(xiàn)，常規(guī)模糊控制器的設計存在一些不足，如控制表中數(shù)據(jù)有跳躍，平滑性較差，這對控制效果有影響。

模糊控制和PID控制兩者結合起來，揚長補短，將是一個優(yōu)秀的控制策略。其理由是：

第一，由線性控制理論可知，積分控制作用能消除穩(wěn)態(tài)誤差，但動態(tài)響應慢，比例控制作用動態(tài)響應快，而比例積分控制既能獲得較高的穩(wěn)態(tài)精度，又能具有較高的動態(tài)響應。因此，把PI控制策略引入Fuzzy控制器，構成Fuzzy-PI復合控制，是改善模糊控制器穩(wěn)態(tài)性能的一種途徑。

第二，增加模糊量化論域是提高模糊控制器穩(wěn)態(tài)精度的最直接的方法，但這種方法要增大模糊推理的計算量，況且量化論域的增加也不是無止境的。

1、各主開關管的電壓定額不變。

2、由于主開關管的電壓定額與電動機繞組的電壓定額近似相等，所以這種線路用足了主開關管的額定電壓，有效的全部電源電壓可用來控制相繞組電流。

3、由于每相繞組接至各自的不對稱半橋，在電路上，相與相之間是完全獨立的，故這種結構對繞組相數(shù)沒有任何限制。

4、每相需要兩個主開關管。除了電動機繞組與每相開關串聯(lián)，不存在上、下橋臂直通的故障隱患之外，很像三相異步PWM逆變器電路。

負磁阻發(fā)電機在印染行業(yè)的應用

在印染行業(yè)中，筒紗染色的均勻性在工藝被決定了之后，主要就取決于筒子染色機輸送染液的主泵對流量流速的控制與選擇。由于紗線品種的多樣性，不同紗支所需的流量流速存在著差異，即使是同一種紗線若捻度不一樣也需要主泵對流量流速進行選擇。早期的筒子染色機必需由工人憑借經(jīng)驗來操作，20世紀90年代有了交流變頻器就可以通過染缸內(nèi)外差的檢測與反饋信號調節(jié)主泵轉速來解決，現(xiàn)在有了SRD電動機調速系統(tǒng)完全可以利用它取代交流變頻器。這是因為SRD電機調速系統(tǒng)在與PLC編程控制裝置結合之后其染液流量流速狀態(tài)更容易被控制，在任何情況下都能給出一個合理數(shù)值，同時電子元器件也不再受溫度與濕度的干擾，這樣也就確保了運行的穩(wěn)定性，同時還解決了電機在潮濕環(huán)境里運行的問題。

負磁阻發(fā)電機在化纖行業(yè)中的應用

在化纖行業(yè)，其關鍵工序之一是將熔融的化纖材料在恒壓下，由微孔噴出冷卻成絲。為了使出絲的直徑嚴格一致，計量泵的轉速必須高度穩(wěn)定。一般紡絲泵是由永磁同步電機驅動的。這種電機內(nèi)有永磁體，長期工作會逐漸退磁，電機就必須及時更換。如果采用SRD調速電機，由于其有位置檢測器，完全可以構成速度閉環(huán)系統(tǒng)，保證轉速穩(wěn)定且不受負載變化的影響。

負磁阻發(fā)電機在紡織行業(yè)的應用

這主要因為開關磁阻電機可以在四象限之中進行運行，即能按照指令實施順時針轉動，順時針制動，逆時針轉動，逆時針制動等四種狀態(tài)的運行與轉換。未來可以說SRD電機無論在系統(tǒng)靜動態(tài)性能的滿足上，可靠性上，性能價格比上均比其它調速系統(tǒng)占有明顯的優(yōu)勢，也必將是抓棉機的最理想的動力機械。同時，根據(jù)SRD電機的特點，它可以適應織造機械中的整經(jīng)機以及漿紗機的主傳動恒動率的變速運行，也可以滿足自調均整的梳棉機，細紗機，絡筒機以及捻線機，最終實現(xiàn)紡織機械的全數(shù)字化的驅動。

磁阻效應(Magnetoresistance Effects)的定義：是指某些金屬或半導體的電阻值隨外加磁場變化而變化的現(xiàn)象。金屬或半導體的載流子在磁場中運動時，由于受到電磁場的變化產(chǎn)生的洛倫茲力作用，產(chǎn)生了磁阻效應。

磁阻效應是指電阻在磁場中增加的現(xiàn)象。磁阻效應在半導體中尤為顯著。效應的大小通常用電阻的改變量和電阻本身的比值來量度：

在磁場中，由于Lorentz力的作用，一般來說載流子的運動將發(fā)生偏轉，這是產(chǎn)生磁阻效應的原因。但在等能面為球形的簡單能帶的情形下，縱向磁阻為零。因為在此情形下，漂移速度與磁場平行. 磁場的存在并不改變載流子的漂移運動，但橫向磁阻一般不為零。在橫向磁場下，作漂移運動的載流子同時受到Lorentz力和由Hall電場產(chǎn)生的靜電力的作用。這兩種力的作用在總體上相互抵消，使橫向電流為零。 但在動量弛豫時間依賴于能量的情形下，不同能量的載流子有不同的平均(漂移)速度，所受Lorentz力的大小并不相同。只是某一特定能量(平均速度)的載流子所受Lorentz力與靜電力完全抵消。高于和低于此能量(平均速度)者，所受合力分別指向相反的方向，使載流子的漂移運動向兩邊偏轉。 這將導至電流減小，即導至橫向磁阻效應。但應指出在簡單能帶情形下，當弛豫時間與能量無關時，橫向磁阻為零。

磁阻，是一個與電路中的電阻類似的概念。電流總是沿著電阻最小的路徑前進；磁通量總是沿著磁阻最小的路徑前進。磁阻與電阻一樣，都是一個標量。