开关磁阻电机

~ 电机在众多领域中扮演着驱动源的角色，从小型玩具的马达到大型工业设备的电机，种类繁多。小时候，我们最常接触到的是永磁直流电机，拆开后可以看到由定子、转子和碳刷等部件组成。定子部分包括外壳和内嵌的磁瓦；转子由硅钢叠片、漆包铜线、芯轴组成；长时间工作碳刷会磨损，产生碳粉，小时候遇到过碳刷上的石墨脱落，将两个金属刷向内扣至重叠，以夹住芯轴端，也可以使用，但就是会出现噪声。当时学富一滴，拆过家里的吊扇后取出很多方形永磁，以为所有的电机里都是含永磁体，直到看到家里印刷机上的大型电机，用铁片去贴电机各个部位，没有任何作用，百思不得其解磁哪去了。但这个电机比较重且昂贵，不能再暴力拆解，于是转向家里立式电风扇的电机，拆开后只得到金属转子和定子，绕组缠在定子上，而不是像马达一样的转子上，且没有永磁体，这才知道并不是所有的电机都有永磁。 开关磁阻电机(SRM)便是其中的一种，是利用磁力线具有朝最小磁阻路径移动的物理作用，而产生转矩，其不需要永久磁铁和转子线圈，固没有转子铜损的问题。其工作原理如下图所示，按照一定规律给绕组供电，产生的磁场由定子磁轭和转子齿形成闭合磁路，交替改变绕组供电，磁路拉着转子旋转运动。其命名规则为定子齿数/转子齿数，图示为12/4型SRM。

开关磁阻电机具有结构简单、成本低、损耗小、容错性强、起动转矩大以及适用于各种恶劣环境等诸多优良特性。但是由于开关磁阻电机是双凸极结构以及磁路饱和非线性的影响，合成转矩不是恒转矩，具有不能忽略的转矩脉动，同时产生的噪声也比一般电机大。另外，同一般电机一样，机械轴承磨损、部件发热也是开关磁阻电机的缺点，它严重阻碍了开关磁阻电机在高速领域的发展及应用。其优缺点总结如下表：

Maxwell是研究电机的常用工具，下面以8/10型SRM进行仿真，即8个定子齿，10个转子齿。建立的电机模型如图所示。绿色区域为定子磁轭，黄色区域为绕组，红色区域为转子，蓝色区域为芯轴，其余紫色部分为空气域。其中，定子轭部是定子槽底与定子铁心外边的距离；转子轭部是转子槽底与转子内径之间的距离；槽是放置绕组的地方；齿部是将槽分开的定子部分。

绕组激励的设置如图所示，包含A、B、Yp、Yn、Xp和Xn相。

A相和Yp极上绕组共同导通时，磁通分布如图所示。

转子在x和y方向受力为Fx=-16.678，Fy=32.87，Mag=36.859。转子力矩为0.0055527。绕组电感矩阵如下：

B相和Yp极上绕组共同导通时，磁通分布如图所示。

转子在x和y方向受力为Fx=16.702，Fy=32.809，Mag=36.816。转子力矩为-0.0038506。绕组电感矩阵如下：

转子转动一个极弧，转动绕组B相转动过程如下：

（1）仿真过程中出现报错信息-“multiple resolution domain detected”，该问题主要是求解域未设置或者设置错误引起的，因此，在仿真前，需要设置合理的求解域或者边界，保证边界线条的连续。 （2）当设置多个变量时，在求解时，勾选需要进行参数化分析的变量即可。点击分析树，下面列出所有变量信息。右键选择“Design Properties”，弹出以下对话框，里面包含所有的变量信息，参与参数化计算分析的变量，需要勾选“Sweep”项，其余不勾选即可。勾选sweep后，在Optimetrics中才可以添加上变量。

（3）电感曲线波峰方向与转子的旋转方向无关。电感是电机磁导的函数，而电机磁导与转矩极和转子极之间的重叠面积有关，当转子旋转时该重叠面积随着转子位置变化。因此，电感曲线波峰方向与转子初始位置有关。 转子初始位置：B相对齐。

A相自感和B相自感曲线如下图所示。

（4）长磁路与短磁路。长磁路：每相定子激磁绕组所产生的主磁通，总是横穿电机的内部，然后，在沿圆周方向分量返回闭合。短磁路：对小于这一磁通闭合路径长度者。

（5）逆转磁通。各相顺序通电，每相通电时都有特定的磁通路径，当相间交替时存在部分铁心磁通方向发生变化。这就是仿真时分别对A相、B相导通分析的原因，通过不同相的磁通分布，可看出磁通是否在定子中存在逆转。

（6）分析时，是否可以设置转子位置和电流大小两个变量。把变量放在一个参数分析中，以电流和旋转位置为例：

（7）静态参数化分析，不同位置处磁通的观察。需要在参数化中勾选保存场，操作如下：

（8）转矩区分。平均转矩—所有位置转矩均值，非(Tmax+Tmin)/2。最大转矩—所能带动的最大负载。最小转矩—空载时的转矩。转矩波动—(Tmax-Tmin)/平均。启动转矩—电机从静止到转动所需要的力，大小为电机负载的静摩擦力矩。

（9）Maxwell 2D进行磁场分析时，Z轴长度是以1m深度进行计算的。因此，电机收到的实际力或力矩为F(T)*depth。绕组中的电感参数，与实际绕组的匝数N、Z轴方向长度depth相关，电感矩阵信息中所显示的为单匝，单位长度的电感值，因此实际电感为N*N*L*depth。绕组匝数N在仿真中可进行设置，默认为1匝：

（10）参数仿真中，电感矩阵不显示或异常。是由于设置引起的，若在Solve Setup中勾选Solve Fields on会出现此问题。

（11）不同电流下，电感曲线重合问题。该问题是电流设置问题，在电流激励设置中，value值为安培*匝数，若电流值为1A，绕组匝数为80，则value应设置为80A，变量修改后（取值80A~400A，步增量为80A），电感曲线如图所示：

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芗城区13918663412： 开关磁阻电机具体工作原理？
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