開關(guān)磁阻電機(jī)（Switched Reluctance Motor，簡稱SRM）是一種基于磁阻最小原理工作的特種電機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、可靠性高，在電動汽車、工業(yè)驅(qū)動等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。它的工作原理與傳統(tǒng)直流電機(jī)或交流電機(jī)有本質(zhì)區(qū)別，既不需要永磁體也不依賴電樞繞組，而是通過控制定子繞組的通電順序來驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。以下將從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、磁阻原理、控制策略等方面詳細(xì)解析其工作原理。

一、基本結(jié)構(gòu)：雙凸極與集中繞組

開關(guān)磁阻電機(jī)的核心結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是定子和轉(zhuǎn)子均為凸極設(shè)計(jì)，且兩者極數(shù)不等。例如，常見的6/4結(jié)構(gòu)（6個(gè)定子極、4個(gè)轉(zhuǎn)子極）或8/6結(jié)構(gòu)。定子極上繞有集中式繞組，通常采用雙向通電的串聯(lián)方式，同一軸向相對的兩極繞組為一相；轉(zhuǎn)子則由硅鋼片疊壓而成，無永磁體或繞組，僅依靠凸極形狀產(chǎn)生磁阻變化。這種結(jié)構(gòu)使得電機(jī)具有以下優(yōu)勢：

1. 機(jī)械魯棒性：轉(zhuǎn)子無永磁體或繞組，可承受高溫、高轉(zhuǎn)速工況；

2. 低成本：省去了永磁材料和復(fù)雜絕緣工藝；

3. 容錯(cuò)能力：各相繞組獨(dú)立工作，一相故障時(shí)仍可降額運(yùn)行。

二、磁阻最小原理：轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的核心

開關(guān)磁阻電機(jī)的運(yùn)行基于“磁路總是趨向磁阻最小路徑"這一基本原理。當(dāng)某相定子繞組通電時(shí)，產(chǎn)生的磁場會吸引最近的轉(zhuǎn)子凸極，使其對齊定子磁極以減小磁阻。通過依次切換不同相繞組的通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子將持續(xù)旋轉(zhuǎn)以追隨磁場變化。具體過程可分為四個(gè)階段：

1. 電感上升區(qū)：轉(zhuǎn)子凸極接近定子磁極，磁阻逐漸減小，電感增大；

2. 對齊位置：轉(zhuǎn)子極與定子極對齊，磁阻最小，電感最大；

3. 電感下降區(qū)：轉(zhuǎn)子極離開定子極，磁阻增大，電感減小；

4. 非導(dǎo)通區(qū)：繞組斷電，等待下一周期觸發(fā)。

轉(zhuǎn)矩大小與電流平方和電感變化率的乘積成正比，因此控制通電時(shí)機(jī)（通常在電感上升區(qū)導(dǎo)通）是優(yōu)化性能的關(guān)鍵。

三、功率電子與控制系統(tǒng)

開關(guān)磁阻電機(jī)需要配套專用控制器實(shí)現(xiàn)運(yùn)行，其核心包括：

1. 功率變換器：通常采用不對稱半橋電路，每相需兩個(gè)開關(guān)管和兩個(gè)續(xù)流二極管。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，繞組通電儲能；關(guān)斷時(shí)，電流通過二極管續(xù)流，能量回饋至電源。

2. 位置檢測：通過光電編碼器或霍爾傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測轉(zhuǎn)子位置，決定各相導(dǎo)通時(shí)機(jī)。無傳感器技術(shù)（通過電流波形估算位置）是近年研究熱點(diǎn)。

3. 控制策略：

● 角度位置控制（APC）：固定開通角和關(guān)斷角，適用于恒速運(yùn)行；

● 電流斬波控制（CCC）：限制峰值電流，適合低速大轉(zhuǎn)矩場景；

● 電壓PWM控制：調(diào)節(jié)占空比控制平均電壓，實(shí)現(xiàn)寬速域調(diào)速。

四、工作特性與優(yōu)缺點(diǎn)分析

1. 優(yōu)點(diǎn)：

● 高效率：損耗主要集中在定子，易于散熱；轉(zhuǎn)子無銅耗；

● 寬調(diào)速范圍：可通過調(diào)整開關(guān)頻率實(shí)現(xiàn)1:20以上的調(diào)速比；

● 再生制動能力：通過反向控制可將動能回饋電網(wǎng)。

2. 挑戰(zhàn)：

● 轉(zhuǎn)矩脈動：由于離散式換相，低速時(shí)振動噪聲較明顯；

● 非線性特性：電感隨位置變化導(dǎo)致精確建模困難；

● 需要專用控制器：傳統(tǒng)變頻器無法直接驅(qū)動。

五、應(yīng)用場景與技術(shù)發(fā)展

目前開關(guān)磁阻電機(jī)已在以下領(lǐng)域展現(xiàn)價(jià)值：

● 電動汽車：如英國商用車公司Optare采用SRM驅(qū)動公交車，利用其高過載能力應(yīng)對頻繁啟停；

● 家用電器：洗衣機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)中逐步替代感應(yīng)電機(jī)；

● 航空航天：美國NASA將其用于飛機(jī)燃油泵驅(qū)動，發(fā)揮耐高溫優(yōu)勢。

未來技術(shù)突破方向包括：

1. 優(yōu)化磁路設(shè)計(jì)：采用分段轉(zhuǎn)子、斜極結(jié)構(gòu)降低轉(zhuǎn)矩脈動；

2. 智能控制算法：結(jié)合模糊PID、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提升動態(tài)響應(yīng)；

3. 新材料應(yīng)用：納米晶合金定子可進(jìn)一步降低鐵損。

結(jié)語

開關(guān)磁阻電機(jī)憑借其結(jié)構(gòu)和工作原理，在高效驅(qū)動領(lǐng)域占據(jù)一席之地。盡管存在控制復(fù)雜等挑戰(zhàn)，但隨著電力電子和材料技術(shù)的進(jìn)步，其在新能源、智能制造等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力將持續(xù)釋放。理解其磁阻變化與電磁能量轉(zhuǎn)換的底層邏輯，是掌握這一技術(shù)的關(guān)鍵所在。