一文读懂磁阻电机！从工作原理，结构及其实际应用分析

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调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点，是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统之后发展起来的最新一代无级调速系统，是集现代微电子技术、数字技术、电力电子技术、红外光电技术及现代电磁理论、设计和制作技术为一体的光、机、电一体化高新技术。

磁阻电机，一种连续运行的电气传动装置，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。

所谓“磁阻最小原理”，即：“磁通总是沿着磁导最小的路径闭合，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”。

此类电机是利用磁阻（magnetic reluctance），也被称为磁电阻（magnetic resistance）让电机产生旋转运动，就像电路那样，磁路中的磁通总是要沿着磁阻最小的路径闭合。

凸极率是转子叠片设计的直接结果，叠片的冲制用来切割出电机的等效气隙形状以控制磁通路径，冲制工艺还对d轴和q轴电感随着磁化电流变化而变化产生影响。由于冲制工艺增加了等效气隙，需要更大的励磁电流，导致功率因数cosφ. 变得更差。

磁阻电动机是利用磁阻最小原理，也就是磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，利用齿极间的吸引力拉动转子旋转。为方便分析磁路，我们把相对的相分别标为a、b、c相，各相线圈由开关控制电流通断，约定转子启动前的转角为0度。

为了使转子继续转动，在转子转到30度前已切断A相电源在30度时接通B相电源，磁通从最近的转子齿极通过转子铁芯，于是转子继续转动，磁力一直牵引转子转到60度为止。

在转子转到60度前切断B相电源在60度时接通C相电源，磁通从最近的转子齿极通过转子铁芯，转子继续转动，磁力一直牵引转子转到90度为止。

当转子转到90度前切断C相电源，转子在90度的状态与前面0度开始时一样，重复前面过程，接通A相电源，转子继续转动，这样不停的重复下去，转子就会不停的旋转。

磁阻电机的结构

磁阻电机在转子旋转时，磁路的磁阻要有尽可能大的变化。所以，该电动机的定、转子均采用双凸极结构，并用硅钢片叠制而成。在每个定子磁极上都装有简单的集中绕组，并把径向相对的两个定子磁极上的绕组以串联或并联的方式构成一相。

在转子上无任何绕组，也无永磁体。按照电动机的相数，可分为奇数相和偶数相。按照电动机的磁路结构，可分为两极型长磁路结构和四极型短磁路结构。按照电动机的通电励磁模式，有单相励磁和多相励磁之分。

电机转子无永磁体，允许较高的温升。由于绕组均在定子上，电机容易冷却。效率高，损耗小。转矩方向与电流方向无关，只需单方相绕组电流，每相一个功率开关，功率电路简单可靠。转子上没有电刷，结构坚固，适用于高速驱动。

磁阻电机的应用

近年来磁阻电机的应用和发展取得了明显的进步，已成功地应用于电动车驱动、通用工业、家用电器和纺织机械等各个领域，功率范围从10W～5MW，最大速度高达100000 r/min。

1.磁阻电机电动车应用

磁阻电机最初的应用领域就是电动车。目前电动汽车和电动自行车的驱动电机主要有永磁无刷及永磁有刷两种，然而采用开关磁阻电机驱动有其独特的优势。当高能量密度和系统效率为关键指标时，开关磁阻电机变为首选对象。

2.磁阻电机纺织工业应用

近十年来我国纺织机械行业的机电一体化水平有了较明显的提高，在新型纺织机械上普遍采用了机电一体化技术。这项技术的内容包含了先进的信息处理和控制技术，即以计算机为核心，有PLC、工控机、单片机等组成的控制系统;先进的驱动技术，有变频调速，交流伺服，步进电机等;检测传感技术和执行机构;精密机械技术等。

3.磁阻电机焦炭工业应用

磁阻电机因其启动力矩大、启动电流小，可以频繁重载启动，无需其他的电源变压器，节能，维护简单，特别适用于矿井输送机、电牵引采煤机及中小型绞车等。

我国研制成功110kW的开关磁阻电机用于矸石山绞车、132kW的开关磁阻电机用于带式输送机拖动，良好的启动和调速性能受到工人们的欢迎。我国还将开关磁阻电机用于电牵引采煤机牵引，运行试验表明新型采煤机性能良好。此外还成功地将开关磁阻电机用于电机车，提高了电机车运行的可靠性和效率。

4.磁阻电机在家电行业的应用

磁阻电机的发展状况

众所周知，磁阻电机驱动系统是一种高效的电机系统，其综合性能超越以往各种传统电机，效率、性能、数字智能化控制等方面，都具有不可比拟的优势，而且在某些特定领域如15万转以上的超高速领域具有无可替代性。但是，另一方面，为什么这一优秀的动力产品在我国没有真正普及呢？本文将系统的回答这一问题。

一、磁阻电机的技术状态

和大部分圈外人士所认识的不同，不同于变频电机，磁阻电机驱动系统的技术极其复杂而体系。其中电机本体的电磁计算和结构工艺技术，可以说是所有电机里面最复杂的，至今在我国没有合理的动态数学模型用来揭示其复杂的内部微观特性，也就是说开关磁阻电机典型的非线性特征，难于具体把握。

总体而言，我们可以简单的根据技术状态，把开关磁阻电机一分为二，一是普通基础技术产品，一是高精度技术产品。所谓普通基础技术产品，就是依据其根本原理，而研究、产生的最基础的产品，就像第一代计算机，粗大笨重、精度差、计算速度慢。

高精度技术产品则不然，其从电机设计、工艺、控制技术等各个环节，都采用科学开发模式和先进技术，并使用高精度加工设备和工艺，针对各个应用设备的细节特性而具体设计，其效能是无与伦比的。

二、国内外磁阻电机厂家的技术、产品、人才情况

当我们了解了上述总体问题之后，我们再剖析一下更详细的原因。

我国在磁阻电机应用方面为什么技术落后呢？原因很多，简单归纳为以下几点。

2、技术人才少而不全面、不体系。很多企业以为请一个控制人才就够了，而不知道需要从电机电磁计算、结构和工艺开发、控制算法开发、控制硬件开发、应用设备特性研究的系统角度去构筑、培养研发队伍，造成人才队伍残缺不全、急功近利。因此，最终只能推出残缺的产品。

3、研发模式落后。搞电机的只搞电机、搞控制的只搞控制，而且大部分是抄袭仿制、破译，没有建立“机、控、工、信、智电脑化一体设计和仿真”平台的理念和行动，有的只是拼凑出来的低档次产品。

4、缺乏持续的资金支持。在急功近利的总体社会气氛下，对研发的投入往往是瞻前顾后、半途而废。

5、企业管理理念和水平落后。因为是高科技行业和高技能人才，同时涉及不同学科，因此，任何组织？如何管理？能否高效率工作？是最终能否实现合格产品的一个非常重要的因素。遗憾的是，我国很多企业，非常缺乏这种复杂体系项目的管理经验，造成有限资金的浪费、事倍功半、甚至劳而无功。

在产品方面，我国较为广泛应用的成熟的品种，加起来不过10及款，而且集中在基础的工业设备领域，如油田的抽油机、纺织机械的剑杆织机和、煤矿的绞车、耐火材料的压力机等，其他如电动汽车用高精度磁阻电机，还处于测试阶段。

高精度、高速度、智能化的高档次产品，目前只有一些军工企业在做。在普通企业里面，山东艾磁驱动科技有限公司发展极快、处于国内最前沿，但仍落后于国外大约5年的水平。

在人才方面，如前所述，合格的工程师仍处于缺乏状态，尤其是电机本体的电磁计算和结构设计以及其仿真模拟技术方面的人才。在高精度、海量数据的控制系统方面，先进性和集成性方面，都缺乏更多的人才。

磁阻电机的市场需求

目前，国家经济进入新常态，经济增速下降，传统电机普遍产能过剩50%。因此，在“调结构、转方式”、“工业4.0”、“中国制造2025”、“科技创新”、“节能减排”这样的大的背景下，各行业对新的高效、高精度、高速超高速、节能、智能化、信息化电机产品的需求，以非常明确的趋势和很快的速度在增长，而目前我国这方面极其缺乏高性能产品。

来源：网络

开关磁阻电机的优势、缺点及应用领域

近年来，开关磁阻电机逐渐走进了市场，因为该电机具有其他电机没有的优势，所以逐渐成为了市场未来发展的主要方向，目前已成功地应用于电动车驱动、通用工业、家用电器和纺织机械等各个领域。那么开关磁阻电机的优势到底是什么呢?让我们一起来了解一下吧!

开关磁阻电机调速系统是以现代电力电子与微机控制技术为基础的机电一体化产品。它是由开关磁阻电动机和微机智能控制器两部分组成，其特点是效率高、节能效果好、调速范围广，无冲击起动电流，起动转矩大，控制灵活等特点。1998年，我国把发展电动机调速节能和电力电子节电技术纳入《中华人民共和国节能法》中，国家发改委“电动机节能计划”明确提出：提高电动机15-20%的效率，实现节电1000亿kWh/年。因此，该种电机被广泛用于运输车辆驱动、龙门刨、锻压设备等需要重载起动，频繁启动，正反转的场合。

近几年，随着电机节能理念的逐渐深入，开关磁阻电机由于具有以下的特点，其正在应用于各种场合。开关磁阻电机调速系统的特点：

一、效率高，节能效果好。经过测试，其整体效率比交流异步电动机变频调速系统至少高3%以上，低速下能提高至少10%，与直流调速、串级调速、电磁调速等比较，节电效果更明显。

二、起动转矩大，适合重载起动和负载变化明显且频繁启动的场合。测试发现其启动转矩达额定转矩的150%时，起动电流仅为额定电流的30%，优势非常明显

三、调速范围广。开关磁阻电机可以在低速下长期运行，由于效率高，在低速下的温升程度比额定工况时要低，解决了变频调速电机低速运行时电动机发热问题，还可以根据实际灵活设置最高转速。

四、可频繁正、反转起动停止，系统调控性好，制动性好，能实现再生制动，节电效果显著。

五、起动电流小，避免对电网的冲击。开关磁阻电机具有软启动特性，没有普通交流电动机起动电流大于5-7倍额定电流的现象。

六、功率因数高，不需增加无功补偿装置，测试发现，开关磁阻电机系统在空载和满载时的功率因数均大于0.98 。

七、电机结构简单、牢固、制造工艺简单、成本低、工作可靠，能适用于各种恶劣高温强震动环境。

八、缺相和过载时仍可工作。当电源出现缺相、电动机或控制器任一相出现故障时，电机输出功率减少，但仍可运行。当系统超过负载120%以上时，转速转速只会下降，而不会烧损电动机和控制柜。

九、控制器中功率变换器与电动机绕组串联，不会出现变频调速系统功率变换器可能出现的直通故障，可靠性大为提高。

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。

国内开关磁阻电机的应用市场主要包括：

(1) 锻造机械：目前，这是开关磁阻电机应用最成功的场合之一。这一次完全符合上述五个条件。它具有过载要求、正反转、调速范围宽、节能等优点，完全忽略了开关磁阻电机的缺点：噪声、振动和转矩脉动。在开关磁阻电机企业界，有一种说法是锻造得到了世界。山东科辉公司近年来在全国处于领先地位，这与其早期准确的市场开发和定位是分不开的。

(2) 纺织机械：首先，我们应该感谢外国人的申请。中国主流进口纺织机械必佳乐率先采用开关磁阻电机，这让国内织机制造商自然认可开关磁阻电机。自2009年以来，开关磁阻电机逐渐在剑杆织机和毛巾织机上占有一席之地。纺织应用满足上述1、3和5的条件，节能、启动快(电机可通过旋转3圈从零转速达到额定转速)，且无振动和噪声要求。国外织机使用的开关磁阻电机是四相8/6极电机，而我国早期使用的是三相12/8极电机。目前，我国也引进了四相电机，这可能会逐步消除纺织行业的三相12/8结构。奇怪的是，北京中纺公司出生在纺织研究院。然而，北京中纺的开关磁阻电机从未在纺织机械上推广。相反，山东、深圳、杭州等公司在纺织行业得到了更好的推广。

(3) 油田和煤矿：能源和环境保护一直是国家战略布局的重点。在抽油机、煤矿输送带等场合使用开关磁阻电机后，效果仍然明显。近年来，胜利油田、中原油田和长庆油田都进行了改造项目，总体上满足了改造要求，但油田市场是国有企业的阵地，你知道，目前很难实现大规模推广。至于煤矿，对于北京中房来说，很难取得成功或失败。这些年是煤炭的淡季，很难扩大规模。

(4) 小家电：这方面主要关注高速开关磁阻电机的应用。国外真空吸尘器、烹饪机、破壁机和洗衣机大量使用开关磁阻电机，性能显著提高，数量大，范围广。然而，在这方面，国内只有少数新闻提到原型的开发，而且还没有看到大规模的应用，也许成本价格是限制这些场合推广的主要瓶颈。

(5) 电动汽车：对于开关磁阻电机来说，提到电动汽车的应用可能是一件痛苦的事情。无论是在国内还是国外，最早的开关磁阻电机原型都是为电动汽车开发的。他们看好开关磁阻电机起动转矩大、加速性能好的优点，非常适合电动汽车的应用。华中科技大学和北京中纺公司联合安装了20辆武汉混合动力客车用开关磁阻电机，并进行了长期运行试验，取得了良好的效果。然而，由于噪声和功率密度问题，近年来电动汽车市场基本上被永磁电机占据，这也与中国永磁电机价格低廉有关。从长远来看，永磁体是不可再生资源，无法满足电动汽车巨大的市场需求。开关磁阻电机从业者应该继续深入挖掘，等待花朵盛开。

(6) 其他场合：近年来，生产开关磁阻电机的企业逐渐增多，企业也纷纷出海施展才华。他们在不同的场合尝试过。最简单的节能改造场合，如风机、水泵等，以及球磨机、推拉门、剪切机、起动器/发电机、注塑机等，也取得了一定的效果，但目前这些场合的使用规模仍然较小。未来能否在全行业推广还需观察。

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