开关磁阻电动机的优点、挑战与仿真

核心要点

• 开关磁阻电机以磁路设计复杂度为代价换取控制复杂度的降低，因此这属于程序层面的决策，而非简单地替换部件。
• 转矩纹波是一种由电机、变流器和控制器作为一个闭环共同确定的工作点特性，因此无法在电机层级单独设定。
• 通过针对量产固件的闭环验证，可以区分出哪些SRM项目能够实现量产，哪些则在原型阶段后便停滞不前。

开关磁阻电机无需使用任何稀土材料即可提供高扭矩密度，仅凭这一特性，就足以解释为何这种拓扑结构在牵引和工业驱动领域始终受到认真评估。

每当磁铁供应显得岌岌可危时，人们对此的关注度就会上升。美国对稀土化合物和金属的净进口依赖度高达80%，其中2020年至2023年间，中国供应了其中70%的进口量。这种依赖性使得“无磁铁”机器在技术上尚未成熟之前，就已具备了战略吸引力。

难点并不在于电机本身。SRM的转矩品质、声学表现和效率，源于电机、变流器和控制器作为一个闭环系统协同工作。如果单独评估其中任何一个部分，得出的结论往往与实际组装后的驱动系统表现不符。那些将SRM评估视为单纯电机设计工作的团队，通常要到动力计测试阶段——即控制代码首次与实际磁路系统实际配合时——才会发现其中的差距。

开关磁阻电动机是如何产生转矩的

SRM 通过磁阻效应而非磁吸引力产生转矩。转子和定子均设有凸极，转子上既无绕组也无磁铁，当转子向通电的定子相位对齐方向移动时，便会产生转矩。相电流会根据转子位置依次进行切换。

常见的 8/6 配置使该序列具体化。八个定子极联系表 四相，六个转子极从其下方经过，控制器在电感上升区域内对每相通电，然后切换到下一相。一旦电感开始下降，转矩产生便完全停止，因此关断角与电流幅值同样重要。

正是这种结构使该电机赢得了坚固耐用的声誉。没有磁铁意味着在高温下不会出现退磁风险，且发生故障时也不会产生开路电压。这也意味着，只有当控制器正在执行正确的操作时才会产生转矩，从而将大部分性能责任从电机转移到了驱动器上。

无磁结构如何降低电机总成本

去除磁铁后，物料清单中波动最大的项目便被剔除了。转子的制造简化为一叠叠片，无需粘接、无需磁化工序，也无需采取任何操作注意事项；而定子则采用简单的集中绕组。由此带来的节省是结构性的，而非增量式的。

以一款中批量工业泵驱动器为例，该项目已筛选出两家供应商。采用永磁设计会使该项目受钕和镝的价格波动以及买方无法控制的出口许可制度所制约。而采用磁阻设计则将风险转移到了钢铁和铜上，这两种材料的交易市场更为宽广，供应商也更多。 成本优势并非唾手可得。变流器和控制软件需要投入更多的工程研发工作，而且SRM所需的非对称半桥拓扑结构，每相所需的开关器件数量比标准三相电动机逆变器更多。客观地说，SRM只是将成本从采购环节转移到了研发环节，这对于大批量生产项目而言要比单次定制生产更合适。

为什么转矩纹波对开关磁阻电动机的性能起决定性作用

转矩纹波是决定大多数SRM项目成败的关键因素。双凸极结构和深度磁饱和使得转矩成为电流和转子位置的强非线性函数，因此当各相之间交接时，转矩贡献会急剧上升和下降。随之而来的便是可听见的噪声和振动。

换相重叠区域显示了转矩的来源。当一个相退磁而下一个相开始建立电流时，除非两者精确重叠，否则总转矩会发生下降。在低速且反电动势有限的情况下，控制器有能力调节这种交接过程；而在高速时则无法做到，因此在500 rpm时于试验台上测得的尚可接受的纹波，到了8,000 rpm时可能会变得无法接受。

这就是为什么纹波难以找到通用的解决方案。每一种缓解策略都会在某些方面做出妥协，通常是效率、转矩密度或开关损耗，而这种权衡取决于工作点。如果将纹波视为电机固有的特性，而非工作点行为，所制定的规格要求会导致成品驱动器在不知不觉中无法满足这些要求。

“如果将纹波视为设备的固有特性，而非工作点行为，那么最终制定的规格要求，该驱动器实际上是悄无声息地未能满足的。”

有效控制 SRM 驱动器需要什么

SRM控制需要精确的转子位置，电流调节速度需足够快以跟上非线性电感特性曲线，并且点火角需根据工作点进行调整。简单的滞后电流控制在低速时有效。若要达到接近量产级别的转矩质量，则需要一种能够直接塑造各相转矩贡献的控制方案。

转矩分担功能很好地说明了这一方法。控制器不再直接控制各相的电流，而是为每相设定一个转矩曲线，并让逆转矩模型推导出电流参考值，从而确保相间切换保持平稳。直接瞬时转矩控制和模型预测控制方案虽然采用不同的数学方法，但都旨在实现相同的结果。

实际的实现方案最终都趋向于一套简短的要求。

• 转子位置的分辨率足够高，可精确设定接通和断开角度
• 基于电流和位置特性的磁通链或反转矩模型
• 在最高速度下，电流环带宽远高于相位换向频率
• 可在速度和负载范围内自适应调整的点火角调度
• 考虑无磁背电动势情况下单相运行的故障处理

上述各项均取决于机器测得的磁学参数，而纸张规格在此处便不再具有参考价值。

为什么离线模型无法准确反映开关磁阻电机的行为

离线仿真会低估SRM的难度，因为它剔除了导致大多数故障的两个因素：实际时序和实际控制代码。采用理想化电感特性的固定步长模型会产生干净的转矩波形，而实际驱动器却无法重现这种波形。采样延迟就是最明显的例子。 一个以 20 kHz 运行的控制器在离散时刻检测到相电流，而电感值却随转子位置持续变化，因此当占空比更新时，其所调节的电流数据早已过时。离线模型通常会忽略这种延迟，同时也忽略了控制回路中的死区时间、传感器噪声以及有限的计算时间。

磁性表征使问题更加复杂。在线性电感假设失效的恰恰是SRM工作区域——即深度饱和状态下，而忽略饱和现象的模型所报告的转矩和纹波数据会使设计看起来比实际更理想。其结果是，验证记录看似完整，却几乎无法预测组装后的驱动器性能。

“最终生成的验证记录看似完整，但几乎无法对组装好的驱动器做出任何预测。”

仿真 如何通过实时验证SRM驱动器设计

实时仿真 通过以硬件速度运行机器和转换器模型并与实际控制器进行对比，从而弥合了这一差距。控制单元执行生产代码、读取仿真传感器信号并驱动仿真开关设备，因此时序、量化和计算延迟都会影响最终结果。

保真度要求非常严格。SRM 转换器的开关过程仅需微秒级时间，这使得电力电子系统的计算量超出了基于 CPU 的求解器在单个实时步内所能处理的范围。 在FPGA上运行采用饱和精度磁通链图的机器模型，并以亚微秒级分辨率同步求解非对称半桥，这使得该控制环路具有代表性而非近似性。OPAL-RT用户通常将FPGA机器模型与由eHS求解的变流器配对，正是出于这一原因。

其优势在于能够覆盖动态测试台无法安全或经济地触及的测试范围。在硬件尚未问世前的数周内，即可针对生产固件反复测试位置传感器故障、相位开路、转换器设备故障以及极端热工作点等情况。

在开关磁阻电机与永磁电机之间进行选择

开关磁阻电机与永磁电机之间的主要区别在于风险承担的方面。永磁电机设计具有更高的转矩密度和更简单的控制方式，但同时面临磁材供应和成本方面的风险。开关磁阻电机设计则消除了这一风险，但代价是控制复杂度更高且验证工作量更大。

销量会大幅改变计算结果。2025年，全球电动汽车销量突破2000万辆，占汽车市场总量的25%。在如此规模下，单个磁体的成本便成为项目层面的负担，而开发一种战略关键材料（SRM）所需的工程投资，则可通过足够多的销量摊销以收回成本。

在开关磁阻电机领域取得成功的项目，从项目启动的第一周起就将其视为驱动系统开发工作，并在硬件到位之前很久，就将控制器与精确的电机模型集成到闭环系统中。这种严谨的工作方式，比任何单一的控制算法都更能区分那些最终投入量产的开关磁阻电机（SRM）项目与那些停滞在原型阶段的项目。这也正是OPAL-RT的“ 仿真 ”项目在与电机开发商合作时，之所以将重点放在闭环系统上，而非孤立的电机本身的原因。