[科普中国]-磁场开关

开关磁阻电机是指各种设备上广泛采用的开关磁阻径向磁场旋转电机，具有结构简单、成本低、控制灵活、起动电流小等特点，在工业调速系统中的应用也越来越广泛1。

磁场开关的组成开关磁阻电机系统主要由开关磁阻电机、功率变换器、控制器及检测电路等组成。开关磁阻电机系统结构如图1 所示。图1 中SRM 为普通的径向磁场开关磁阻电机，可以换成轴向磁场开关磁阻电机，以实现轴向磁场开关磁阻电机的优点1。

轴向磁场开关磁阻电机系统轴向磁场开关磁阻电机也称盘式开关磁阻电机。将普通开关磁阻电机与盘式电机相结合，即构成了轴向磁场盘式开关磁阻电机1。

功率变换器是开关磁阻电机系统中故障高发的环节。它是系统的核心机构，负责绕组与电源的导通、关断切换。功率变换器发生故障将无法为电机运行提供电能。电机绕组是轴向磁场开关磁阻电机本体上最薄弱的环节，任一相绕组出现故障都将破坏电机各相对称性，影响电机正常运行。因此，有必要对电机绕组故障和功率变换器故障进行研究，以便及时检测和发现故障并及时采取适当的容错方法1。

轴向磁场开关磁阻电机的机构轴向盘式开关磁阻电机继承了普通开关磁阻电机的双凸极结构。不同的是开关磁阻电机的转子位于定子上方，形成轴向结构。以三相6 /4 极结构为例。定子由定子盘和6 个黏附在盘面上的铁心组成。在铁心上绕线圈构成励磁磁极，定子齿采用平行槽结构，转子由转子盘和4 个转子齿构成，转子上无绕组。

轴向磁场开关磁阻电机的工作原理与普通开关磁阻电机相同，均遵守磁阻最小原则，即磁通总是沿着磁阻最小路径闭合产生磁拉力进而形成转矩1。

轴向磁场开关磁阻优势相比普通开关磁阻电机，轴向磁场磁阻电机具有转动惯量比高、轴向长度短、体积小等优点，还可以用于一些特殊应用场合。分析了在轴向磁场开关磁阻电机系统中两类重要性的故障：功率变换器故障和电机本体故障。最后针对开关磁阻电机的故障提出了三种容错控制方法，大大减少开关磁阻电机故障的发生。但是，对容错控制的研究主要是简单的容错控制，研究不够深入，因此在开关磁阻电机的故障和容错控制方面的研究还需要更多更深的探讨1。

横向磁场开关磁阻电机永磁屏蔽横向磁场开关磁阻电机(TFSRM) 是一种新型逆变器供电的调速电机结构型式，它既具有开关磁阻电机结构简单牢固、转子损耗小、调速范围宽等优点，又具有横向磁场电机的特点，即主磁路与电机运动方向垂直，实现了磁路与电路结构上的解祸，可以通过电机极数和相数的增加提高输出转矩，具有较高的转矩密度，因此在低速直接驱动l[]和直线驱动2I] 领域有着较好的发展前景。但是进一步的研究表明，FTSRM的输出转矩并不与极数成正比，这主要是由于随着极数和绕组电流的增加，极间距离减小，铁心饱和程度增加，导致TFSRM的漏磁增加，磁阻转矩减小，输出转矩降低，因此减小漏磁是进一步提高横向磁场开关磁阻电机转矩密度的关键所在2。

结构特点三相永磁屏蔽外转子横向磁场开关磁阻电机(FTSRM) 的结构由定子由凹字形铁心和环形集中绕组组成，若干个凹字形铁心沿圆周均匀排放，环形绕组放在凹槽中且与转子运动方向一致，相邻相之间依次错开2 /m加电角度；转子由与定子铁心数目相同的一字形铁心组成，每对定转子铁心形成一对极，因此电机结构简单，绕组加工方便，且绕组端部少2。

磁场分析TFSRM电机原理上同传统开关磁阻电机一样也是按照磁阻最小原则进行工作的：当在环形绕组通入电流，就会在每个定子铁心中形成磁场，与转子铁心形成闭合磁路( 每对定、转子铁心成为一对极)，按照磁阻最小原则通过磁阻转矩拖动转子旋转，直至定转子齿对齐；依次导通其他相，电机就可以连续旋转。与传统的开关磁阻电机不同，由于TFSR电机主磁路的方向位于与电机运动方向垂直的平面上，因此可以沿轴向适当放大槽口面积和齿部尺寸，从而可以在保证磁共能不变情况下通过增加极数，或者沿轴向增加相数，获得较高的输出转矩2。

800 kV GIS 隔离开关磁场800 kV GIS 隔离开关在实际运行中由于电阻损耗发热而温度升高，甚至超过允许温升，从而影响其工作性能，为了保证其工作的安全性和可靠性，建立了三维有限元分析模型对800 kV GIS 隔离开关的工频磁场进行分析。首先计算出隔离开关上的磁感应强度分布及涡流损耗，然后将涡流损耗值作为体积热源计算800 kV GI S 隔离开关的温度场，得出各部分具体温升值。结果表明：在环境温度为27􀀁 3􀀁C的工作条件下，隔离开关主导体上的温升约为26. 3 K，外壳温升约为13. 3 K。计算结果和试验测试数据的对比验证了方法的准确性，为提高GIS 隔离开关运行可靠性提供理论依据3。

高转矩密度横向磁场开关磁阻电机以横向磁场电机为代表的交流永磁电机的应用日益受到人们的关注。但是这一独特的结构会带来分析方法和制造工艺的复杂性，同时，较高的电枢反应电势导致功率因数偏低，以及损耗和变频器容量增加，这些将限制其实际应用4。

为利用横向磁场电机结构的优点并避免永磁电机低功率因数带来的问题，横向磁场开关磁阻电机受到了一定的重视。在开关磁阻电机研究中，可使用与普通交流电机功率因数相似的一个表征输入能量转换为有用输出能量比率的概念，其大小与电机最大、最外位置的磁路饱和情况有关，一般可做到0. 6以上4。

电机结构二相样机的A、B 相转子模块分布在一根轴线上；而定子模块间则错开半个极距，以便使各绕组在电气上分为180度电角度，构成两相绕组。样机的定、转子铁心结构件以及外壳均由合金铝锭经车、铣加工制成。由于电机气隙较小，相数(轴向模块数)考虑的主要因素为外转子结构的机械强度及高速运行时的可靠性。需要说明的是，电机运行时，三相以下的结构不具备自起动的能量。而实际应用中电机也不一定由二相组成。为便于使用更多的独立电机模块进行串联研究，本样机设计为具有双端轴伸的结构4。

电机的极数选择优化设计在设计过程中对定子内径冲片内径取116mm，极数分别为8、10、12、14、15、16 时采用三维有限元方法和解析计算方法对其对齐与不对齐位置的磁链-电流曲线按相电流取值逐点进行了计算。两种计算方法结果基本相符，证明了解析计算方法的正确性。而当极数发生变化时，有限元计算所得电机的最大电感位置磁链值基本不变，说明了对齐位置忽略磁极表面漏磁假设进行解析计算的正确性4。

在气隙直径取116 mm 并综合考虑极数增加对机械、结构设计、工艺及安装等可能带来的影响，电机取15极时能够获得较为理想的平均转矩。此外，设计样机的开关频率和铁心损耗也是考虑的因素。取15极为例，当转速为200 r/m in时，电机的开关频率为50Hz4。

本词条内容贡献者为:

李勇 - 副教授 - 西南大学