开关磁阻电动机的设计原则

尽管开关磁阻电动机结构简单，但并不意味着开关磁阻电动机的分析和设计也简单。由于每相端部磁饱和以及极、槽的边缘效应，传统的磁路法不适合用于设计开关磁阻电动机。一般情况下，电磁有限元分析法可用来确定电动机参数和电磁性能。开关磁阻电动机的优化会考虑极弧长度、极高以及磁通密度的限制，此类电动机的设计尽量以达到总损耗最小为原则。除此之外，将开关磁阻电动机应用于汽车驱动系统，还需要遵循一些基本设计准则。

1. 相数和极数

为实现良好的电动机性能，相数和极数的选择很重要。为了满足新能源汽车驱动电机正、反转起动和运行，开关磁阻电动机至少为三相6/4极。三相6/4极开关磁阻电动机的价格最低、效率最高，但是它的转矩脉动大，导致汽车的爬坡性能降低。四相8/6极开关磁阻电动机尽管转矩脉动小，能够满足汽车的爬坡性能，但成本较高、效率较低。三相12/8开关磁阻电动机是三相6/4极和四相8/6极开关磁阻电动机的折中方案。所以，相数和极数的选择应既满足新能源汽车的性能要求又要兼顾成本。需要注意的是，相数和极数越多，所需要的功率开关器件就越多，开关频率也越高，从而带来成本和开关损耗的增加。定子和转子的极数 ps和 pr分别为

p s km=2 （2-6）

p r=2k(m±1) （2-7）

式中，m——相数；

k——系数；

m和k均为正整数。

当转子转速为n时，每相的切换频率fph可表示为

为减小开关频率并减少电动机齿部和轭部的铁损耗，转子极数一般小于定子极数。

2. 极弧

当转子处于定子、转子错开的位置时，为了使最小电感Lmin的磁导率最小，并增加重叠转矩，开关磁阻电动机的极弧遵循下列公式：

式中， βs——定子极弧；

βr——转子极弧。

极弧组合的最优选取，不仅考虑最大的电感变化率，还要考虑转矩波动、起动转矩和磁饱和特性。

3. 定子直径和铁芯长度

在设计电动机机座时，有两个重要参数需要优化，即定子内径Dsi和铁芯长度Lc。它们对电动机材料的体积和质量都有重要影响。可以按下列公式进行初步选择：

D si=(0.5～1.0)Dso（2-10）

L c=(0.5～1.0)Dso（2-11）

式中，Dso——定子外径。

4. 气隙长度和转子外径

开关磁阻电动机选择较小的气隙会带来较大的电感变化率，从而使电动机获得高转矩密度、高效率，但气隙越小，定子内表面和转子表面的加工就越困难，电动机成本就会越高。根据设计经验，开关磁阻电动机的气隙长度应等于或小于同直径感应电动机的气隙长度。当气隙选择好后，根据下列公式确定转子外径：

D ro=Dsi-2go （2-12）

式中， og——气隙长度。

5. 转子极高

当定子与转子极错开时，相绕组的电感最小，磁场的边缘效应最为显著。为减少边缘效应对最小电感的影响，转子的极高可以按下列公式确定：

式中，Dri——转子内径。

6. 定子极高

为确保定子绕组有足够的空间，定子极高hs一般大于转子极高hr，即hs＞hr。另外，定子极高还受限于下列公式：

开关磁阻电动机的设计还需要考虑定子每相绕组的匝数，单位磁路的磁通密度，每相绕组的饱和磁通量，定、转子凸极错开时的每极极阻、转速、转矩、效率、热效应以及铁芯的质量等因素的影响。