开关磁阻电机的结构和工作原理

开关磁阻电动机有两个基本特征： 1）开关性， 开关磁阻电动机必须工作在一种连续的开关模式； 2）磁阻性， 开关磁阻电机为双凸极可变磁阻电机， 它的结构原则是转子旋转时磁路的磁阻要有尽可能大的变化。其实常用的永磁电机由于转子上嵌入了永磁体，也造成了转子凸级磁阻变化，因而永磁电机的转矩中也包含了磁阻转矩，但是磁阻转矩在永磁电机中占比不大，所以一般忽略了这种转矩成分。

一、开关磁阻电机本体结构

开关磁阻电机的定、 转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成，这种加工工艺可尽可能地减小电机的涡流及磁滞损耗。转子极上既没有绕组也没有永磁体，更没有换向器、滑环等， 定子极上绕有集中绕组， 径向相对的两个绕组串联构成一相， 电机整体结构简单。

开关磁阻电机根据需要可设计成不同的相数， 按相数来分有单相、两相、 三相、四相及多相磁阻电机，但低于三相的开关磁阻电动机一般没有自启动能力。 电机的相数越多，步距角就越小， 就越有利于减小转矩脉动，但是相数多， 要用的开关器件就多，结构就越复杂，成本相应的也会增高，目前最常用的是三相和四相电机。 定、转子的极数也有不同的搭配，例如三相开关磁阻电动机有 6/4 结构和 12/8 结构，四相开关磁阻电动机多是 8/6 结构等。

二、开关磁阻电机工作原理

开关磁阻电机是利用转子磁阻不均匀而产生转矩的电机，又称反应式同步电动机，其结构及工作原理与传统的交、直流电动机有很大的区别。它不依靠定、转子绕组电流所产生磁场的相互作用而产生转矩，而是依靠“磁阻最小原理”产生转矩，即：“磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合，从而产生磁拉力，进而形成磁阻性质的电磁转矩”和“磁力线具有力图缩短磁通路径以减小磁阻和增大磁导的本性”。

开关磁阻电机的磁阻随着转子凸极与定子凸极的中心线对准或错开而变化，因为电感与磁阻成反比，当转子凸极和定子凸极中心线对准时，相绕组电感最大，磁阻最小，当转子凹槽和定子凸极中心线对准时，相绕组电感最小，磁阻最大。下面以三相 12/8 极开关磁阻电机为例进行说明，图 2 表示该电机的一相电路的原理示意图， S1、S2 是电子开关，D1、D2 是二极管，E 是电源。

图 2 开关磁阻电机的工作原理

假设开关磁阻电机转子在图示位置时，开关 S1、S2 合上， A 相绕组通电，该相通过直流电源 E 进行励磁，电机内将建立起以 OA 为轴线的径向磁场，磁通通过定子轭、定子极、气隙、转子极、转子轭等处闭合。通过气隙的磁力线是弯曲的，此时磁路的磁阻大于定、转子磁极轴线重合时的磁阻，因此，转子将受到气隙中弯曲磁力线的切向磁拉力产生的转矩的作用，使得转子磁极的轴线 Oa 向定子 A 相磁极轴线 OA 运动，并受到该方向的力矩作用，即逆时针方向。等Oa运动到与OA轴线重合，磁阻最小，A相将不再产生转矩，此时应换一相导通，比如B相，则转子将逆时针转动另一个步进角。如果连续不断地按 A－B－C的顺序分别给绕组通电，则电机转子会逆着励磁顺序以顺时针方向连续旋转。反之，依次给C－B－A相通电，则电机会顺时针方向转动。开关磁阻电机的转向与相绕组的电流方向无关，只取决于相绕组通电的顺序。

图3 开关磁阻电机运行示意图

三、开关磁阻电机特点

开关磁阻电机在近20年来日益得到关注，正是因为其特点明显，优点与缺点同样突出，先说说优点。

1.系统效率高、节能效果好：在宽广的调速和功率范围内，开关磁阻电机整体比异步电动机变频调速系统效率高，在低速或轻载工作的状态下效率能够高10% 以上;与齿轮电机减速、二级皮带轮减速、电磁调速等系统相比，开关磁阻调速电机节电效果更明显。

2.起动转矩大，起动电流小：开关磁阻电机系统从电源侧吸收较少的电流，在电动机侧可得到较大的起动转矩，起动转矩达额定转矩的200% 时、起动电流仅为额定电流的30%，比之交流电动机的300% 电流获得100% 的转矩的性能，优势非常明显，特别适合于那些需要重载起动、负载变化明显、频繁起停的场合。

3.调速范围广，低速下可长期运行。由于开关磁阻电机效率高，在低速下的温升程度比额定工况时要低，不存在变频调速低速运行下电动机发热问题。此外，开关磁阻电机最高转速不会像交流电动机那样受极数的限制，可以灵活地设定最高转速。

4.电机可频繁起停，频繁正、反转：开关磁阻电机四象限运行控制灵活，在有制动单元及制动功率满足要求的情况下，起停及正反转切换可达每小时几百次以上。

5.缺相与过负载时仍可工作：出现电源缺相、电动机或控制器任一相出现故障时，开关磁阻调速电机输出功率减小，但仍然可以运行，当系统超过额定负载120% 以上时，转速只会下降，而不会烧毁电动机和控制器。

6.功率器件控制错误不会引起短路：开关磁阻电机调速系统的上下桥臂功率器件和电机的绕组串联，不存在发生功率器件控制错误导致短路而烧毁的现象， 变频器的主电路上下桥臂直接串联，存在由于干扰或导通错误导致母线直接短路的可能性。

然而，上帝是公平的，目前的电机都是优缺点并存，任何一种电机都无法取代其它所有类型的电机，开关磁阻电机也具有以下缺点：

1.转矩脉动：开关磁阻电机工作在脉冲供电方式中，瞬时转矩脉动大，转速很低时，步进状态明显，而且由于其本身的非线性，导致转矩控制困难。尽管目前研究SRD直接转矩控制技术等文章较多，但仍难以实现转矩的精确控制，在伺服等精密控制场合，SRD与其它类型电机相比不具有优势。

2.噪声：开关磁阻电机相绕组轮流导通，径向力导致定子变形，换相时更明显，电机噪声大，减小振动和噪声是重要的研究课题，很多科研人员正在从电磁参数设计和调速方法以及电机结构几方面进行研究加以改进，但现在与其它电机相比，仍然噪声偏大。

3.位置检测器：位置检测器使得结构简单的开关磁阻电机变得逊色，降低了系统可靠性，因此探索实用的无位置检测器的检测方案是十分有必要的。目前国内外研究较多的是用定子绕组的瞬态电感信息来实现无位置检测器方案，但距实际应用还待进一步深入研究。