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开关磁阻电机结构优化设计及其三维图解法
邹声奇;陈亮亮;伍家驹;杨声云;刘宇轩;钟旺
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2022(22)8
【摘要】开关磁阻电机具有结构简单、工作可靠、成本低、输出扭矩大等优点,但也存在转矩脉动大的不足,限制了它的应用范围。
为抑制其转矩脉动,提出一种新型定子结构,在定子磁极端部两侧加入一个楔形角,减小气隙在定转子开始重合时的突变,降低了气隙磁场能量骤变,进而减小转矩脉动。
首先分析了该特殊楔形结构各参数对平均转矩及转矩脉动的影响。
在此基础上,采用三维可视化算法对楔形结构参数进行多目标约束寻优,得到最优参数集。
最后,利用有限元电磁场计算软件进行仿真,验证设计方案的有效性。
结果表明:所提出的新型楔形结构能够有效地抑制转矩脉动,同时对电机平均转矩影响较小。
【总页数】7页(P3080-3086)
【作者】邹声奇;陈亮亮;伍家驹;杨声云;刘宇轩;钟旺
【作者单位】南昌航空大学信息工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TM352
【相关文献】
1.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
2.开关磁阻电机转矩脉动及结构优化设计研究
3.8型抽油机用开关磁阻电机磁极结构优化设计
4.单
绕组磁悬浮开关磁阻电机结构优化设计5.基于气隙变化的开关磁阻电机结构优化设计
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轴向磁通开关磁阻电机电磁设计的开题报告一、选题背景磁阻电机是一种采用磁阻效应原理的电机，具有结构简单、能效高、性价比优越等优点，已经在工业生产中得到了广泛应用。
其中轴向磁通开关磁阻电机（Axial flux switched reluctance motor, AFSRM）更是因其高效节能、结构紧凑等特点，成为近年来研究的热点之一。
本课题旨在对AFSRM的电磁设计进行探究和研究。
二、选题意义轴向磁通开关磁阻电机的电磁设计是磁阻电机设计中最为重要的一环，直接影响其电磁性能和整体性能。
本课题在电磁设计方面开展深入研究，旨在进一步提高轴向磁通开关磁阻电机的动态性能和效率，从而更好地满足实际生产需求。
三、选题内容本课题主要研究内容包括以下几个方面：1. AFSRM的原理和基本结构分析；2. AFSRM电磁设计的理论基础和方法；3. 电磁设计中的载荷和电机的匹配问题；4. 电磁设计中的参数仿真和优化设计；5. AFSRM电磁设计的实验验证和分析。
四、预期成果通过本课题的开展，预期能够得到以下成果：1. 掌握AFSRM电磁设计的理论和实践技能；2. 详细分析电磁设计过程中的关键问题和难点，并给出合理解决方案；3. 通过仿真和优化设计，提高AFSRM的动态性能和效率；4. 验证理论分析和仿真设计结果的正确性，并提出下一步的研究方向。
五、研究方法和技术路线本课题将采用理论分析、数值计算、仿真建模和实验验证相结合的方法和技术路线，力求得到准确、可靠的结果。
1. 理论分析：对AFSRM的原理和结构进行分析，推导出理论公式，研究电磁设计的基本原理和方法。
2. 数值计算：利用有限元方法对磁场、电场的分析和计算，可视化地展示电机运行过程中的场和特性规律。
3. 仿真建模：基于ANSYS、MotorCAD等软件，进行三维建模、参数设置，采用有限元方法，仿真分析磁阻电机的电磁特性及性能参数。
4. 实验验证：对设计的电磁系统进行实验验证，检验磁阻电机电磁设计的正确性，并对实验结果进行分析和总结。
轴向磁通永磁同步电机转矩解析模型和转矩优化左曙光;吴双龙;吴旭东;沈健;林福【摘要】轴向磁通永磁同步电机的电磁场呈三维分布,其转矩的精确建模和优化通常需要采用三维有限元方法,但这非常耗时.提出一种转矩解析计算模型,并基于该模型对轴向磁通永磁同步电机的转矩展开优化.首先,通过磁通密度比磁导法建立了轴向磁通永磁同步电机气隙磁场解析模型.然后基于麦克斯韦张量理论推导得到电磁转矩和齿槽转矩的解析模型,并通过有限元法验证了该模型的准确性.该模型不仅指出了产生电磁转矩和齿槽转矩的判据,还明晰了转矩波动各阶成分与气隙磁通密度谐波之间的关系.最后利用该解析模型,采用径向变极弧系数法对一台单定子单转子轴向磁通永磁同步电机的转矩展开优化,结果表明径向变极弧系数法可有效削弱轴向磁通永磁同步电机的齿槽转矩和电磁转矩波动,而基于解析模型的优化则具有非常高的效率.%Axial flux permanent magnet synchronousmotors(AFPMSM)have an intrinsic 3-D electromagnetic structure.Its accurate modeling and optimization of torque usually require the use of 3-D finite element analysis(FEA),which is highly time consuming.This paper presents a new torque analytical model and then it was used to optimize the torque of an AFPMSM.Firstly,the analytical model of magnetic field was established by using magnetic potential and relativepermeance.Then,electromagnetic torque and cogging torque analytical models were derived based on Maxwell-tensor method.Finally,3-D FEA was presented for verifying the accuracy of the proposed model.The analytical model indicates the criterion to produce electromagnetic torque and cogging torque.It also clears the relationship between the ordercomponents of torque and the harmonic field.Based on the analytical model,the torque of a virtual AFPMSM with one stator and one rotor was optimized by triangular skew method.The result shows that the triangular skew method can greatly decrease the cogging torque and electromagnetic torque ripple,and the analytical method is really high efficient.【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2016(031)023【总页数】8页(P46-53)【关键词】轴向磁通永磁同步电机;转矩;解析模型;转矩优化【作者】左曙光;吴双龙;吴旭东;沈健;林福【作者单位】同济大学新能源汽车工程中心上海 201804;同济大学新能源汽车工程中心上海 201804;同济大学新能源汽车工程中心上海 201804;同济大学新能源汽车工程中心上海 201804;同济大学新能源汽车工程中心上海 201804【正文语种】中文【中图分类】TM341;TM351相较于传统的径向磁通电机，轴向磁通永磁同步电机具有更大的转矩和功率密度、更高的效率以及更适合狭小空间安装的小长径比结构，从而在分布式驱动电动车和风力发电机等领域得到了广泛运用[1，2]。
基于有取向硅钢的轴向磁通开关磁阻电机分析和设计开关磁阻电机作为电力驱动系统中实现能量转换的一种部件,具有结构坚固、成本低廉、容错性能强、启动转矩高等优点。
但与永磁同步电机相比,较低的转矩密度制约了开关磁阻电机的更广泛应用。
本文以提高轴向磁通开关磁阻电机转矩密度、降低铁耗为主要目标展开了理论分析和优化设计,并通过样机实验对电机分析、设计结果进行了验证,主要研究工作及成果可以归纳为以下几方面:1.根据对电机用铁磁材料特性及其适用范围的详细比较,以及对轴向磁通开关磁阻电机结构特点的分析,提出了齿轭分离的模块化电机拓扑结构,在定、转子齿部选择晶粒有取向硅钢材料,利用其轧制方向上的高磁导率特点,使提出的模块化电机拓扑结构具有更高的功率密度。
2.提出不同电机定子结构以提高晶粒有取向硅钢材料轧制方向上的利用率,减小磁通在该材料非轧制方向上的运行路径,改善电机定子齿、轭连接部的磁路分布,从而进一步提高晶粒有取向硅钢材料在轴向磁通开关磁阻电机应用的有效性。
3.针对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的特点,利用准三维磁路法对轴向磁通电机展开径向分层研究,提高分析精度,确定初步电磁设计方案。
在准三维磁路法分析的基础上,利用准三维有限元方法对基于不同铁磁材料模型的转子直径比、定子齿极弧、定子轭部轴向长度以及转子齿极弧等主要设计参数进行了优化分析和设计,研究结果表明:基于有取向硅钢材料的轴向磁通开关磁阻电机电磁性能明显优于传统无取向材料电机。
4.根据电磁仿真得到的电机损耗分布结果,进行温度场有限元分析,确定电机在不同工作负荷下的运行温度点,进而设置环氧树脂玻璃布层压板转子护套在特定温度下的机械特性参数。
利用简化Taguchi优化设计与有限元分析相结合的方法,对电机在不同故障条件下,轴向不平衡磁拉力造成的转子护套结构应力、变形问题进行分析;在满足电磁性能指标的前提下,得到电机结构优化参数。
5.根据晶粒有取向硅钢材料特性,结合开关磁阻电机不同运行状态下的控制策略和各相绕组导通角的取值范围,提出了定、转子齿中有取向硅钢材料的轧制方向优化选择策略,以提高电机性能。
摘要随着我国城市化建设的不断发展，城市轨道交通因其容量大、安全快捷、准时高效、低碳环保等优势，逐渐成为城市公共交通的支柱。
由于城市轨道交通运量大，耗能高，节能减耗已成为我国城市轨道交通发展的重要课题。
近年来，永磁直驱牵引系统凭借其低能耗、高功率密度、噪声小等优点受到越来越多的关注，在轨道交通领域具有广泛的应用前景。
本文针对永磁直驱牵引系统的现状与挑战，将磁场调制电机与该系统结合，提出并设计了一款可满足直驱牵引系统需求的轴向磁通磁场调制电机。
按照电机研究的思路，本文首先回顾了磁场调制理论，分析比较了现有磁场调制电机与轴向磁通电机的拓扑结构，提出了一款性能优良的多气隙轴向磁通磁场调制电机拓扑。
本文电机理论分析部分从该拓扑的等效磁路模型入手，结合绕组方程，给出了电机模型的气隙磁导、反电势和转矩表达式。
电机设计部分，本文首先依据设计经验和准三维有限元仿真，初步确定了一套电机尺寸；随后利用解析公式、准三维有限元和三维有限元仿真矫正了电机性能，并探究了极比对电机的影响。
此外，本文通过将提出的电机拓扑与几种传统结构对比，进一步说明了其性能优势。
电机优化方面，本文使用了遗传算法确定了最优电机设计。
样机测试部分，本文首先根据电机性能特点选择了合适的控制策略，随后确定了样机装配方式，设计了支撑结构并委托加工公司完成了各部件的加工和电机组装，最终进行了样机测试。
本文设计的多气隙轴向磁通磁场调制电机拓扑一方面改善了传统游标电机功率因数低、端部长的问题，同时也提高了电机转矩密度，降低了电机铜耗，适用于直驱牵引系统应用场合。
关键词：磁场调制永磁电机等效磁路模型功率因数准三维有限元遗传算法ABSTRACTWith the continuous development of Chinese urbanization, urban rail transit is becoming the backbone of urban public transport due to advantages such as large capacity, safety, punctuality and high speed, high efficiency and low carbon emission. Meanwhile, since the volume of urban rail transit is quite large, it is high energy consumed, which makes energy conservation and emissions reduction an important issue in the development of Chinese urban rail transit. In recent years, the permanent magnet direct-drive traction system has drawn more and more attention because of its low power consumption, high power density and low noise, which makes it have wide application prospect in railway transportation field.Based on the current condition and challenge of the permanent magnet direct drive traction system, this paper cooperates flux modulation machines with permanent magnet direct-drive traction system and proposes an axial-flux flux modulation machine for direct-drive traction system. Based on the current condition and challenge of the permanent magnet direct drive traction system, this paper cooperates flux modulation machines with permanent magnet direct-drive traction system and proposes an axial-flux flux modulation machine for direct-drive traction system. By reviewing existing flux modulation machines and axial-flux topologies, a multi-air-gap axial-flux flux modulation topology named triple-rotor axial-flux spoke-array vernier permanent magnet (TR-AFSA VPM) machine is proposed in this paper. For the theoretical analysis, equivalent magnetic circuit model of the proposed machine is firstly established. By cooperating with the winding function, analytical equations of the machine airgap permeance, back-EMF and torque are given. For the machine design, a set of primary main parameter specifications is determined based on design experiment and quasi-3D finite element analysis (FEA). After that, analytical equations, quasi-3D FEA and 3D FEA are applied to determine the machine performance. The relationship between machine pole ratio and performances are also investigated. Moreover, by comparing with several conventional vernier machines and another multi-air-gap axial-flux flux modulation topology called triple-stator axial-flux spoke-array vernier permanent magnet (TS-AFSA VPM) machine, advantages of the TR-AFSA VPM machine is revealed. For theoptimization, this paper chooses multiobjective genetic algorithm for settling the final design. For experiment, a proper control strategy is determined firstly. A prototype is designed, manufactured and tested.The multi-air-gap axial-flux flux modulation topology proposed in this paper not only can improve the low power factor and long end-winding length issue in conventional vernier machines, but also enhances the machine torque density and lower its copper losses. Therefore, it is suitable for direct-drive traction applications.Key words：Flux modulation permanent magnet machine Equivalent magnetic circuit Power factor Quasi-3D FEA Genetic algorithm目录摘要 (I)Abstract (II)1 绪论 (1)1.1研究背景与意义 (1)1.2磁场调制电机的研究概况 (2)1.3论文的主要研究内容 (6)2 磁场调制永磁电机的理论分析 (9)2.1磁场调制永磁电机的工作原理 (9)2.2电机模型推导 (11)2.3电机性能特点 (14)2.4本章小结 (16)3 多气隙轴向磁通游标永磁电机拓扑 (17)3.1TR-AFSA VPM电机拓扑简介 (17)3.2TR-AFSA VPM电机模型推导 (21)3.3TR-AFSA VPM电机有限元仿真和公式对比 (27)3.4TR-AFSA VPM电机与其他拓扑比较 (37)3.5本章小结 (42)4 TR-AFSA VPM电机参数优化和控制策略 (44)4.1遗传算法的基本原理及核心理论 (44)4.2NSGA-Ⅱ算法 (47)4.3采用NSGA-Ⅱ算法优化TR-AFSA VPM电机 (49)4.4控制策略简介 (54)4.5本章小结 (57)5 样机测试 (58)5.1样机设计与测试平台 (58)5.2测试结果 (61)5.3本章小结 (63)6 总结与展望 (64)6.1全文总结 (64)6.2课题展望 (65)致谢 (66)参考文献 (67)附录I 硕士研究生期间发表的学术论文 (72)1 绪论1.1 研究背景与意义我国城市轨道交通建设最早可追溯至上世纪60年代。
轴向磁场永磁同步发电机的三维电磁场计算胡义军;吴海鹰【摘要】This paper presents the new magnetic pole shape of Axial Flux PM synchronous generator.It analyzes 3D Electromagnetic field and no-load operation of Axial Flux PM synchronous generator using ANSYS mode,and gets the results of the magnet field distribution and no-load back EMF.By means of optimization of the magnetic pole shape,it gets highly sinusoidal no-load back EMF.Test is made to experimental prototype,and the result verifies that the design is applicable and has high precision.%本文介绍了一种新型磁极形状的轴向磁场永磁同步发电机,应用ANSYS软件的电磁模块对其进行三维静磁场和空载工况分析,得到该电机磁场分布和空载反电势波形,并对磁极形状进行优化设计,得到正弦度高的空载反电势波形。
样机试验结果证实了该设计方法的正确性和三维电磁场计算具有较高的精度。
【期刊名称】《船电技术》【年(卷),期】2012(032)004【总页数】4页(P42-45)【关键词】轴向磁场;三维电磁场;优化设计【作者】胡义军;吴海鹰【作者单位】中国船舶重工集团公司第七一二研究所,武汉430064;中国船舶重工集团公司第七一二研究所,武汉430064【正文语种】中文【中图分类】TM4640 引言随着电机技术的发展，人们逐渐认识到了普通圆柱式电机存在着自身结构无法克服的一些弱点，如电机冷却困难、铁心利用率低等问题。
轴向磁通永磁电机系统及关键技术分析张衍军１ 王 澍２（１ 卧龙电气（济南）电机有限公司 ２ 中机试验装备股份有限公司）摘 要：本文对轴向磁通永磁电机系统及其关键技术进行了深入分析。
首先介绍了轴向磁通永磁电机的结构和工作原理，然后详细阐述了其设计、制造和控制系统中的关键技术。
通过对比分析，总结了轴向磁通永磁电机的优缺点，并探讨其应用领域和发展趋势。
本文的研究成果对于深入理解轴向磁通永磁电机系统及其关键技术具有一定的指导意义，对于推广和应用该电机系统提供了有益的参考。
关键词：轴向；磁通；永磁电机；技术分析０ 引言轴向磁通永磁电机是一种较为常见的电机结构，也有着盘式电机的别称，因其磁通方向为轴向而得名，该电机中的载流导体呈径向放置，其结构中也包含定子以及转子铁心，这两种结构为盘式。
相比于传统的径向磁通电机而言，轴向磁通永磁电机在同等材料成本的条件下，其可达到的转矩密度以及功率密度更高，并且其整体结构呈扁平态，在现阶段有限的边界空间条件下更为适宜，因此在各种领域中都有所应用，当前主要在新能源以及航空领域得到了重视。
轴向磁通永磁电机的优点包括高效率、高功率密度、低维护成本等。
然而，该电机也存在一些挑战和限制，例如，需要克服定子和转子间的磁拉力问题，以及需要更复杂的控制系统来实现其高效运行。
因此，对于轴向磁通永磁电机的研究和应用需要综合考虑其优缺点，并根据具体应用场景进行优化和设计。
随着能源危机和环境问题的日益严重，高效、节能的电机系统成为当前研究的热点。
轴向磁通永磁电机作为一种新型的电机结构，具有高效率、高功率密度、低维护成本等优点，因此在新能源、电动汽车、航空航天等领域具有广泛的应用前景。
本文将对轴向磁通永磁电机系统的结构、工作原理、关键技术及其应用领域进行详细的分析和探讨，旨在为该电机系统的推广和应用提供有益的参考。
１ 轴向磁通永磁电机拓扑结构分析１ １ 转子永磁型轴向磁通永磁电机转子永磁型轴向磁通永磁电机是一种特殊的电机类型，其磁场方向沿着轴线方向排列。
![一种轴向开关磁阻电机电磁场解析方法及电机优化方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s1/m/3cf3931711661ed9ad51f01dc281e53a580251af.png)
专利名称：一种轴向开关磁阻电机电磁场解析方法及电机优化方法
专利类型：发明专利
发明人：左曙光,刘畅,胡胜龙,屈盛寒,吴志鹏
申请号：CN202111200812.7
申请日：20211013
公开号：CN114006559A
公开日：
20220201
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种轴向开关磁阻电机电磁场解析方法及电机优化方法。
包括：S1、在柱坐标系下分别建立轴向开关磁阻电机平均半径圆柱面电磁场的转子齿槽域、气隙域和定子齿槽域的矢量磁位复式傅里叶系数方程；S2、求解电机平均半径圆柱面电磁场的矢量磁位以及轴向和切向磁通密度；S3、基于自适应收敛迭代算法对定转子齿部材料的磁导率进行迭代计算，得到考虑磁饱和效应的电机平均半径圆柱面电磁场磁通密度；S4、基于径向修正函数，将电机平均半径圆柱面的电磁场磁通密度解析解拓展求得电机三维空间内的任意一点的轴向与切向磁通密度。
与现有技术相比，本发明可以快速而准确地计算考虑磁饱和效应和边缘效应的轴向开关磁阻电机非线性电磁场特性。
申请人：同济大学
地址：200092 上海市杨浦区四平路1239号
国籍：CN
代理机构：上海科盛知识产权代理有限公司
代理人：丁云
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轴向永磁电机的设计方法轴向磁通永磁电机的电磁设计J.R. Bumby,R.Martin,M.A Mueller,E.Spooner,N.L.Brown and B.J. Chalmers 摘要：一般，轴向磁通发电机提供了在无槽磁域计算的分析方法。
最基本的构建块是电流片在两片无限渗透的铁表面产生的矢量。
通过对磁体周围的电流和集成磁体的厚度进行建模，可以发现矢量的电势和磁场与永磁体有关。
相比之下，定还有三维有限元的研究结果相比较，发现误差在5%之内。
此外，电动势，磁链和电感的测量已经在两个发电机上进行并且比较了有限元素和分析结果。
分析模型预测的电动势的误差在5%之内。
端绕组的环形电感，气隙和电枢绕组大大增加了总电感量使的解析模型预测的总电感量与测量结果的总电感量相差不到10%。
符号列表A 矢量势 Z 电枢绕组每圈的导体数B 磁通密度，T γ 电枢线圈之间的位移,m rem B 永磁体的漏磁，T 0μ 自由空间磁导率C 运行间隙，m λ 波长m D 平均内径，m p τ 级距E 电动势，V m τ 磁铁宽度H 磁场强度，A/m e σ，m σ 线圈的蔓延,电气或机械弧度 I 电流，A Φ磁通量 WbJ 电流密度，A/m2 ψ 磁链K 线性电流密度，A/mdn K n 倍的谐波分布的因素mag l k , 有效长度比率(见(26)m L 磁体径向长度、m N 谐波数c N 每电枢线圈匝数P 极对数i R 定子铁芯的内半径，mo R 定子铁芯的外半径，mRm 平均铁芯半径，mc t 铁芯厚度，mn u 2p n/λω 线圈宽度的平均半径,ma y 电枢厚度、mYm 磁体厚度，m1Y 电流片的位置2Y 转子与定子铁芯表面的距离eff Y 2 有效空隙1 引言广泛的可适用性和减少成本的高剩磁，钕铁硼永久磁铁使轴向电机替代了低收入和中等功率电动机和发电机的应用程序。
在许多情况下，特定转矩的轴向磁通电机比其径向磁通的更好【1,2】，而其几何尺寸可能会更与一般比例机械相容，无论是驱动或者是被电机驱动。
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马霁旻;王杜;曲荣海;李健;李新华【摘要】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.【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2018(033)017【总页数】9页(P4069-4077)【关键词】轴向磁通开关磁阻电机;极弧角度;准三维解析法;有取向硅钢材料;电磁性能【作者】马霁旻;王杜;曲荣海;李健;李新华【作者单位】湖北工业大学电气与电子工程学院武汉 430068;湖北工业大学电气与电子工程学院武汉430068;强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学) 武汉 430074;强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学) 武汉 430074;湖北工业大学电气与电子工程学院武汉 430068【正文语种】中文【中图分类】TM352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。
为了提高设计效率，缩短开发时间，解析法在径向磁通开关磁阻电机设计中被广泛使用，通过特殊位置处的磁化曲线计算气隙磁导[15]，进而获得绕组电感，利用插值法将每极绕组磁链、电流作为转子位置角函数，求解拟合出不同转子位置处的磁化曲线，进而得到径向磁通开关磁阻电机的相关分析设计参数。
然而轴向磁通开关磁阻电机中采用解析法设计的案例不多，通过图1可以发现，径向磁通电机沿轴向方向定、转子结构对称，磁路分布一致（不考虑端部效应），所以对径向磁通电机采用解析法分析设计，沿轴向方向任意选择截面即可。
但对于轴向磁通开关磁阻电机，为了方便绕组下线，一般选择平行定子槽结构。
而为了获得更好的转矩输出，转子齿内外径一般选择不等极弧结构，这样将导致不同半径处定、转子齿极弧不一致的情况发生，如图2所示，定、转子齿宽以及齿间距随径向方向长度增加而发生改变。
如果参考径向电机解析分析方法，直接截取轴向电机圆周方向上平均半径处横截面拉伸为二维直线模型作为解析法研究对象进行设计，那么轴向电机不同圆周半径处定、转子齿极弧不一致的情况无法在模型中体现，这样势必会带来较大的计算分析误差。
为了利用解析法准确分析计算轴向磁通开关磁阻电机电磁性能，本文采用基于准三维模型的解析分析方法对轴向磁通开关磁阻电机展开分析。
准三维解析模型分析方法是一种多层解析模型联动分析方法[16-18]，其思想是将轴向磁通电机沿圆周方向划分成特定数量的二维直线解析模型来展开分析。
利用准三维模型法将三维模型转换为二维模型的过程如图3所示。
首先在特定半径处分离出特定厚度的环形计算层，再将环形计算层按其中间半径处弧长拉伸成等长的二维直线模型。
从而将三维轴向磁通电机转换成等效二维直线电机的形式进行分析。
在得到各层二维直线模型电磁性能后，再逐层叠加得到等效三维模型结果。
鉴于定、转子齿内外径处不是传统弧形结构，所以最外层和最内层的等效二维直线模型需要适当修正计算厚度以减小误差。
该方法降低了轴向磁通电机三维模型分析的计算量，精度也高于传统二维等效模型，可以在轴向磁通电机初步设计优化工作中快速、有效地得到数值分析结果。
准三维解析模型法中环形计算层圆周直径和厚度的计算如图4所示，以径向5层划分为例，第j层环形计算层等效计算直径可以根据电机定子齿内径数值定义为（2）式中，Din为定子齿内径；i=2j+1，当j=0时，i=1，表示第一计算层，当j=1时，i=3，表示第二计算层，其余类推；Ls为定子齿径向总长度；Dout为定子齿外径；N为计算层层数[19]。
为了准确定义不同定、转子内外极弧条件下，准三维模型中每层定、转子齿宽以及齿间距等几何参数，图5给出了三维模型中相关参数定义，其中βs-o为定子齿最大半径处极弧角度，βs-in为定子齿最小半径处极弧角度，βr-o为转子齿最大半径处极弧角度，βr-in为转子齿最小半径处极弧角度。
参照准三维模型中环形计算层的计算方法，对模型特定计算层中的定子齿极弧βs-j、定子齿宽Ls-j、转子齿极弧βr-j、转子齿宽Lr-j以及转子齿间距Lr-space-j定义为（4）（5）（7）根据上述推导，轴向磁通开关磁阻电机可转换为多层二维直线开关磁阻电机模型加以等效分析。
为方便起见，将直线电机中的动子仍然称作转子，与径向磁通开关磁阻电机类似，直线开关磁阻电机在不同转子位置处对应的磁化曲线中，以定、转子磁极轴线对齐时的磁化曲线、定子磁极轴线与转子极间中线对齐时的磁化曲线最为重要[1]。
采用解析法分析设计开关磁阻电机时，有两个问题需要特别关注：1）定、转子磁极轴线对齐时，铁心材料进入饱和状态，饱和效应可通过查找材料磁化曲线获得，为了准确计算对齐位置时的绕组电感，需要计算不同电流水平下的铁心材料磁导率。
2）当定子磁极轴线与转子极间中线对齐时，绕组电感可以通过转子槽磁导以及边缘磁导叠加计算，从而提高计算准确度。
这里将分别以特定半径计算层定、转子磁极轴线对齐时的最大绕组电感以及定子磁极轴线与转子极间中线对齐时的最小绕组电感为例，讨论解析法在轴向磁通开关磁阻电机分析设计中的运用。
根据开关磁阻电机磁路分布规则，定、转子磁极轴线对齐处等效磁路如图6所示，其中，Fi为第i相单极绕组磁动势，Rs-t、Rs-y、Rg、Rr分别为定子齿磁阻、定子轭磁阻、气隙磁阻、转子磁阻。
假设各条支路对称，表示各回路中的磁通量，根据磁路基尔霍夫第一定律，各回路磁动势方程可统一表示为定、转子磁极轴线对齐位置处的绝大多数磁通经过定、转子铁心以及气隙闭合构成回路，为简化计算，假设该处磁通均匀分布、无漏磁。
给定绕组电流、匝数，计算定、转子铁心磁阻、气隙磁阻即可得到定、转子磁极轴线对齐处的磁链，进而得到绕组电感。
为方便表达，后续分析中将采用磁导代替等效电路图中的磁阻展开分析。
1）定、转子磁极轴线对齐位置处气隙磁导定、转子磁极轴线对齐位置处气隙磁导分布如图7所示，该处气隙磁导可认为由定、转子极间磁导Pa-p和边缘磁导Pa-f两部分组成，其中定、转子极间磁导Pa-p垂直经过定、转子间气隙，其有效宽度与定子齿宽相等，可表示为式中，μ0为真空磁导率；Ac-j为当前计算层定子齿的横截面面积；Ls-j为当前计算层定子齿的圆周长度；(Dcalc，j+1+ Dcalc，j-1)/4为当前计算层径向宽度。
Ls-j和Dcalc，j的具体定义如式（4）和式（1）所示。
Pa-f为定、转子齿不等宽带来的边缘磁通对应的气隙磁导，为简化计算，假设这一部分磁通沿圆弧轨迹从定子齿的侧边出发，再沿直线路径穿过气隙进入转子齿，其具体定义为式中，Lr-j为当前计算层转子齿圆周长度，具体定义如式（6）所示。
根据对称性，定、转子磁极轴线对齐位置处气隙磁导Pa-g可表示为（11）2）定、转子磁极轴线对齐位置处铁心磁导假设铁心材料各处饱和程度一致，当前计算层该处铁心磁导按照定子齿磁导Pa-s-t、定子轭磁导Pa-s-y以及转子齿磁导Pa-r-t可分别定义为（13）（14）（15）式中，μs为铁心材料相对磁导率，可根据不同铁磁材料磁化曲线进行选择；As-s-t、As-s-y、As-r-t分别为当前计算层定子齿横截面积、定子轭横截面积、转子齿横截面积；Ls-y为当前计算层中的磁通回路定子轭径向长度；Hs-t、Hs-y、Hr-t分别为定子齿轴向长度、定子轭轴向长度、转子齿轴向长度。
