開關磁阻電機的案例
案例分享：某開關磁阻電機電磁計算
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。
展開 高速開關磁阻電機電流換相的最優控制
引 言
開關磁阻電機（SRM）具有結構簡單、轉子無繞組和永磁體，與其他電機相比較轉動慣量小，可以高速旋轉、可靠性高的優點，增加了開關磁阻電機的使用范圍。但是SRM具有轉矩脈動大和噪聲大的缺點。精確控制需要精確的位置信號。合適的開關角隨著電流與轉速的不同而變化。這篇論文研究了離線狀態下的開關角。
電流換相過程中考慮了兩個不同的控制目標：
1、給定電流下的最大輸出轉矩；2、最小的轉矩脈動。開關角被看做相電流與轉速的函數。計算所得的最佳值被儲存到計算機系統中構成一個二維表格。
在SRD仿真模型上進行了優化過程，并進行了進一步的實驗驗證。
SRM模型
通常做以下假設：定轉子尺寸是理想的，忽略渦流和相間互感。在此假設下，SRM的轉矩可以表示為每個相轉矩的和，每個相轉矩只與各自的相電流和轉子位置相關。相轉矩可以從磁鏈-電流-轉子位置角特性曲線得出來。這些曲線可以通過靜態測量獲得，并存入二維表格中。這個方法需要大量測量或計算。并且表格也是比較難建立的。并且二維表格在實時控制過程中也是低效的。為了避免上述提到的困難，通過對轉矩公式化簡，可以將磁鏈與轉矩變化為兩個一維函數。從而通過簡化后的模型離線計算出最佳開關角。
優化過程
通過模型分析了SRM的兩個控制目標。第一個目標是使得平均轉矩與參考電流比值最大；第二個目標是轉矩的均方根與平均轉矩比值最大。將這兩個目標看作轉速和電流值的函數。通過MATLAB完成仿真和優化程序，通過MATLAB工具箱中的OPTIMZATION來解決優化問題。結果如圖1所示。
展開 針對多物流場的NVH分析-開關磁阻電機噪音的仿真與優化
要讓技術取得成功，電機和電池領域 的創新是必不可少的。因此，各汽車制造商調查了電力驅動的幾種方法，以求找到最符合汽車功能性能要求的方法。這些要求不僅包括燃油經濟性，也包括舒適性及噪音、振動和平順性(NVH)。
目前市場上的幾乎所有混合動力汽車均配備了永磁(PM)同步電機技術。這項技術帶來了眾多的優勢，尤其是當涉及到混合動力時更是如此，混合動車輛空間有限，重量最小化和效率最大化需求強烈。但是，稀土元素的有限供應限制了大力規模部署。
因此，開關磁阻電機(SRM)日益受到有遠見的汽車制造商們的青睞。在這些電機當中，轉子向著定子與轉子磁極間空隙中磁阻最低即電感最高的位置轉動，從而產生旋轉運動。通過連續對定子中的異名極供能，實現連續旋轉。
廉價高功率開關設備的易得性推動了SRM的工業應用。這些電機清楚地展示了自己的優勢，比如構造簡單且堅固、制造成本低廉（無永磁體）、扭矩轉速特性出色，而且在很大的轉速范圍內都能實現最高效率。但是，幾種缺點也阻礙了其在電動汽車領域的應用。這些當中就包括由于扭矩波動當中就包括由于扭矩波動較大而產生的噪音及電磁干擾 (EMI) 噪音。
電機設計領域大多只將重點放在降低扭矩波動來解決SRM的噪音、振動和平順性(NVH)問題。控制策略優化來降低扭矩波動，的確能給噪音輻射帶來有利的影響。但是，為了避免在電動汽車內感受到過度的振動和噪聲，優化電機結構及其外殼同樣也必不可少。在設計流程的早期階段納入詳細的聲振分析，有利于電機設計者更好地了解并控制最終產品的NVH特性。本文中所談到的電機具有八個定子磁極（四對定子磁極）以及六個轉子磁極。這是一 款8/6式 SRM，具有四個獨立的相，專為汽車牽引應用而設計，可提供200Nm的峰值扭矩和40kw的峰值功率。
展開 研究與設計|抑制開關磁阻電機振動的結構設計研究
開關磁阻電機(SRM)應用于眾多領域，但是本身的結構使其比其他傳統電機有更大的振動和噪聲，因此抑制SRM振動仍是研究的熱門領域。為了抑制電機的振動，設計了一種新型的電機結構，即在轉子兩側開孔，并在此基礎上對定子齒頂開槽。以一臺7.5 kW、1 500 r/min、12/8極SRM為例，通過有限元分析仿真，對新型電機結構進行參數化計算，并得到最優結構。在保證平均轉矩基本保持不變的情況下，減小了轉矩脈動以及徑向力。與原始電機相比，轉矩脈動系數下降了16.01%，徑向力峰值下降了19.96%。因此，證明了該方法對SRM振動抑制有較好的效果，對后續SRM設計及控制具有一定的借鑒意義。
抑制開關磁阻電機振動的結構設計研究
薛惟棟, 曲兵妮
(太原理工大學 礦用智能電器技術國家地方聯合工程實驗室，山西 太原 030024)
0 引 言
開關磁阻電機（SRM）具有結構簡單、成本低、各相獨立工作、功率電路簡單可靠等優點，廣泛應用于電器、航空航天、電動汽車以及機械制造等各個領域。然而由于自身雙凸極結構的特性，SRM的振動噪聲比其他傳統電機高，振動和噪聲已成為SRM目前最大的問題[1-2]。
展開 
【設計】混合式磁鋼轉子結構的電動車用永磁磁阻電機優化設計
相比于普通工業用電機，電動車用電機有著以下特性需求：高功率和轉矩密度；較寬的調速范圍；起動時能夠輸出較大轉矩；高可靠性和魯棒性；轉矩脈動和振動噪聲小；成本低等。稀土永磁同步電機滿足了以上大部分的需求。但近年來我國稀土產量和出口量不斷下滑，需求量隨著新能源汽車發展而不斷攀升，導致稀土材料價格水漲船高，稀土永磁電機的成本不斷提升。因此，設計少稀土永磁電機成為當今電機設計中的熱門課題。國內外的專家學者開始重點關注永磁磁阻電機、同步磁阻電機、開關磁阻電機這類少稀土和無稀土永磁電機。
開關磁阻電機具有結構簡單牢固、起動轉矩高、調速范圍廣、容錯能力強和低成本的優勢，使其理論上非常適用于電動汽車。但在目前實際電動車用驅動系統中，開關磁阻電機的運用卻較少，這與其本身固有的一些缺陷有關：開關磁阻電機在換相過程中，繞組電流急劇變化，會引起較大的振動噪聲；轉矩密度和功率因數較低，轉矩脈動大。雖然電機本體成本低廉，但開關磁阻電機需用到特殊的功率變換裝置，使其驅動控制系統成本偏高。
同步磁阻電機因其調速范圍廣、加工簡單、成本低廉近年來備受學者關注。
展開 一文了解新能源汽車常用的驅動電機類型及原理
3.2開關磁阻電機的工作原理
3.2.1開關磁阻電機的驅動工作原理
由圖8中的三相12/8極開關磁阻電機工作原理圖可知，當A相繞組電流控制主開關S1、S2閉合時，A相通電勵磁，電動機內所產生的磁場力以OA為軸線的徑向磁場，該磁場磁力線在通過定子凸極與轉子凸極的氣隙處是彎曲的，此時，磁路的磁阻大于定子凸極與轉子凸極重合時的磁阻，因此，轉子凸極受到磁場拉力的作用，使轉子極軸線Oa與定子極軸線OA的重合，從而產生磁阻性質的電磁轉矩，使轉子逆時針轉動起來。關斷A相電，建立B相電源，則此時電機內磁場旋轉30度，則轉子在此時電磁拉力的作用下，連續逆時針旋轉15度。如果順序給A-B-C-A相繞組通電，則轉子就按逆時針方向連續轉動起來；當各相中的定子繞組輪流通電一次時，定子磁場轉過3×30度，轉子轉過一個轉子極距3×15度（即360度/轉子凸極數）。如果依次給A-C-B-A相繞組通電，則轉子會沿著順時針方向轉動。開關磁阻電動機與電流的方向無關，取決于對定子相繞組的通電順序。在多相電動機的實際運行中，也經常出現兩相或兩相以上繞組同時導通的情況。
3.2.2開關磁阻電機的發電工作原理
開關磁阻發電機工作狀態相電感存在三種狀態，勵磁狀態、續流狀態和發電狀態，其相電感L波形如圖10所示。
展開 新能源汽車講解丨常用的驅動電機類型及原理
開關磁阻電機相數越多，步進角越小，運轉越平穩，越有利于減小轉矩波動，但控制越復雜，以致主開關器件增多和成本增加。
步進角的計算，見式（2）：
α=360°×（定子極數-轉子極數）/（定子極數）（2）如三相6/4極電動機，其步進角a=360°×2（/6×4）=30°。
3.2開關磁阻電機的工作原理
3.2.1開關磁阻電機的驅動工作原理
由圖8中的三相12/8極開關磁阻電機工作原理圖可知，當A相繞組電流控制主開關S1、S2閉合時，A相通電勵磁，電動機內所產生的磁場力以OA為軸線的徑向磁場，該磁場磁力線在通過定子凸極與轉子凸極的氣隙處是彎曲的，此時，磁路的磁阻大于定子凸極與轉子凸極重合時的磁阻，因此，轉子凸極受到磁場拉力的作用，使轉子極軸線Oa與定子極軸線OA的重合，從而產生磁阻性質的電磁轉矩，使轉子逆時針轉動起來。關斷A相電，建立B相電源，則此時電機內磁場旋轉30度，則轉子在此時電磁拉力的作用下，連續逆時針旋轉15度。如果順序給A-B-C-A相繞組通電，則轉子就按逆時針方向連續轉動起來；當各相中的定子繞組輪流通電一次時，定子磁場轉過3×30度，轉子轉過一個轉子極距3×15度（即360度/轉子凸極數）。如果依次給A-C-B-A相繞組通電，則轉子會沿著順時針方向轉動。開關磁阻電動機與電流的方向無關，取決于對定子相繞組的通電順序。
展開 一文了解新能源汽車常用的驅動電機類型及原理
開關磁阻電機相數越多，步進角越小，運轉越平穩，越有利于減小轉矩波動，但控制越復雜，以致主開關器件增多和成本增加。
步進角的計算，見式（2）：
α=360°×（定子極數-轉子極數）/（定子極數）（2）如三相6/4極電動機，其步進角a=360°×2（/6×4）=30°。
3.2開關磁阻電機的工作原理
3.2.1開關磁阻電機的驅動工作原理
由圖8中的三相12/8極開關磁阻電機工作原理圖可知，當A相繞組電流控制主開關S1、S2閉合時，A相通電勵磁，電動機內所產生的磁場力以OA為軸線的徑向磁場，該磁場磁力線在通過定子凸極與轉子凸極的氣隙處是彎曲的，此時，磁路的磁阻大于定子凸極與轉子凸極重合時的磁阻，因此，轉子凸極受到磁場拉力的作用，使轉子極軸線Oa與定子極軸線OA的重合，從而產生磁阻性質的電磁轉矩，使轉子逆時針轉動起來。關斷A相電，建立B相電源，則此時電機內磁場旋轉30度，則轉子在此時電磁拉力的作用下，連續逆時針旋轉15度。如果順序給A-B-C-A相繞組通電，則轉子就按逆時針方向連續轉動起來；當各相中的定子繞組輪流通電一次時，定子磁場轉過3×30度，轉子轉過一個轉子極距3×15度（即360度/轉子凸極數）。如果依次給A-C-B-A相繞組通電，則轉子會沿著順時針方向轉動。開關磁阻電動機與電流的方向無關，取決于對定子相繞組的通電順序。在多相電動機的實際運行中，也經常出現兩相或兩相以上繞組同時導通的情況。
3.2.2開關磁阻電機的發電工作原理
開關磁阻發電機工作狀態相電感存在三種狀態，勵磁狀態、續流狀態和發電狀態，其相電感L波形如圖10所示。
圖9中，θ角定義為該相轉子齒極軸線與定子齒槽軸線之間的夾角。
展開 同步磁阻電機的設計
來源：杭州易泰達科技 作者：朱彤華
引言
近年由于稀土磁鋼的價格大幅度波動，在很大程度上影響了稀土永磁同步電機的推廣應用。通常，稀土磁鋼的價格占電機總價格的 20% 左右，減少甚至消除這部分成本能顯著降低電機的成本。另一方面，由于其他類型的電機，如直流電機，開關磁阻電機，感應電機等在控制上都有不同的弱點，難以取代同步電機在工業上的應用，因此，研發不使用稀土磁鋼的同步電機就提上了議事日程。
同步磁阻電機的結構特點
同步磁阻電機不使用稀土磁鋼，可以看成是永磁同步電機的一個特例，從永磁同步電機的轉矩公式可以看出：
te=p[ψf iq+(Ld-Lq)id iq ]
前一項是永磁轉矩， 后一項是磁阻轉矩，而同步磁阻電機是僅利用磁阻轉矩的電機， 其轉矩公式就是 :
te=p[(Ld-Lq)id iq ]
同步磁阻電機的定子結構和永磁同步電機的一樣，而轉子結構比較特殊，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，又由于電機內的磁場需要由定子電流產生，所以電機必須使用盡可能小的氣隙，減少勵磁電流，提高功率因數；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，因此經過分析，需要使用多層磁障的轉子結構來設計同步磁阻電機。
同步磁阻電機的控制及性能特點
同步磁阻電機可以采用多種控制方式，DTC 直接轉矩控制是其中的一種。DTC 是以電機的轉矩為控制目標，在控制中不使用計算量大的矢量變換，所以控制速度快， 對控制器 MCU 的要求低，動態性能好，同時對電機參數的敏感性降低，控制可靠性提高。
展開 案例分享 | 麥克馬斯特大學使用Actran優化電機噪聲
由混合動力項目CERC的研究者設計的牽引電自行車中的12/16開關磁阻電機
關于 CERC
混合動力項目中的CERC是麥克馬斯特大學的一個大概有80人多學科項目的研究組，大部分是來自軌道交通行業、電動汽車、電動自行車、電動交通和航空的合作伙伴。
Berker Bilgin博士管理著這個開發高性能開關磁阻電機驅動項目組。
案例分享 | 麥克馬斯特大學使用Actran優化電機噪聲
由混合動力項目CERC的研究者設計的牽引電自行車中的12/16開關磁阻電機
關于 CERC
混合動力項目中的CERC是麥克馬斯特大學的一個大概有80人多學科項目的研究組，大部分是來自軌道交通行業、電動汽車、電動自行車、電動交通和航空的合作伙伴。
Berker Bilgin博士管理著這個開發高性能開關磁阻電機驅動項目組。
新能源汽車驅動電機的發展
一、新能源汽車驅動電機類型發展
1. 感應交流電機
目前市場上的各種純電和混動新能源汽車，永磁同步電機占多數，感應交流電機占一小部分，這兩種電機基本就是電動乘用車驅動電機的全部了。
2. 永磁同步電機
網上說中國富含稀土礦所以中國的電動汽車選用帶永磁體的同步電機，同時也是考慮到國家戰略安全作為出發點，其實并不是這樣，主要還是是永磁同步電機適合大規模生產，性能更好，更具有市場價值。
對于空間布置尺寸要求比較高的中小型電動汽車來說，功率和扭矩密度更高的永磁同步電機就是優先的選擇，并且同步電機更適合頻繁啟停的工況，適合城市上下班通勤的應用場景，而且永磁電機結構也更加簡單，便于維修。這也是Tesla Model 3改用同步電機的原因之一。
3. 開關磁阻電機
開關磁阻電機優點顯著。其結構簡單、堅固、維護方便甚至免維護，起動及低速時轉矩大、電流小；高速恒功率區范圍寬、性能好，在寬廣轉速和功率范圍內都具有高輸出和高效率而且有很好的容錯能力。
開關磁阻電機缺點也顯著，其脈動引起的噪音與震動難以控制，非常影響用戶體驗的，因此并沒有大規模應用乘用車領域。但是在商用車領域，它就可以大顯身手了，國內很多電動公交車、大巴和貨車上面，都能夠看到它的身影。
所以，基本可以這么說：中小型車以永磁同步為主，大型及高性能乘用車趨向感應電機，開關磁阻電機則適用于大型商用車，另外還運用于家用電器、航空、航天、電子領域。
二、新能源汽車驅動電機技術發展趨勢
1. 電工鋼片
驅動電機的功率、轉矩、效率和壽命與所用的硅鋼片有很大關系，尤其是電機轉子所用的無取向電工鋼片，磁性能決定了電機的轉矩和效率，鐵損越低電機效率越高，磁感增大電機轉矩才能增加，力學性能決定了定子和轉子的加工精度、承載強度和最大轉速。
2.
展開 新能源汽車四種常用電機驅動系統詳解
工藝性好，適用于高速，環境適應性強；電機轉矩的方向與繞組電流的方向無關；適用于頻繁啟停以及正反向轉換運行；啟動電流小，轉矩大；可控參數多，調速性能好；具有較強的再生制動能力；定子和轉子的材料均采用硅鋼片，易于獲取和回收利用。
但開關磁阻電機有轉矩波動大、需要位置檢測器、系統非線性特性，磁場為跳躍性旋轉，控制系統復雜；對直流電源會產生很大的脈沖電流等缺點。位置檢測器是開關磁阻電動機的關鍵器件，其性能對開關磁阻電動機的控制操作有重要影響。由于開關磁阻電動機為雙凸極結構，不可避免地存在轉矩波動，噪聲是開關磁阻電動機最主要的缺點。
但近年來的研究表明，采用合理的設計、制造和控制技術，開關磁阻電動機的噪聲完全可以得到良好的抑制。另外，由于開關磁阻電動機輸出轉矩波動較大，功率變換器的直流電流波動也較大，所以在直流母線上需要裝置一個很大的濾波電容器。
(3)開關磁阻電動機的控制系統
開關磁阻電動機驅動系統的核心是開關磁阻電動機(SRM)，它涉及到電動機，電力電子，微機，控制，光電轉換，角度測量等等多學科知識，結構比較復雜，控制系統要求也比較獨特，感應電動機和永磁同步電動機的控制方法通常難以滿足系統的控制要求。目前電動汽車應用較少。它的主要研究方向是模型研究。
由于開關磁阻電機具有明顯的非線性特性，系統難于建模，一般的線性控制方式不適于開關磁阻電機系統。目前主要利用模糊邏輯控制、神經網絡控制等。
它的控制系統包括功率變換器、控制器和位置傳感器及速度檢測器等部分。
展開 新功能 | 解鎖Ansys Maxwell 2021 R1新版功能要點
多相電機的map圖計算
新版本中支持2~7相永磁電機，感應電機，同步磁阻電機和繞線轉子同步電機和2~8相的開關磁阻電機的map圖的計算。對于除開關磁阻電機以外的所有電機類型，用戶都可以使用命令行指定每個繞組的相移，建議第一個相移輸入“ 0”。
3. 同步磁阻電機Map計算
同步磁阻電機計算方式與永磁同步電機一樣，掃描變量為相電流的有效值、gamma角和轉速。支持周期性和半周期性TDM。出于穩定性考慮，在電動機模式下，gamma范圍為（45°~90°），在發電機模式下，gamma角范圍為（90°~135°）。
4. 開關磁阻電機Map計算
開關磁阻電機掃描變量是電流、gamma角和轉速。Toolkit目前支持2~8相的開關磁阻電機。用戶需要在ACT中輸入定子相數、轉子極數、電流、滯環控制下的導通寬度等參數。
5. 電勵磁同步電機Map計算
電勵磁同步電機掃描變量為定子電流、gamma角、轉速和勵磁電流。四個變量都掃描的話會導致計算時間非常長。改進的方法是在ACT腳本內部取消轉速掃描，以最大轉速的一半進行仿真，并用這個結果評估其他轉速下的結果。支持周期性和半周期性TDM計算。
6. 求解速度提升
新版本中ACT新增取消轉速掃描的功能，當使用該功能時軟件僅仿真參考轉速（最大轉速的一半），其他轉速下的性能將根據參考速度的仿真結果進行推導，取消轉速掃描后大大減少了仿真時間，提高仿真效率。該功能適用于永磁同步電機和同步磁阻電機。
7. 定轉子鐵耗分離
新版本中ACT新增定子和轉子鐵損分離的功能。
展開 新能源汽車電機驅動系統：核心功能、工作原理與新興拓撲技術解析
</span></p><p><strong style="background-color: rgb(253, 198, 32);">（三）開關磁阻電機：高可靠性和無稀土設計</strong></p><p>開關磁阻電機（SRM）是一種經過數十年可靠性測試的成熟技術，近年來在電動汽車領域逐漸受到關注。這種電機不含稀土材料，具有高可靠性和高能效的特點，特別是在零容錯應用中表現出色。</p><p>隨著電力電子技術和物聯網領域的最新進展，開關磁阻電機正在進入新的高能效應用領域。一些公司已經在開關磁阻電機技術上取得了顯著進展。例如，En+dyn Inc.獲得了1500萬美元的投資，以加快業務計劃的實施；Turntide Technologies籌集了2.25億美元，并收購了三家公司，以加快其市場化進程；Advanced Electric Machines公司開發了HDSRM（高密度開關磁阻機），目標市場是商用車領域。</p><p>開關磁阻電機的主要優勢在于其高可靠性和無稀土設計，這使其在成本和資源利用方面具有顯著優勢。然而，該技術也面臨一些挑戰，如電機的噪音和振動問題，以及對電力電子控制系統的高要求。這些都需要通過進一步的技術創新來克服<span style="color: rgb(51, 51, 51);">。</span></p><p><strong style="background-color: rgb(253, 198, 32);">（四）SynRM-IPM：高效與低成本的結合</strong></p><p>SynRM-IPM（同步磁阻電機與內部永磁電機的組合）已成為汽車行業小型電動汽車細分市場中極具吸引力的電機類型。這種電機結合了同步磁阻電機和內部永磁電機的優點，能夠在低速和高速應用中實現更理想的特性。
展開 