開關磁阻電機電磁計算分析在電機設計、性能預測、降低成本、提高效率和可靠性以及智能化設計等方面都具有重要的必要性。因此，在開關磁阻電機的設計和開發過程中，進行電磁計算分析是不可或缺的一環。開關磁阻電機的電磁計算涉及多個方面，包括磁鏈、電感、電磁力、電磁轉矩等。

電磁計算分析能夠準確預測開關磁阻電機的各項性能參數，如轉矩、轉速、效率、功率因數等。這些性能參數是電機設計和選型的重要依據。通過電磁計算分析，設計師可以針對特定應用需求，對電機的結構參數進行優化設計，從而得到性能更佳的電機產品。開關磁阻電機的效率與其電磁設計密切相關。通過電磁計算分析，可以找出影響電機效率的關鍵因素，如磁通分布、鐵損、銅損等，并據此對電機進行優化設計，優化后的電機能夠減少能量損失，提高能量轉換效率，從而降低運行成本。

建模設置

1）幾何建模

建立三相18-12開關磁阻電機1/3模型，如圖所示。1/3模型中包括定子、轉子、繞組以及求解域。

圖1 三相18-12開關磁阻電機

2）材料設置

三相18-12開關磁阻電機模型中有三種材料，材料的電磁屬性如表所示。

其中繞組線圈使用紫銅材料，定轉子硅鋼片使用DW310-50材料，其余為空氣。DW310-50為非線性磁導率，該材料的B-H曲線（以DW310-15材料B-H曲線代替）如圖所示。

圖2 DW310-15B-H曲線

3）邊界設置

根據電機結構和繞組分相規則，該開關磁阻電機1/3模型采用對稱邊界，并且設置定子最外邊為磁力線平行邊界，如圖所示。

圖3 對稱邊界與磁力線平行邊界

設置定轉子之間氣隙的中心線為滑移界面，并且設置滑移界面內的區域為運動區域，如圖所示。

圖4 滑移邊界與運動區域設定

3）激勵設置

三相18-12開關磁阻電機的分相接線圖如下所示。

圖5 開關磁阻電機分相接線圖

根據開關磁阻電機的分析接線圖，設置電機模型中各個定子槽繞組的激勵相電流，如圖所示。

A相繞組線圈

B相繞組線圈

C相繞組線圈

圖6 三相繞組的分相示意

由于開關磁阻電機電流激勵的特殊性，建立不對稱橋式功率變換電路，如圖所示。

圖7 不對稱橋式變換電路

在不對稱橋式電路中，三相電流輪流給開關磁阻電機供電，換相周期需要根據電機的實際運行轉速確定，每相電流的空占比設定為1/3周期。本次仿真設置了電機轉速為1400rpm，因此換相周期為：

式中Nr為轉子凸極數，n為電機轉速。

5）網格剖分

電機網格剖分時，需要著重加密氣隙附近的網格，因此設置氣隙附近的網格剖分邊控制，用于加密氣隙網格。同時考慮電機1/3模型設置的對稱邊界，根據對稱邊界指定相應的周期邊界網格匹配，則剖分開關磁阻電機網格如圖所示。

圖8 電機模型網格剖分

電磁仿真分析結果

1） 磁感應強度云圖

查看開關磁阻電機的磁感應強度云圖，如圖所示分別為8.5ms、9ms和9.5ms時刻的磁感應強度云圖。從這三個時刻的磁感應強度云圖可知，磁感應強度主要集中在定、轉子的凸極上，且定、轉子凸極對應位置磁感應強度較大，這與磁阻最小原理相對應。但是，在定、轉子凸極對應位置可能存在局部磁飽和情況。

圖9 8.5ms時刻磁感應強度云圖

2）磁力線云圖

查看開關磁阻電機的磁力線云圖，如圖所示為9.5ms時刻的磁力線云圖。

圖13 9.5ms時刻磁力線云圖

3）轉矩曲線

查看開關磁阻電機的轉矩曲線，如圖所示。從轉矩曲線可知，在未采取任何控制策略時，開關磁阻電機在換相過程存在著很大的轉矩波動。同時，待轉矩平穩后基本是圍繞額定轉矩1600N.m上下波動，這與設計參數基本一致。

圖14 開關磁阻電機轉矩曲線

4）氣隙磁密曲線

查看開關磁阻電機的氣隙磁密曲線，如圖所示為9.5ms時刻的氣隙磁密曲線，從9.5ms時刻的磁感應強度云圖中可知存在兩個定子凸極位置的磁感應強度較大，對應于該磁密曲線的兩個峰值。

圖15 磁密曲線

5）三相繞組電壓曲線

查看開關磁阻電機的三相繞組電壓曲線，如圖所示。由不對稱橋式電路輪流給三相繞組施加電壓，電壓周期即為換相周期。

圖16 三相繞組電壓曲線

6）三相繞組電流曲線

查看開關磁阻電機的三相繞組電流曲線，如圖所示。從三相繞組電流曲線可知，三相繞組輪流通電以驅動開關磁阻電機轉動。

圖17 三相繞組電流曲線

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