基于有取向硅钢的轴向磁通开关磁阻电机准三维解析分析与设计
湖北工业大学电气与电子工程学院、强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学）的研究人员马霁旻、王杜等，在2018年第17期《电工技术学报》上撰文指出，轴向磁通开关磁阻电机定、转子齿形在不同圆周半径上极弧角度变化不一致，利用二维解析法分析该类电机会带来较大误差。
该文利用准三维解析法对轴向磁通电机展开径向分层计算，确定电机转子关键位置处的磁链特性。在准三维解析法分析的基础上，利用准三维有限元方法对基于不同铁磁材料的模型进行了比较分析。
研究结果和样机测试数据表明：基于有取向硅钢材料的轴向磁通开关磁阻电机定、转子磁极轴线对齐位置处的磁链值可以提高15%，准三维解析法的分层计算精度较高，对于电机初期设计而言，该方法的磁链分析误差从工程上认为是可以接受的。
开关磁阻电机因具有成本低、易维护、可控性高以及容错性好等优点而得到了人们的广泛关注和迅猛发展[1-8]。开关磁阻电机与传统异步电机、直流电机相比具有结构简单、运行可靠性高、起动转矩大、绕组端部短等优点。
然而，其磁阻性质的电磁转矩决定了该类电机的转矩密度相对较低，这也是开关磁阻电机进入高性能驱动领域需要面对和解决的问题。所以，本文根据开关磁阻电机的结构特点，通过电机铁磁材料优化选择以及相应的电机拓扑结构优化设计，以期提高电机性能，进一步扩展该类电机的应用场合。
一般来说，无取向硅钢片主要应用于各类旋转电机、电子变压器铁心的生产制造中，而有取向硅钢片主要用于变压器、互感器、电抗器、大型发电机等设备的铁心制造。在旋转电机运行过程中，磁通方向会随着转子运动不断变化，如果简单地将有取向硅钢片替代无取向硅钢片运用于旋转电机中，定、转子齿轭结合部磁通方向的剧烈变化将导致电机性能的恶化。
目前，国内外许多学者针对有取向硅钢片应用在旋转电机中的问题开展了研究。日本学者T. Tomida等[9]对内嵌式永磁同步电机定子结构进行修改，利用高磁感双取向硅钢片取代传统无取向硅钢片，定子齿模块中的主磁路方向与双取向硅钢片横纹方向基本一致，定子轭部与双取向硅钢片轧制方向一致。得益于高磁感双取向硅钢片在两个垂直方向上的高磁导率和低铁耗，电机效率可提高2%[9]。法国学者S. Lopez等[10]提出一种硅钢片叠压方式，使晶粒取向硅钢片的轧制方向尽量与定子磁路方向保持一致，从而获得最优的励磁电流和铁心损耗。
日本学者K. Fujisaki等[11]将晶粒取向硅钢片切割成独立的定子齿和轭部，提出了一种新型电机并将其命名为“磁各向异性电机”，通过对电机参数进行优化，使该电机比同等条件下传统无取向硅钢材料电机的铁心损耗降低了43%，转矩峰值提高了2%。2014年，该研究团队成功地试制出样机，为了保证叠压精度、同心度，减小装配过程中应力对晶粒取向硅钢片电磁性能的影响，他们利用工装夹具对电机定子齿、轭进行装配并用硅胶粘合，实验结果表明样机在不同转速下的风摩损耗均优于同等条件下的传统无取向硅钢材料电机[12]。
沈阳工业大学刘力夫等[13]以近极槽永磁同步电机为研究对象，通过在定子齿部引入晶粒取向硅钢片材料对电机的电磁转矩、转矩脉动、铁心损耗等特性变化展开研究，分析了不同齿宽和齿顶极弧对电机性能的影响，结果表明应用晶粒取向硅钢片的近极槽永磁电机平均电磁转矩可提高10%以上，得益于晶粒取向硅钢片切向低磁导率的特点，可以有效抑制齿顶漏磁，从而降低了电机转矩脉动，而晶粒取向硅钢片电机的铁心损耗略有提高[13]，这一点与其他文献分析结果有所不同。
轴向磁通开关磁阻电机设计过程中，需要根据电机运行的工作方式，运行环境、冷却方式等条件进行电磁、机械结构设计。通过对电磁性能的核算以及参数优化，达到预期的性能指标[14]。本文根据轴向磁通开关磁阻电机定、转子齿形特点，结合铁心材料电磁特性展开准三维解析法分析研究，给出初步电磁设计方案。接着针对轴向磁通开关磁阻电机局部饱和磁场特性，利用准三维有限元模型方法来验证解析法分析结果，并设计、制造了一台基于晶粒有取向硅钢材料的双定子、单转子轴向磁通开关磁阻电机，以检验理论和仿真分析结果。
图12 电机的定、转子装配图
本文根据轴向磁通开关磁阻电机的结构特点，结合铁心材料电磁特性开展了准三维解析法分析研究，并给出了电机转子关键位置处的磁链特性。利用准三维有限元方法验证解析法分析结果，得到满足电磁性能指标要求的定、转子结构参数。最后，设计、制造了一台基于晶粒有取向硅钢材料的双定子、单转子轴向磁通开关磁阻电机样机，并对其磁链参数进行测试，结果表明：
1）基于晶粒有取向硅钢材料的轴向磁通开关磁阻电机与传统无取向硅钢材料电机相比，定、转子磁极轴线对齐位置处的磁链值可提高15%，具有更高的电磁转化能力。
2）准三维解析法的分析精度较高，最大误差率不超过6%。从工程上看，对于电机的初期定性设计而言，其误差认为是可以接受的，具有参考价值。