磁場開關

開關磁阻電機是指各種設備上廣泛採用的開關磁阻徑向磁場旋轉電機，具有結構簡單、成本低、控制靈活、起動電流小等特點，在工業調速系統中的套用也越來越廣泛。

基本介紹

• 中文名：磁場開關
• 外文名：Magnetic switch
• 時間：低六位組成
• 特點：高三位是當前霍爾

磁場開關的組成

開關磁阻電機系統主要由開關磁阻電機、功率變換器、控制器及檢測電路等組成。開關磁阻電機系統結構如圖1 所示。圖1 中SRM 為普通的徑向磁場開關磁阻電機，可以換成軸向磁場開關磁阻電機，以實現軸向磁場開關磁阻電機的優點。

開關磁阻電機系統結構

軸向磁場開關磁阻電機系統

軸向磁場開關磁阻電機也稱盤式開關磁阻電機。將普通開關磁阻電機與盤式電機相結合，即構成了軸向磁場盤式開關磁阻電機。

功率變換器是開關磁阻電機系統中故障高發的環節。它是系統的核心機構，負責繞組與電源的導通、關斷切換。功率變換器發生故障將無法為電機運行提供電能。電機繞組是軸向磁場開關磁阻電機本體上最薄弱的環節，任一相繞組出現故障都將破壞電機各相對稱性，影響電機正常運行。因此，有必要對電機繞組故障和功率變換器故障進行研究，以便及時檢測和發現故障並及時採取適當的容錯方法。

軸向磁場開關磁阻電機的機構

軸向盤式開關磁阻電機繼承了普通開關磁阻電機的雙凸極結構。不同的是開關磁阻電機的轉子位於定子上方，形成軸向結構。以三相6 /4 極結構為例。定子由定子盤和6 個黏附在盤面上的鐵心組成。在鐵心上繞線圈構成勵磁磁極，定子齒採用平行槽結構，轉子由轉子盤和4 個轉子齒構成，轉子上無繞組。

軸向磁場開關磁阻電機的工作原理與普通開關磁阻電機相同，均遵守磁阻最小原則，即磁通總是沿著磁阻最小路徑閉合產生磁拉力進而形成轉矩。

軸向磁場開關磁阻優勢

相比普通開關磁阻電機，軸向磁場磁阻電機具有轉動慣量比高、軸向長度短、體積小等優點，還可以用於一些特殊套用場合。分析了在軸向磁場開關磁阻電機系統中兩類重要性的故障：功率變換器故障和電機本體故障。最後針對開關磁阻電機的故障提出了三種容錯控制方法，大大減少開關磁阻電機故障的發生。但是，對容錯控制的研究主要是簡單的容錯控制，研究不夠深入，因此在開關磁阻電機的故障和容錯控制方面的研究還需要更多更深的探討。

橫向磁場開關磁阻電機永磁禁止

橫向磁場開關磁阻電機(TFSRM) 是一種新型逆變器供電的調速電機結構型式，它既具有開關磁阻電機結構簡單牢固、轉子損耗小、調速範圍寬等優點，又具有橫向磁場電機的特點，即主磁路與電機運動方向垂直，實現了磁路與電路結構上的解禍，可以通過電機極數和相數的增加提高輸出轉矩，具有較高的轉矩密度，因此在低速直接驅動l[]和直線驅動2I] 領域有著較好的發展前景。但是進一步的研究表明，FTSRM的輸出轉矩並不與極數成正比，這主要是由於隨著極數和繞組電流的增加，極間距離減小，鐵心飽和程度增加，導致TFSRM的漏磁增加，磁阻轉矩減小，輸出轉矩降低，因此減小漏磁是進一步提高橫向磁場開關磁阻電機轉矩密度的關鍵所在。

結構特點

三相永磁禁止外轉子橫向磁場開關磁阻電機(FTSRM) 的結構由定子由凹字形鐵心和環形集中繞組組成，若干個凹字形鐵心沿圓周均勻排放，環形繞組放在凹槽中且與轉子運動方向一致，相鄰相之間依次錯開2 /m加電角度；轉子由與定子鐵心數目相同的一字形鐵心組成，每對定轉子鐵心形成一對極，因此電機結構簡單，繞組加工方便，且繞組端部少。

磁場分析

TFSRM電機原理上同傳統開關磁阻電機一樣也是按照磁阻最小原則進行工作的：當在環形繞組通入電流，就會在每個定子鐵心中形成磁場，與轉子鐵心形成閉合磁路( 每對定、轉子鐵心成為一對極)，按照磁阻最小原則通過磁阻轉矩拖動轉子旋轉，直至定轉子齒對齊；依次導通其他相，電機就可以連續旋轉。與傳統的開關磁阻電機不同，由於TFSR電機主磁路的方向位於與電機運動方向垂直的平面上，因此可以沿軸向適當放大槽口面積和齒部尺寸，從而可以在保證磁共能不變情況下通過增加極數，或者沿軸向增加相數，獲得較高的輸出轉矩。

800 kV GIS 隔離開關磁場

800 kV GIS 隔離開關在實際運行中由於電阻損耗發熱而溫度升高，甚至超過允許溫升，從而影響其工作性能，為了保證其工作的安全性和可靠性，建立了三維有限元分析模型對800 kV GIS 隔離開關的工頻磁場進行分析。首先計算出隔離開關上的磁感應強度分布及渦流損耗，然後將渦流損耗值作為體積熱源計算800 kV GI S 隔離開關的溫度場，得出各部分具體溫升值。結果表明：在環境溫度為27􀀁 3􀀁C的工作條件下，隔離開關主導體上的溫升約為26. 3 K，外殼溫升約為13. 3 K。計算結果和試驗測試數據的對比驗證了方法的準確性，為提高GIS 隔離開關運行可靠性提供理論依據。

高轉矩密度橫向磁場開關磁阻電機

以橫向磁場電機為代表的交流永磁電機的套用日益受到人們的關注。但是這一獨特的結構會帶來分析方法和製造工藝的複雜性，同時，較高的電樞反應電勢導致功率因數偏低，以及損耗和變頻器容量增加，這些將限制其實際套用。

為利用橫向磁場電機結構的優點並避免永磁電機低功率因數帶來的問題，橫向磁場開關磁阻電機受到了一定的重視。在開關磁阻電機研究中，可使用與普通交流電機功率因數相似的一個表征輸入能量轉換為有用輸出能量比率的概念，其大小與電機最大、最外位置的磁路飽和情況有關，一般可做到0. 6以上。

電機結構

二相樣機的A、B 相轉子模組分布在一根軸線上；而定子模組間則錯開半個極距，以便使各繞組在電氣上分為180度電角度，構成兩相繞組。樣機的定、轉子鐵心結構件以及外殼均由合金鋁錠經車、銑加工製成。由於電機氣隙較小，相數(軸向模組數)考慮的主要因素為外轉子結構的機械強度及高速運行時的可靠性。需要說明的是，電機運行時，三相以下的結構不具備自起動的能量。而實際套用中電機也不一定由二相組成。為便於使用更多的獨立電機模組進行串聯研究，本樣機設計為具有雙端軸伸的結構。

電機的極數選擇最佳化設計

在設計過程中對定子內徑沖片內逕取116mm，極數分別為8、10、12、14、15、16 時採用三維有限元方法和解析計算方法對其對齊與不對齊位置的磁鏈-電流曲線按相電流取值逐點進行了計算。兩種計算方法結果基本相符，證明了解析計算方法的正確性。而當極數發生變化時，有限元計算所得電機的最大電感位置磁鏈值基本不變，說明了對齊位置忽略磁極表面漏磁假設進行解析計算的正確性。

在氣隙直逕取116 mm 並綜合考慮極數增加對機械、結構設計、工藝及安裝等可能帶來的影響，電機取15極時能夠獲得較為理想的平均轉矩。此外，設計樣機的開關頻率和鐵心損耗也是考慮的因素。取15極為例，當轉速為200 r/m in時，電機的開關頻率為50Hz。