开关磁阻电机成为主流

虽然当我们谈到运动控制时，首先想到的是永磁电机，但稀土磁铁的高价格促使原始设备制造商考虑其他解决方案，如开关磁阻(SR)电机。开关磁阻电机完全不用永磁体。相反，他们使用专门的转子和定子从纯电磁场产生磁阻转矩。其结果是一个强大、高效、低惯性的解决方案，为诸如牵引、泵送和散装处理等应用提供了一个很好的替代传统电机的方案。

SR电机由一个简单的无刷设计与专用电子控制器组成。SR电机和传统感应或永磁电机之间最显著的区别是转子设计。SR转子外径的特性径向凸的波兰人,或由空气差距(见图1)。插槽上执行类似的功能的缝隙interior-permanent-magnet伺服马达的转子叠片结构——他们定位产生的磁通在定子转子。

随着每个定子绕组连续激励，在转子中引入的场用作与定子场对准转子，从而产生扭矩。因为设计具有比定子上的转子上的杆更少，所以顺序定子通电作用，以使两个转向对准导致转子转动。你可以看到这个过程电脑动画．

SR电机的概念已经存在了一个多世纪，但只有随着廉价、强大的微处理器的发展，这种方法才成为现实。Nidec SR Drives Limited业务开发经理Steve Cummins表示:“从成本和性能来看，目前的处理能力水平比以往任何时候都更具优势。“处理能力价格的下降，现在使技术更容易用于汽车等大批量、低成本的应用。”

SR电机看起来很复杂，但它们实际上是简单和经济的设计。它们是由冲压钢板堆叠而成的转子。类似地，定子由一堆钢薄片组成，每个定子极上都有一个由线圈组成的集中绕组(见图3)。集中绕组使每个线圈的端圈长度减少了约65%;考虑到线圈的端圈并不直接影响扭矩的产生，一个更紧凑的端圈可以使给定扭矩要求的机器尺寸更小。

为了计算定子绕组通电时间，设计中经常使用简单的位置传感器来检测转子位置。另外，如果控制器中增加了处理能力，则无传感器控制算法可以执行相同的功能。

通过SR技术，设计师在固定极速方面不再受到思考，如1800 rpm，3600转/分等。它们可以显着重新考虑其系统，减少齿轮阶段或完全去除它们，以及消除高维护流体联轴器以更智能和有益的方式操作系统。

最常见的设计错误是用户根据感应电机的性能来确定他们的规格。对于需要大量启动扭矩的应用场合，通常使用的是满足连续应用需求的超大机器，这通常会导致效率降低。在此基础上，潜在用户应该考虑其终端应用的扭矩/速度和占空比要求，等效SR解决方案通常比传统解决方案更小、更高效。Nidec SR Drives Limited业务发展经理Steve Cummins表示:“SR提供了许多可能性，而这些可能性往往被传统的基于固定极速度的思维过程所忽视。”仅他的公司就安装了10,000多个工业驱动系统，用于操作压缩机、泵、风扇、传送带和车辆。

优点
由于SR电机没有刷子，绕组，换向器或永磁体，因此它们对磨损，温度和冲击和振动非常鲁棒。与常规电动机相比，凸起的设计减少了转子质量，切割惯量50至60％，并对惯性比率产生高扭矩。结果，开关磁阻电动机可能更响应，使得它们适合需要快速动态响应的应用。

用于AC逆变器的脉冲宽度调制方案倾向于每次绝缘栅双极晶体管（IGBT）开关时产生损耗。那些开关损耗产生热量，降低效率。SR电机也需要切换，但在功率转换器内部的开关损耗较低，因此在数量级的情况下。此外，转子上的任何导体的不存在消除了转子内的导电损耗，进一步提高了效率。

对于相同的机架尺寸，开关磁阻电机可以产生比等效感应电机更多的转矩。与永磁电机相比，SR电机的扭矩密度略低，但由于消除了磁铁，它们的生产成本大大降低。SR设计还可以在永久磁铁退磁的温度下延长工作时间。

SR的甜点用途包括低速，高扭矩应用，涉及高水平的开销扭矩和/或快速启动措施，例如输送机，馈线，浆料泵，破碎机和挤出机。它们也适合高速应用，其中转子结构的简单性意味着没有磁铁或绕组能够保持高离心力。示例包括涡轮机鼓风机，飞行器存储系统和机床。“最近在稀土材料定价中的波动性，使高性能PM机器带领许多公司考虑使用SR，”康明斯说。“这在汽车应用中最明显，其中卷高，成本目标非常低。

SR技术最适合以下应用:
•需要在各种速度和负载范围内提供高效率
•需要宽的恒功率调速范围
•要求高水平的瞬态架空扭矩
•要求高速运行
•需要允许原始设备制造商提供经过验证的技术替代方案，以区别于竞争对手。

当然，没有完美的解决方案。迄今为止，SR技术的主要困难是噪声和转矩脉动。这些影响基本上是sr的扭矩产生机制的结果。当转子和定子齿对齐时，它们之间产生高径向引力。当两者不对齐时，径向引力下降。结果是定子受到脉动和不均匀的径向力，这往往会使定子变形，使其变圆，例如，如果一次只有两个极点对齐，就会形成椭圆形。这种周期性失真产生可听见的噪声。为了进行补偿，设计人员可以通过使定子比磁性能所需的厚度更厚来加强定子的刚度，但这会使定子更大，减少电机的扭矩和功率密度。

人头马国际公司高级工程总监David Fulton说:“从历史上看，SR电机对于除了采矿和建筑应用以外的电动汽车或混合动力汽车应用中的牵引电机来说噪音太大。”SR制造商很快指出SR电机可以静音，他们通常是对的。然而，他们所做的一切降低噪音的同时也降低了性能或增大了尺寸，所以他们是在“挤压气球”。’谁知道这些发动机未来会有什么发展，但到目前为止就是这样。”

对于相同的扭矩，SR电机通常比永磁电机大一点。磁阻同步电机提供了另一种选择。在RSM设计中，磁通“屏障”或磁通绝缘体产生各向异性，从而触发转子中极的形成，电机设计师、IEEE研究员、《机械工程师与工程师学会》的合著者Jim Hendershot解释道永磁无刷电机和发电机的设计（见图4）。修改允许这些设计提供同步性能。

与SR电机不同，磁阻同步电机使用标准的交流定子设计，可以从传统的逆变器类型控制器运行。它们使用简单的转子，没有导体，噪音很小。不利的一面是，很难制造具有高结构强度的转子，这限制了速度。高极数可以降低扭矩密度和功率因数。此外，磁饱和降低了显着性，这也会降低扭矩密度。

永磁体和感应电机提供广泛的能力，但对于某些应用，基于磁阻扭矩操作的无磁通电机可以是理想的解决方案。OEM应该在寻找最佳解决方案时调查他们的所有选项。