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开关磁阻电动机

切换式磁阻马达（英语：switched reluctance motor，简称：SRM）[1]，是用转子磁阻不平均产生的磁阻力矩而旋转的马达，属于磁阻马达。切换式磁阻马达的电源是接到定子的绕组（英语：windings）（和直流有刷马达接到转子绕组的情形不同）。因为电源不用接到旋转部份，在机械设计上大为简化，但需要设计切换系统，配合各绕组位置提供对应的电流，在电机设计上比较复杂。电子设备可以精准的进行时序的切换，因此有助于使用切换式磁阻马达。切换式磁阻马达的主要缺点是其转矩涟波[2]。目前已有些控制技术可以限制低速时的转矩涟波[3]。有些文献认为切换式磁阻马达属于步进马达，有些则认为不算步进马达[4]。

定子六极，转子四极开关磁阻电动机的截面，其中定子是集中绕组，转子是由导磁性材料组成

切换式磁阻马达也可以当成发电机使用。会配合转动情况，依序将负载接到对应的线圈，以和旋转的电流同步。因为其转子是可磁化材料组成的开槽圆柱组成，这类的发电机转速可以比传统的发电机还快[5]。此应用下的SRM是指切换式磁阻电机（Switched Reluctance Machine），也有些会称为SRG（切换式磁阻发电机）。此组态可以做为电动机及发电机，在启动原动机时不需要额外的启动马达，格外方便。

历史

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第一个切换式磁阻马达的专利是美国的W. H. Taylor在1838年提出[6][7]

切换式磁阻马达的运作原理是在1970年代左右提出[8]，在1980年代起也由Peter Lawrenson（英语：Peter Lawrenson）等人继续扩充[9]。当时有些专家认为此技术不可行[10]，而实际应用也会受到限制，部份原因可能是因为控制技术还不成熟、没有适合的应用场合，以及产量过低导致的高成本[11][2][12]。

运作原理

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切换式磁阻马达有场绕组，类似直流电动机的定子绕组。不过其转子没有永久磁铁，也没有线圈。转子是由软磁性材料（多半会是叠层材料）制成的凸极转子（有突出的磁极）。若定子绕组上有通电，转子不平衡的磁阻会使转子旋转，设法对正最近的定子。为了使转子旋转，会利用电子控制系统侦测转子位置，并且在转子接下来要经过的定子绕组上激磁，使定子磁场“带领”转子前进。切换式磁阻马达不像直流有刷马达，用整流子来切换电流，切换式磁阻马达利用电子的位置感测器来感测转子的角度，再透过固态电子器件来切换定子绕组，因此可以进行脉波时序以及脉波整形的动态控制，这和异步电动机原理有些相似，但仍有不同。异步电动机的定子也是依旋转磁场来进行激磁，但切换式磁阻马达中，转子的激磁是固定的，且转子的旋转和旋转磁场同步，但在异步电动机中，转子的旋转和旋转磁场存在滑差，转子会略为落后旋转磁场。切换式磁阻马达因为没有滑差，可以精确的知道转子位置，让马达可以低速步进前进。

简易切换

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若定子线圈A0和A1激磁，转子会对正这些线圈。只要转子对正这些线圈，定子就可以先将这些线圈消磁，再将定子线圈B0和B1激磁，转子会往前进，再对正新激磁的线圈B。接下来线圈B会消磁，线圈C激磁……。若要反转，将上述激磁和消磁的线圈顺序相反即可。不过重载或／及高加速度（或减速度）都可能会使此顺序不稳定，例如跳过一步等，此时转子会转到错误的角度，例如突然反转一步再恢复正常转动。

 

正交

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另一个比较稳定的系统是正交（quadrature）切换。在任一时间会有两组线圈激磁。一开始是A0和A1形成的线圈激磁，接著是是B0和B1形成的线圈激磁，将转子推往线圈A和B之间。接著A的磁极会消磁，转子会对正到线圈B，接下来是BC、C和CA，完成一次旋转。若将此顺序颠倒，即可使马达反转。

 

正交切换的运转更稳定，其占空比是1/2，比简易切换的1/3要高。

控制

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切换式磁阻马达的控制系统需要提供顺序的脉波讯号给电源电路，以激磁对应的定子线圈。这可以用机电装置（例如整流子）进行，也可以用简单的类比或数位计时电路进行。

许多的控制器中都采用可编程逻辑控制器（PLC），不是早期的机电装置。可以用微控器来进行准确的相位激磁计时功能。也可以有软体的缓冲启动器，减少需要的硬体。也可以用反馈回路来强化控制系统[2]。

电路

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非对称桥式转换器

最常见驱动切换式磁阻马达的方式是使用非对称桥式转换器（asymmetric bridge converter）。其切换频率是交流马达的十分之一[4]。

非对称桥式转换器的各相对应切换式磁阻马达的各相。若某一相两侧的开关都导通，该相就会激磁。当电流超过设定值时，开关会切断，能量会储存在马达绕组中，使电流维持同一方向，也会产生所谓的反电动势（BEMF）。反电动势会透过二极体流回电容器，因此此能量可以回收重复使用，提升效率[13]。

 
N+1个开关和二极体

基本电路也可以再做调整，让电路可以用较少的电子元件进行相同功能，此电路是(n+1)个开关和二极体的组态。

不论是哪一种组态，都会用电容器来储存BEMF以便利用，也可以限制输入电压的波动，减少电气杂讯以及马达产生的噪音。

若切换式磁阻马达的某一相断路，切换式磁阻马达仍可以继续运转，但力矩较小，若交流马达的某一相断路，就无法转动[8][14]。

应用

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切换式磁阻马达利用系数可达异步电机利用系数的1.4倍，有用在家电[15]以及车辆上[16]。

参考资料

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  1. ^ 开关磁阻电动机原理解析. 湖南大学. [2023-11-07]. （原始内容存档于2023-11-07）. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 Bartos, Frank. Springtime for Switched-Reluctance Motors?. Control Engineering. 1 February 2003. （原始内容存档于19 May 2020）. Digital signal processors and special algorithms in SR controls are vital to precisely time current pulses fed to the motor windings relative to rotor and stator position . SR technology has not experienced real breakthroughs . reduced interest in SR technology 
  3. ^ Stankovic, A.M. Dept. of Electr. & Comput. Eng.. doi:10.1109/IAS.1996.557001. 
  4. ^ 4.0 4.1 Bartos, Frank. Resurgence for SR Motors, Drives?. Control Engineering. 1 March 2010. （原始内容存档于19 May 2020）. SR drives operate at switching frequencies typically 10 times lower than comparable ac drives . Some other sources seem to put both motors in the same category.) Emotron concurs that today’s SR motor is not a stepping motor since current is continuously monitored and controlled relative to rotor angular position 
  5. ^ Switched Reluctance Generators and Their Control. [2016-11-18]. （原始内容存档于2014-11-29）. 
  6. ^ HISTORY OF SWITCHED RELUCTANCE MACHINE (Electric Motor). what-when-how.com. [2020-07-25]. （原始内容存档于2016-03-04）. 
  7. ^ Charged EVs | A closer look at switched reluctance motors. chargedevs.com. [2020-07-25]. （原始内容存档于2014-07-01）. 
  8. ^ 8.0 8.1 Bartos, Frank. SR motor anatomy: See inside switched reluctance motors. Control Engineering. 10 March 2010. （原始内容存档于2018-10-27）. 
  9. ^ "Variable-speed switched reluctance motors", P.J. Lawrenson, J.M. Stephenson, P.T. Blenkinsop, J. Corda and N.N. Fulton, IEE Proceedings B - Electric Power Applications, Volume 127, Issue 4, 1980. pp. 253-265
  10. ^ IEEE Edison Medal Recipients. www.ieee.org. （原始内容存档于19 May 2020）. 
  11. ^ Bartos, Frank. ‘Forward to the Past’ with SR Technology. Control Engineering. 1 November 1999. （原始内容存档于19 May 2020）. 
  12. ^ Bartos, Frank. Switched-Reluctance Motors and Controls Offer an Alternative Solution. Control Engineering. 30 May 2003. （原始内容存档于19 May 2020）. Because of their relatively smaller production numbers, manufacturing costs for SR technology tend to be higher 
  13. ^ Power Semiconductor Switching Circuits for SRM(Power Controllers). [2021-06-13]. （原始内容存档于2021-05-08）. When the phase winding is to be disconnected from the supply (this instant is also dependent on the position of the shaft) the devices T1 and T2 are turned off .The stored energy in the phase winding A tends to maintain the current in the same direction. This current passes from the winding through D1 and D2 to the supply. Thus the stored energy is fed back to the mains. 
  14. ^ Fault Tolerant Switched Reluctance Machine's Comparative Analysis | Fault Tolerance | Reliability Engineering. Scribd. [2021-06-13]. （原始内容存档于2021-06-05）. 
  15. ^ Bush, Steve (2009). Dyson vacuums 104,000 rpm brushless DC technology. Electronics Weekly Magazine. （原始内容存档于2012-04-11）. 
  16. ^ Tesla Model 3 Motor — Everything I've Been Able To Learn About It (Welcome To The Machine). CleanTechnica. March 11, 2018 [2018-06-18]. （原始内容存档于2021-06-20） （美国英语）. 

外部链接

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