电机装置磁阻的设置与使用

　　目前，以横向磁场电机为代表的交流永磁电机的应用日益受到人们的关注。但是这一
独特的结构会带来分析方法和制造工艺的复杂性，同时，较高的电枢反应电势导致功率
因数偏低，以及损耗和变频器容量增加，这些将限制其实际应用。
　　为利用横向磁场电机结构的优点并避免永磁电机低功率因数带来的问题，横向磁场
开关磁阻电机受到了一定的重视。在开关磁阻电机研究中，可使用与普通交流电机功率因
数相似的一个表征输入能量转换为有用输出能量比率的概念，其大小与电机最大、最外位
置的磁路饱和情况有关，一般可做到 0. 6 以上。本文着重分析了横向磁场开关磁阻电机电
磁设计与重要参数的计算方法。

1 理论分析
1. 1 电机结构本文设计的由单相模块构成的外转子横向磁场开关磁阻电机单相结构示

意图。
　　二相样机的 A、B 相转子模块分布在一根轴线上；而定子模块间则错开半个极距，以
便使各绕组在电气上分为 180°电角度，构成两相绕组。样机的定、转子铁心结构件以及外
壳均由合金铝锭经车、铣加工制成。由于电机气隙较小，相数（轴向模块数）考虑的主要
因素为外转子结构的机械强度及高速运行时的可靠性。需要说明的是，电机运行时，三相
以下的结构不具备自起动的能量。而实际应用中电机也不一定由二相组成。为便于使用更
多的独立电机模块进行串联研究，本样机设计为具有双端轴伸的结构。
　　1. 2 转矩密度方程对于开关磁阻电机，由于运行过程中存在磁路饱和与严重的非线
性，电机一个周期内产生的磁阻转矩必须使用 Ψ  

（ i，θ）曲线在 Ψ- i 平面上所围的磁共

能面积来表示：T =ΔW /Δθ（1）其中：ΔW = iΨ

∮

（i，θ）d i；Δθ=θr =2π/n p。

　　当电机以平稳的角速度 ω 旋转时，假设定子极与转子极临近交叠时，该相绕组的方
波电流达到最大值 I m，而当定子极与转子极中心线重合时方波电流又立刻降为 0.这样得
到的磁共能曲边三角形 ΔW 所围面积通过引入一个能量转换系数 K c 可表示为 ΔW = K 
cΨm I m（2）式中，Ψm 为定转子对齐位置时电枢匝链的磁链值。如果忽略齿槽边缘效应，
每极绕组最大磁链 Ψm =πn p B g l Feαb 2 D gαq W（3）式中：B g―――气隙磁密，可看
作电机的磁负荷；l Fe―――铁心有效长度；D g―――定子气隙内直径；W―――每相
绕组匝数；αq―――凸极齿的极弧系数；αb  

， b p―――极靴长度。其中，αb =2 b p / l 

Fe

 

； b p =0。5αb l Fe。

　　由此导出绕组产生的磁阻转矩 T = 1 2 n p K c B g l Feαb 2 D gαq W I m（4）若引入电
流系数表示绕组电流有效值 I = K i K m I m，用线负荷定义表示电流 I m = A l Fe /W ，则
T =π4 K c K i K mαb l FeπD g /n pαq AB g D 2 g l Fe（5

 

）式中， K c 为电机的广义能量比率。

　　由于电机位于非线性情况下进行斩波运行，该能量比率为 0.　6

 

左右； K i 为电流由

方波峰值到有效值的转换系数，其值为 1。4  

； K m 为电流波形系数，一般情况下为 0。

　　横向磁场开关磁阻电机的转矩密度与电机的等效轴向长度及极距之比 λ=αb l Fe /τ 有
关。只有当 λ 取合适值时，转矩密度才能超过相同电枢直径体积的径向磁场电机。要注意
的是，适当增加电机轴向极靴长度，有利于提高电机的转矩密度，但将使电机轭部厚度
有所增大，外径所围体积及重量有所增大；而采用增加极数、减少极距 τ 的方法来获得转
矩密度的提高，极数的增加会影响到开关磁阻电机的第二气隙。
　　1. 3 磁路解析计算方法横向磁场开关磁阻电机具有复杂的三维结构和非线性特点。为
了便于进行优化设计，首先说明通过磁路与气隙磁导解析计算来求解的方法。
　　如所示，在对齐位置，绝大部分磁通可认为比较均匀地经过定子磁极和转子磁极闭
合，电机参数计算可使用较简单的磁路，即可分为气隙、定子磁极、定子磁轭、转子磁极、