案例分享：某开关磁阻电机电磁计算
本文摘要：（由ai生成）
本文介绍了开关磁阻电机电磁计算分析的必要性和建模设置，包括几何建模、材料设置、边界设置、激励设置和网格剖分。通过对电机的电磁仿真分析，得到了磁感应强度云图、磁力线云图、转矩曲线、气隙磁密曲线、三相绕组电压曲线和电流曲线等结果。这些结果有助于了解电机的性能参数和优化设计，从而提高电机的效率和可靠性。
开关磁阻电机电磁计算分析在电机设计、性能预测、降低成本、提高效率和可靠性以及智能化设计等方面都具有重要的必要性。因此，在开关磁阻电机的设计和开发过程中，进行电磁计算分析是不可或缺的一环。开关磁阻电机的电磁计算涉及多个方面，包括磁链、电感、电磁力、电磁转矩等。
电磁计算分析能够准确预测开关磁阻电机的各项性能参数，如转矩、转速、效率、功率因数等。这些性能参数是电机设计和选型的重要依据。通过电磁计算分析，设计师可以针对特定应用需求，对电机的结构参数进行优化设计，从而得到性能更佳的电机产品。开关磁阻电机的效率与其电磁设计密切相关。通过电磁计算分析，可以找出影响电机效率的关键因素，如磁通分布、铁损、铜损等，并据此对电机进行优化设计，优化后的电机能够减少能量损失，提高能量转换效率，从而降低运行成本。
建模设置
1）几何建模
建立三相18-12开关磁阻电机1/3模型，如图所示。1/3模型中包括定子、转子、绕组以及求解域。
图1 三相18-12开关磁阻电机
2）材料设置
三相18-12开关磁阻电机模型中有三种材料，材料的电磁属性如表所示。
其中绕组线圈使用紫铜材料，定转子硅钢片使用DW310-50材料，其余为空气。DW310-50为非线性磁导率，该材料的B-H曲线（以DW310-15材料B-H曲线代替）如图所示。
图2 DW310-15B-H曲线
3）边界设置
根据电机结构和绕组分相规则，该开关磁阻电机1/3模型采用对称边界，并且设置定子最外边为磁力线平行边界，如图所示。
图3 对称边界与磁力线平行边界
设置定转子之间气隙的中心线为滑移界面，并且设置滑移界面内的区域为运动区域，如图所示。
图4 滑移边界与运动区域设定
3）激励设置
三相18-12开关磁阻电机的分相接线图如下所示。
图5 开关磁阻电机分相接线图
根据开关磁阻电机的分析接线图，设置电机模型中各个定子槽绕组的激励相电流，如图所示。
A相绕组线圈
B相绕组线圈
C相绕组线圈
图6 三相绕组的分相示意
由于开关磁阻电机电流激励的特殊性，建立不对称桥式功率变换电路，如图所示。
图7 不对称桥式变换电路
在不对称桥式电路中，三相电流轮流给开关磁阻电机供电，换相周期需要根据电机的实际运行转速确定，每相电流的空占比设定为1/3周期。本次仿真设置了电机转速为1400rpm，因此换相周期为：
式中Nr为转子凸极数，n为电机转速
5）网格剖分
电机网格剖分时，需要着重加密气隙附近的网格，因此设置气隙附近的网格剖分边控制，用于加密气隙网格。同时考虑电机1/3模型设置的对称边界，根据对称边界指定相应的周期边界网格匹配，则剖分开关磁阻电机网格如图所示。
图8 电机模型网格剖分
电磁仿真分析结果
1） 磁感应强度云图
查看开关磁阻电机的磁感应强度云图，如图所示分别为8.5ms、9ms和9.5ms时刻的磁感应强度云图。从这三个时刻的磁感应强度云图可知，磁感应强度主要集中在定、转子的凸极上，且定、转子凸极对应位置磁感应强度较大，这与磁阻最小原理相对应。但是，在定、转子凸极对应位置可能存在局部磁饱和情况。
图9 8.5ms时刻磁感应强度云图
2）磁力线云图
查看开关磁阻电机的磁力线云图，如图所示为9.5ms时刻的磁力线云图。
图13 9.5ms时刻磁力线云图
3）转矩曲线
查看开关磁阻电机的转矩曲线，如图所示。从转矩曲线可知，在未采取任何控制策略时，开关磁阻电机在换相过程存在着很大的转矩波动。同时，待转矩平稳后基本是围绕额定转矩1600N.m上下波动，这与设计参数基本一致。
图14 开关磁阻电机转矩曲线
4）气隙磁密曲线
查看开关磁阻电机的气隙磁密曲线，如图所示为9.5ms时刻的气隙磁密曲线，从9.5ms时刻的磁感应强度云图中可知存在两个定子凸极位置的磁感应强度较大，对应于该磁密曲线的两个峰值。
图15 磁密曲线
5）三相绕组电压曲线
查看开关磁阻电机的三相绕组电压曲线，如图所示。由不对称桥式电路轮流给三相绕组施加电压，电压周期即为换相周期。
图16 三相绕组电压曲线
6）三相绕组电流曲线
查看开关磁阻电机的三相绕组电流曲线，如图所示。从三相绕组电流曲线可知，三相绕组轮流通电以驱动开关磁阻电机转动。
图17 三相绕组电流曲线
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