基于视频新型开关磁阻电机电磁设计教学视频整理的学习笔记。
参考视频01 开关磁阻电机设计思路引入，02全正向设计思路流程的工程实例3KW1500rpm初始设计，03开关磁阻电机的电磁仿真后处理各类输出特性曲线详解，04磁阻电机有限元瞬态仿真额定输出时损耗分析和效率计算。
参数设置
从磁路开始。打开软件，点击Desktop菜单里的Maxwell图标，点击RMxprt（电机本体快速设计工具），界面中Design Flow选择Generate RMxprt Solutions，Machine Type选Standard，然后选择Switched Reluctance Motor（开关磁阻电机）。
双击Project
Manager中的RMxprtDesign1->Machine，开始对电机属性进行设置。
Reference Speed设定为1500(rpm)，Control Type为DC（直流）。
Circuit
Type（驱动电路）有三个选择，选择第一个Full-Voltage（不对称半桥），它最为常用。
双击Project
Manager中的RMxprtDesign1->Machine->Stator，开始对定子进行设置。
参考与之相似的感应电机进行设置，3kW1500rpm对应的感应电机型号为Y100。
设置Outer Diameter（外径）为160mm，Inner Diameter（内径）为80mm。
对于6/4开关磁阻电机，内径与外径之比为0.5；对于8/6开关磁阻电机，内径与外径之比为0.53。
Length为120mm，Stacking
Factor（叠压系数，指电机中含有磁性材料部分的实际体积与铁心总体积的比值）为0.97，Steel
Type选择DW465_50。
要设计的是6/4开关磁阻电机（定子6个齿极，转子4个凸极/2对极），Number of
Poles设为6。
Embarce（极弧系数），通常范围\(0.33 \sim
0.5\)，这里设置为0.45。
Yoke Thickness（轭厚度），这里设置为10mm。
双击Project
Manager中的RMxprtDesign1->Machine->Stator->Winding，开始对绕组进行设置。
设置Insulation Thickness（绝缘厚度）为1mm，End
Adjustment（端部调整，绕组伸出铁芯断面外的直线段长度）为12mm，Parallel
Branches（并联支路数）为1，Turns per Pole（每极线圈匝数）为70，Wire
Wrap设置为0.14mm，Wire Size选择2.052mm。
注：Wire Wrap由Wire Size乘以0.07获得
双击Project
Manager中的RMxprtDesign1->Machine->Rotor，开始对转子进行设置。
设置Outer Diameter（转子外径）为79.2mm（气隙为0.4mm），Inner
Diameter（转子内径）为28mm。
Length为120mm，Stacking Factor为0.97，Steel Type选择DW465_50。
Number of Poles设为4。
Embarce（极弧系数），要小于等于定子的极弧系数，这里设置为0.42。
Yoke Thickness（轭厚度），这里设置为15mm。
图1
开关磁阻电机模型
气隙是转子外侧到定子内侧间的距离，第二气隙是转子轭部到定子内侧的距离，如上图所示。
规定第二气隙的厚度要达到气隙的20倍以上。
这里的气隙厚度为0.4mm，这意味着第二气隙至少要有8mm。图中第二气隙的厚度为11mm，符合要求。
上述参数中，气隙、轭部厚度、极弧系数比较重要。
双击Project
Manager中的RMxprtDesign1->Machine->Circuit，开始对电流属性进行设置。
Lead Angle of Trigger（超前角）设置为20°，Trigger Pulse
Width（脉冲电流宽度）设置为110°。
模型求解
右键Project Manager中的Analysis->Add Solution
Setup，进入求解设置界面。
设置Rated Output Power为3kW，Rated Voltage为260V，Rated
Speed为1500rpm，Load Type（负载类型）为Const
Speed（恒定转速）。
右键Analysis->Setup1->Analyze，开始求解。
右键Analysis->Setup1->Curve，查看结果。
选择Design Sheet开始看实验数据。
参数调整
查看STATOR COIL DATA中的Slot Fill
Factor（槽满率），对于开关磁阻电机，槽满率要求为\(30\% \sim
50\%\)，实验结果为64.1185%，槽满率不达标，因此需要调整参数。
接下来查看FULL-LOAD OPERATION DATA中的Input DC Current
(A):25.1401、Output Power (W):5483.81、Efficiency (%):83.8961。
功率过高（远超过3000W）。
电机单边励磁，电抗来源于电感，可以增大电感（增大匝数）来减小电流，进而减小功率。
首先试着调整匝数，将定子绕组匝数Turns per Pole由70提高到85；
再调整绕组粗细，Wire Size由2.052mm降低到1.628mm。
查看结果，此时槽满率为50.651%，输出功率为3867.62W，效率为86.4554%。有所长进。
继续调整，Turns per Pole由85提高到88，Wire
Size由1.628mm进一步降低到1.537mm，Wire Wrap由Wire
Size乘以0.07获得，设置为0.1mm。
查看结果，此时槽满率为44.9556%，输出功率为3599.74W，效率为86.1694%。还需要进一步调整。
继续调整，Turns per Pole由88提高到98。
查看结果，此时槽满率为50.0642%，输出功率为2987.41W，效率为88.1694%。接近完美。
调整Circuit中的Diode Drop（二极管压降），设置为0.6V。
前面实验中电机的效率偏高（Y100感应电机的额定效率为83%），这说明电机设计的过大，为了节省材料，可以适当减小定子的Length，由120mm减小至100mm。
查看结果，此时槽满率仍为50.0642%，输出功率上升至3423.36W，效率下降至85.445%。
Length减小使得电感减小，电流与功率变大。
继续调整，Turns per Pole由98提高到104，Wire Size由1.537mm进一步降低到1.45mm。 查看结果，此时槽满率为47.6322%，输出功率为3057.38W，效率为85.768%。符合要求，调整完毕。
各类输出特性曲线详解
下面选择Curves，观看各个仿真波形。Phase Voltage（相电压）波形如下图所示：
图2
相电压
通电时电压为260V，此时驱动电路两个开关均闭合；不通电时电压为反向的260V，此时驱动电路两个开关均断开，反向电压来自电感所储存的能量，电感的能量耗尽后电压为0。
图3
气隙电感
Airgap Inductance（气隙电感）波形如上图所示。
定子齿对准转子轭部时电感较小，定子齿对准转子凸极时电感较大。
定子与转子轴线重合时电感大，磁阻最小，此时给相应相定子励磁只产生径向磁吸力，无切向磁拉力，无法使转子转动；
定子与转子轴线不重合时电感较小，磁阻较大，此时给相应相定子励磁可以产生切向磁拉力，从而使转子转动。
图4 磁链
Flux Linkage（磁链）波形如上图所示。
图5
相电流
Rated Phase Current（相电流）波形如上图所示。
相电流为脉冲形式，其变化与电感有关，电感小的时候电流上升很快（如横坐标为325至400时），电感越大电流变化越慢（如横坐标为475至550时）
图6
转矩与速度的关系
Output Torque vs Speed（转矩与速度的关系）波形如上图所示。
可以看到随着速度的上升转矩迅速下降（反比例函数关系），相较于无刷直流电机，其机械特性很软。
无刷直流电机随速度上升转矩的下降曲线为线性，无刷直流电机磁场来自于永磁体；开关磁阻电机磁场主要来自于电流。
图7 输出功率与速度的关系
Output Power vs Speed（输出功率与速度的关系）波形如上图所示。
功率与转速乘以转矩的乘积成正比。
图8
效率与速度的关系
Effciency vs Speed（效率与速度的关系）波形如上图所示。
有限元瞬态仿真额定输出时损耗分析和效率计算
右键Analysis->Setup1->Create Maxwell Design，选择Maxwell 2D Design。建立二维仿真模型。发现生成的模型为半模，这里我们修改设置来生成全模型。
主菜单RMxprt->Design Settings，选择User Defined Data选项卡，勾选Enable，在出现文本框内输入
Fractions 1。然后重新Analyze一下，重新Create Maxwell Design一下得到全模型。
图9
开关磁阻电机模型
开关磁阻电机转子上的铁损不能忽略，下面计算电机的铁耗。
对仿真模型右键Assign Excitaiton->Set Core
Loss，勾选Stator与Rotor（定转子铁损都要考虑）。
可以调整一下网格，使其划分更密集。双击Mesh->SurfApprox_Main，选择Use Slider，滑块移动到最右侧(Fine)。得到的图像如下所示。（要求各个网格尽可能是锐角三角形，避免钝角三角形）
图10
开关磁阻电机模型
双击Analysis->Setup1选择Save
Fields，保留场计算结果。（界面不一样了，视频版本为Maxwell
19，我使用的软件版本为2021R1，所以操作略有区别）
勾选Custom，Type为Linear
Step，Start设为0s，End设为0.01s，Step Size为0.005s
开始仿真，首先观察0时刻。0时刻A相定子绕组对准的是第二气隙（转子轭部），因此此时电感最小。
查看电感矩阵：菜单Maxwell 2D->Design Settings，选择Matrix
Computation选项卡，勾选Enable，选择Apparent。可以计算电感矩阵，获取自感与互感信息。
要有强大的自感，同时尽量削弱互感。
注：个人做出来的结果有问题（转子与定子铁耗都是直线，肯定不对）。这里截取视频中的图片，后面的损耗分析数据亦以视频给出的数据为准。
图11 转子与定子铁耗曲线
右键Project Manager中的Result->Creat Transient Report->Rectangular Plot，Category选择Loss，Quantity选择CoreLoss，点击New Report即可生成铁耗曲线（定子与转子铁耗之和）。
图12
铁耗曲线
对曲线图像右键Marker->Add
Marker进入标记模式，标记铁耗曲线一个周期的两个端点，得知二者的横轴坐标为15.83与25.83，即一个周期的长度为10ms。
对曲线图像右键Trace Charateristics->All进入数据计算处理界面。
勾选avg（求平均值），点击下方Value框中的Full，修改为Specified。Start of
Range和End of Range分别设置为15.83与25.83。点击下方Add Trace
Charateristics按钮，就可以在曲线图像右上角显示图例的位置看到平均值avg，该值为49.6687W（约为50W）。
打开Results->Currents三相电流曲线。对曲线图像右键Trace Charateristics->All进入数据计算处理界面。
图13
三相电流曲线
勾选rms（有效值计算），点击下方Add Trace
Charateristics按钮，就可以在曲线图像右上角显示图例的位置看到三相电流的有效值。取其中一相的值约为15.5A。
右键RMxprt的Analysis->Setup1->Curve，查看之前采用RMxprt方法求出的电阻值。
选择Design Sheet选项卡，查看TRANSIENT FEA INPUT DATA中的Terminal
Resistance (ohm)，其值约为0.89Ω。
使用公式\(P=3 I^2
R\)算得铜耗值为641.4675W。
注：通过RMxprt计算出的铜耗与铁耗数据可以在FULL-LOAD OPERATION DATA中找到，其中铜耗(Winding Copper Loss)约为460W，铁耗(Iron-Core Loss)约为44.5W。
接下来计算输出功率。 打开Results->Currents三相电流曲线。按照计算铁耗的方法，求得其平均值为20.17N·m。
图14
转矩曲线
根据公式\(T=\frac{P}{\Omega}=9.54\frac{P}{n_N}\)
算得输出功率为1500÷9.54×20.17=3171W
铜耗与铁耗之和约为691W
最终得到效率为3171÷(3171+691)=82%
总结
首先通过RMxprt建立开关磁阻电机仿真模型，然后根据电机槽满率、效率、体积等要求不断调整电机参数，完成电机的正向设计。
然后RMxprt模型转换为Maxwell二维有限元模型，修改网格设置优化仿真效果，通过仿真得到电机的铁耗、三相电流、转矩波形曲线，计算电机的铁耗、铜耗以及输出功率，进而得到电机的效率。
本次仿真的问题体现在得到的铁耗曲线不正确，与视频中的样子大相径庭，这可能是因为：
(1)网格设置不正确；
(2)没有完全准确的按照视频来操作或者视频中的内容不完整；
(3)软件版本不一致（我用的是2021R1，视频版本为Maxwell 19）。
此外，网格设置也存在一些问题，前面的调试之中我明明成功按照视频操作看到了如图10所示的网格，但后面却无法复现了。
最后，需要进一步掌握开关磁阻电机的工作原理及相关的数学模型，下一篇文章将对此进行详细介绍。另外需要了解诸如“电感矩阵”这样的概念。