磁阻電機(jī)
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2022-04-11
磁阻電機(jī)的視頻教程
磁阻電機(jī)的實(shí)例教程
開關(guān)磁阻電機(jī)電磁計(jì)算分析在電機(jī)設(shè)計(jì)、性能預(yù)測(cè)、降低成本、提高效率和可靠性以及智能化設(shè)計(jì)等方面都具有重要的必要性。因此，在開關(guān)磁阻電機(jī)的設(shè)計(jì)和開發(fā)過程中，進(jìn)行電磁計(jì)算分析是不可或缺的一環(huán)。開關(guān)磁阻電機(jī)的電磁計(jì)算涉及多個(gè)方面，包括磁鏈、電感、電磁力、電磁轉(zhuǎn)矩等。
電磁計(jì)算分析能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)開關(guān)磁阻電機(jī)的各項(xiàng)性能參數(shù)，如轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、效率、功率因數(shù)等。這些性能參數(shù)是電機(jī)設(shè)計(jì)和選型的重要依據(jù)。通過電磁計(jì)算分析，設(shè)計(jì)師可以針對(duì)特定應(yīng)用需求，對(duì)電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而得到性能更佳的電機(jī)產(chǎn)品。開關(guān)磁阻電機(jī)的效率與其電磁設(shè)計(jì)密切相關(guān)。通過電磁計(jì)算分析，可以找出影響電機(jī)效率的關(guān)鍵因素，如磁通分布、鐵損、銅損等，并據(jù)此對(duì)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的電機(jī)能夠減少能量損失，提高能量轉(zhuǎn)換效率，從而降低運(yùn)行成本。
建模設(shè)置
1）幾何建模
建立三相18-12開關(guān)磁阻電機(jī)1/3模型，如圖所示。1/3模型中包括定子、轉(zhuǎn)子、繞組以及求解域。
圖1 三相18-12開關(guān)磁阻電機(jī)
2）材料設(shè)置
三相18-12開關(guān)磁阻電機(jī)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(zhuǎn)子硅鋼片使用DW310-50材料，其余為空氣。DW310-50為非線性磁導(dǎo)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(shè)置
根據(jù)電機(jī)結(jié)構(gòu)和繞組分相規(guī)則，該開關(guān)磁阻電機(jī)1/3模型采用對(duì)稱邊界，并且設(shè)置定子最外邊為磁力線平行邊界，如圖所示。
圖3 對(duì)稱邊界與磁力線平行邊界
設(shè)置定轉(zhuǎn)子之間氣隙的中心線為滑移界面，并且設(shè)置滑移界面內(nèi)的區(qū)域?yàn)檫\(yùn)動(dòng)區(qū)域，如圖所示。
展開 來源：杭州易泰達(dá)科技 作者：朱彤華
引言
近年由于稀土磁鋼的價(jià)格大幅度波動(dòng)，在很大程度上影響了稀土永磁同步電機(jī)的推廣應(yīng)用。通常，稀土磁鋼的價(jià)格占電機(jī)總價(jià)格的 20% 左右，減少甚至消除這部分成本能顯著降低電機(jī)的成本。另一方面，由于其他類型的電機(jī)，如直流電機(jī)，開關(guān)磁阻電機(jī)，感應(yīng)電機(jī)等在控制上都有不同的弱點(diǎn)，難以取代同步電機(jī)在工業(yè)上的應(yīng)用，因此，研發(fā)不使用稀土磁鋼的同步電機(jī)就提上了議事日程。
同步磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
同步磁阻電機(jī)不使用稀土磁鋼，可以看成是永磁同步電機(jī)的一個(gè)特例，從永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式可以看出：
te=p[ψf iq+(Ld-Lq)id iq ]
前一項(xiàng)是永磁轉(zhuǎn)矩， 后一項(xiàng)是磁阻轉(zhuǎn)矩，而同步磁阻電機(jī)是僅利用磁阻轉(zhuǎn)矩的電機(jī)， 其轉(zhuǎn)矩公式就是 :
te=p[(Ld-Lq)id iq ]
同步磁阻電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)和永磁同步電機(jī)的一樣，而轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)比較特殊，通常有如下幾種：
為了提高交直軸電感的差，需要提高直軸電感，并降低交軸電感，又由于電機(jī)內(nèi)的磁場(chǎng)需要由定子電流產(chǎn)生，所以電機(jī)必須使用盡可能小的氣隙，減少勵(lì)磁電流，提高功率因數(shù)；盡量保證漏感處于較低水平，亦即保證槽漏感，端部漏感，諧波漏感，等均較低，因此經(jīng)過分析，需要使用多層磁障的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)同步磁阻電機(jī)。
同步磁阻電機(jī)的控制及性能特點(diǎn)
同步磁阻電機(jī)可以采用多種控制方式，DTC 直接轉(zhuǎn)矩控制是其中的一種。DTC 是以電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為控制目標(biāo)，在控制中不使用計(jì)算量大的矢量變換，所以控制速度快， 對(duì)控制器 MCU 的要求低，動(dòng)態(tài)性能好，同時(shí)對(duì)電機(jī)參數(shù)的敏感性降低，控制可靠性提高。
展開 同步磁阻電機(jī)是一種同步電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)矩是由于轉(zhuǎn)子的正交軸和直軸的磁導(dǎo)率（磁導(dǎo)率）不等而產(chǎn)生的，它沒有勵(lì)磁繞組或永磁體 。
同步磁阻電機(jī)的構(gòu)造
磁阻電機(jī)的定子可以是分布式和集中式繞組，由框架和帶繞組的鐵芯組成。
同步磁阻電機(jī)
分布式繞組同步磁阻電機(jī)定子
磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子分為三種主要類型：凸極轉(zhuǎn)子、軸向疊片轉(zhuǎn)子和橫向疊片轉(zhuǎn)子。
帶凸極轉(zhuǎn)子
軸向疊片轉(zhuǎn)子
橫向疊片轉(zhuǎn)子
同步磁阻電機(jī)的工作原理
通過定子繞組的交流電在電動(dòng)機(jī)的氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子試圖通過施加的磁場(chǎng)建立其最具導(dǎo)磁性的軸（d 軸）以最小化磁路中的磁阻（磁阻）時(shí)，會(huì)產(chǎn)生扭矩。轉(zhuǎn)矩的幅度與直接 Ld 和正交 Lq 電感之間的差值成正比。因此，差異越大，產(chǎn)生的扭矩就越大。
同步電機(jī)的磁場(chǎng)線
可以借助下圖解釋主要思想。由各向異性材料組成的物體“a”沿d軸和q軸具有不同的電導(dǎo)率，而物體“b”的各向同性磁性材料在所有方向上具有相同的電導(dǎo)率。如果 d 軸和磁場(chǎng)線之間存在角度，則施加到各向異性物體“a”的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生扭矩。顯然，如果物體“a”的 d 軸與磁場(chǎng)線不重合，物體就會(huì)在磁場(chǎng)中引入畸變。在這種情況下，扭曲磁力線的方向?qū)⑴c物體的 q 軸重合。
在磁場(chǎng)中具有各向異性幾何形狀 (a) 和各向同性幾何形狀 (b) 的物體
具有各向異性幾何形狀的物體周圍的磁場(chǎng)線
在同步磁阻電機(jī)中，磁場(chǎng)由正弦分布的定子繞組產(chǎn)生。磁場(chǎng)以同步速度旋轉(zhuǎn)，可視為正弦曲線。在這種情況下，總會(huì)有一個(gè)扭矩旨在通過減少沿 q 軸的場(chǎng)失真（δ→0）來降低整個(gè)系統(tǒng)的勢(shì)能。如果角度δ保持不變，例如通過控制磁場(chǎng)，那么電磁能將不斷地轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。定子電流負(fù)責(zé)磁化并產(chǎn)生試圖減少磁場(chǎng)失真的轉(zhuǎn)矩。
展開 與開關(guān)磁阻電機(jī)相比，同步磁阻電機(jī)在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、振動(dòng)噪聲方面占據(jù)優(yōu)勢(shì)，但其驅(qū)動(dòng)電路需采用六橋臂逆變器，使同步磁阻電機(jī)控制成本更高、難度更大；在轉(zhuǎn)矩密度、效率及功率因數(shù)方面，同步磁阻電機(jī)較永磁同步電機(jī)存在差距；轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)過大問題也是限制同步磁阻電機(jī)在電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用的重要因素。
永磁磁阻電機(jī)是同步磁阻電機(jī)的一種改進(jìn)形式。由于其轉(zhuǎn)矩密度和功率密度高、凸極比大、調(diào)速性能優(yōu)異、效率高，且使用較少永磁體材料，成本低廉，近年來被廣泛應(yīng)用于包含電動(dòng)汽車在內(nèi)的各個(gè)領(lǐng)域中。但永磁磁阻電機(jī)同樣存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)過大的問題。
至此，針對(duì)目前電動(dòng)車用電機(jī)的稀土永磁成本過高的問題，本文提出了一種新型永磁磁阻電機(jī)，采用釹鐵硼和鐵氧體混合式磁鋼轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)?；谟邢拊抡孳浖﨡MAG，重點(diǎn)分析研究了新型永磁磁阻電機(jī)與原全釹鐵硼永磁同步電機(jī)在額定點(diǎn)轉(zhuǎn)矩、磁阻轉(zhuǎn)矩和凸極比上的差異。針對(duì)新型電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)諧波含量過高、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)過大和轉(zhuǎn)矩輸出能力不足的問題，進(jìn)一步提出一種切向混合式磁鋼轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，分析優(yōu)化了切向混合磁鋼比例和位置參數(shù)。最終得到的新型永磁磁阻電機(jī)同時(shí)具有較高輸出轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、高凸極比和低廉的成本。
展開 轉(zhuǎn)子無(wú)線勵(lì)磁原理示意圖：
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3.1.7 電勵(lì)磁同步電機(jī)的最大優(yōu)勢(shì)是磁場(chǎng)可控，通過控制轉(zhuǎn)子繞組電流大小，從而控制轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)大小，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制磁場(chǎng)；特別是高速區(qū)域，達(dá)到提高效率、降低溫升、增大輸出功率軸向?qū)挾鹊哪康?；而不是永磁同?em>電機(jī)的被動(dòng)、不得不FOC增加直軸電流分量、達(dá)到增加直軸磁場(chǎng)的目的。從而降低高速區(qū)的相端電壓。轉(zhuǎn)子繞組電流可以通過PWM控制，調(diào)節(jié)不同占空比，調(diào)節(jié)平均勵(lì)磁電流大小，從而控制勵(lì)磁磁場(chǎng)。
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3.1.8 從扭矩-轉(zhuǎn)速特性案例可以看出，在高速區(qū)域，輸出功率并沒有下降太多，基本保持水平，這個(gè)原因就是因?yàn)殡妱?lì)磁繞組的磁場(chǎng)可以主動(dòng)控制，根據(jù)需要控制勵(lì)磁電流大?。欢来磐?em>電機(jī)需要FOC弱磁被動(dòng)控制直軸磁場(chǎng)，產(chǎn)生多余的電能損耗，高速區(qū)和輸出功率下降幅度較大。
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3.2 磁阻同步電機(jī)
3.2.1 “控制器示意圖，三相電流示意圖”見“3.1 電勵(lì)磁同步電機(jī)”。
3.2.2 電勵(lì)磁同步電機(jī)與同步磁阻電機(jī)區(qū)別：
1) 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同，電勵(lì)磁是繞組線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)；而磁阻同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子沒有任何稀土和繞組，只有硅鋼片鐵芯。
2) 原理上類似，只是磁阻同步電機(jī)完全依靠磁阻轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)力矩，能量來源于定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，根據(jù)磁場(chǎng)能力（磁力線）總是盡力流過磁阻小的轉(zhuǎn)子磁路路徑，對(duì)應(yīng)的在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生了同等極數(shù)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，伴著定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)化。
3.2.3 電機(jī)剖視圖、磁化曲線磁路圖。
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3.2.4 磁阻同步電機(jī)有其先天的劣勢(shì)：轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大、影響NVH效果。如下圖是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)示意圖。
展開 
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磁阻電機(jī)的最新內(nèi)容
</p><p>3）開關(guān)磁阻電機(jī)</p><p>無(wú)稀土設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐高溫。Enedym和Turntide已將其應(yīng)用于商用 車，成本低于永磁電機(jī) 15%。
按不同分類方式，工業(yè)電機(jī)可分為直流電機(jī)、交流電機(jī)、永磁同步電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、異步電機(jī)等類型。
據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2025-2030年中國(guó)工業(yè)電機(jī)市場(chǎng)調(diào)查與行業(yè)前景預(yù)測(cè)專題研究報(bào)告》顯示，2024年中國(guó)工業(yè)電機(jī)銷售收入達(dá)到約3880.3億元，近五年年均復(fù)合增長(zhǎng)率為4.2%。預(yù)計(jì)到2025年，中國(guó)工業(yè)電機(jī)銷售收入將達(dá)到4074.3億元，市場(chǎng)規(guī)模呈現(xiàn)穩(wěn)步增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。
</p><p>隨著電力電子技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的最新進(jìn)展，開關(guān)磁阻電機(jī)正在進(jìn)入新的高能效應(yīng)用領(lǐng)域。一些公司已經(jīng)在開關(guān)磁阻電機(jī)技術(shù)上取得了顯著進(jìn)展。
其搭載高效同步磁阻電機(jī)及PumpDrive變頻調(diào)速系統(tǒng)，能耗顯著降低，還能智能調(diào)節(jié)輸出功率，避免能源浪費(fèi)。用戶可選加裝凱泵衛(wèi)士監(jiān)控系統(tǒng)，通過采集溫度與振動(dòng)數(shù)據(jù)并上傳云端，預(yù)判設(shè)備異常，精準(zhǔn)規(guī)劃維護(hù)，減少非計(jì)劃停機(jī)。MultiTec Plus核心性能出色，工作壓力達(dá)25bar，最大揚(yáng)程近250米，流量可達(dá)470立方米/小時(shí)。
同步磁阻電機(jī)APP可實(shí)現(xiàn)同步磁阻電機(jī)仿真計(jì)算，得到電機(jī)的磁密云圖、磁力線、磁鏈、反電動(dòng)勢(shì)、電磁轉(zhuǎn)矩等結(jié)果。
APP計(jì)算：
同步磁阻電機(jī)仿真計(jì)算 - Simapps Store - 工業(yè)仿真APP商店
8、內(nèi)置切向式永磁同步電機(jī)仿真APP
永磁同步電機(jī)具有高效、高控制精度、高轉(zhuǎn)矩密度、良好的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性及低振動(dòng)噪聲的特點(diǎn)。
同步磁阻電機(jī)仿真APP
同步磁阻電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、效率高、調(diào)速范圍廣、成本較低等優(yōu)勢(shì)。
使用同步磁阻電機(jī)仿真APP進(jìn)行仿真計(jì)算，可以得到電機(jī)的磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖、電壓、磁鏈、電磁轉(zhuǎn)矩等結(jié)果。通過改變定轉(zhuǎn)子尺寸及電機(jī)驅(qū)動(dòng)參數(shù)，工程師可以評(píng)估多種電機(jī)方案。
開關(guān)磁阻電機(jī)電磁計(jì)算分析在電機(jī)設(shè)計(jì)、性能預(yù)測(cè)、降低成本、提高效率和可靠性以及智能化設(shè)計(jì)等方面都具有重要的必要性。因此，在開關(guān)磁阻電機(jī)的設(shè)計(jì)和開發(fā)過程中，進(jìn)行電磁計(jì)算分析是不可或缺的一環(huán)。開關(guān)磁阻電機(jī)的電磁計(jì)算涉及多個(gè)方面，包括磁鏈、電感、電磁力、電磁轉(zhuǎn)矩等。
電磁計(jì)算分析能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)開關(guān)磁阻電機(jī)的各項(xiàng)性能參數(shù)，如轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、效率、功率因數(shù)等。這些性能參數(shù)是電機(jī)設(shè)計(jì)和選型的重要依據(jù)。
從圖8中可以看出，開關(guān)磁阻電機(jī)的聲響比感應(yīng)電機(jī)更大。開關(guān)磁阻電機(jī)在約300rpm時(shí)扭矩波動(dòng)噪聲大于齒輪噪聲。該示例解釋了扭矩波動(dòng)的重要影響，在某些情況下扭矩波動(dòng)的影響如何等于或大于徑向力，以及車輛的乘客如何感知其造成的影響。
最優(yōu)修改可能取決于電機(jī)類型，例如，是永磁電機(jī)（內(nèi)置式還是表貼式）、開關(guān)磁阻電機(jī)還是感應(yīng)電機(jī)。輻射噪聲主要取決于結(jié)構(gòu)外殼、散熱翅片布局、偏心率或開關(guān)電流濾波。定義控制電路、電磁場(chǎng)模型或結(jié)構(gòu)模型的相關(guān)參數(shù)，都可以通過內(nèi)置的設(shè)計(jì)和優(yōu)化流程進(jìn)行調(diào)整，從而改進(jìn)電機(jī)性能，最大程度降低NVH。
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李臣熹
Altair 電磁應(yīng)用工程師
▉ 主講題目：
引領(lǐng)創(chuàng)新，Altair 電機(jī)設(shè)計(jì)與電磁優(yōu)化再升級(jí)
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