电机作为能量转换机械，纵观其发展历史，最早出现的直流电机具备大调速范围、四象限运行等良好的动静态特性。但是电刷及换向器限制了其在特定领域应用。随着电力电子技术及现代控制技术发展和交流供电方式的普及，交流电机凭借其高稳态精度、动态响应快等技术性能逐渐建立统治地位。同时诸如直线电机、稀土电机等运用新材料、新结构电机不断涌现，丰富了电机拖动系统发展。在这样的时代背景下，开关磁阻电机(switched reluctance motor, SRM)驱动系统应运而生[1]。开关磁阻电机驱动系统由开关磁阻电机、功率变换器、控制器和位置传感器四个部分产生，是20世纪80年代以后迅速发展起来的新型调速电机传动系统。依靠结构极精简、调速范围宽、调速性能优异、在整个调速范围内具备较高的效率等优势成为各国研究和开发的热点之一。在国内，2005年发改委等部门联合发布节能指导文件，将开关磁阻电机调速系统归类为节能产品。目前SRM产品已经广泛应用于车辆驱动、纺织业、航空航天等众多领域，覆盖功率范围10W~5MW的各种高低速驱动系统，呈现强大的市场潜力[2-5]。
SRM的优势主要体现在转子无绕组，机械强度高，适用于高温、高速等恶劣环境，控制方式灵活，各相之间独立，具有一定的容错能力等等。
模型是将物理向数学转化的媒介，模型建立的准确性对于物理过程分析的准确性具有基础性作用。传统SRM的线性模型、准线性模型往往只能适用于定性分析，但是很难满足定量分析的准确性需求。因此，针对提高SRM模型精准度的研究成为了的热点[6]-[7]。
传统的电机设计采用经验公式的方法，这需要电机设计人员需要具备一定的理论知识和经验，而且需要建立有限元模型进行验证，由于有限元仿真速度比较慢，无法进行多次的电机结果尺寸的参数化分析，因此需要一种新的快速电机的设计方案，能够实现快速电机设计。因此本文采用日本JSOL公司的JMAG（由中国IDAJ公司独家代理）的Express软件进行开关磁阻电机的快速电磁设计，实现在很短的时间，不需要太多的电机设计经验，就可以对电机进行快速设计，设计方案以开关磁阻电机为例，适合于常见的其他种类电机。
本文使用的软件是日本JSOL公司的JMAG- Express软件。JMAG可以进行常见电机的快速设计，本文以开关磁阻电机为例进行快速电磁设计，本文提出的方案适合于表1所示的其他种类电机。
表1 支持的电机种类
Table1Supported motor types
说明，随着JMAG-Express的更新，支持的电机种类将会增多。
JMAG-Express支持对三相、四相和五相的常规开关磁阻电机进行快速电磁设计。相比于ANSYS Maxwell而言，JMAG-Express具有给定设计目标自动计算电机的参数的功能。支持的电机参数包括电机的各种尺寸、绕组设置和驱动设置，这极大地降低了电机设计的门槛。
根据现实的需要对电机的额定功率、额定转矩、最大转矩、额定转速和最高转速进行目标设定后，Express就可以实现自动设计电机的各种参数。为了进一步限定电机推荐参数，使更满足于实际需要，可以对电机的绕组最大相电流、直流驱动电压、电机最大外径和铁芯最大叠高进行设置限定，使更符合实际的需要，满足实际工程上的需求。当然，如果对电机设计具有一定经验的设计者而言，也可以通过设定具体的电机参数，如定子外径、转子外径等等进行具体化设置，这个和ANSYS Maxwell路算一致，但是JMAG-Express包括了日本各大厂商的详细材料库，对于材料而言可以有更多的选择，使路算设计更符合现实实际的情况。
在设计JMAG-Express路算结束后，可以进行参数化分析，比如分析绕组设置中50匝、70匝、90匝和110匝线圈电机电磁性能的影响，也可以分析结构尺寸和不同材料对电机的电磁性能的影响，从而对电机的设计参数进行进一步微调，实现电机的快速设计，为进一步的有限元分析打下一个良好的基础，JMAG是国际上通用的专业的电机设计软件，经过了国际上的专业验证，所以它分析的准确性是非常有保障的。
本文对一台四相8/6极开关磁阻电机进行快速电磁设计。开关磁阻电机相数三相以下一般不具有自启动功能，除了经过改进的或者特殊设计的SRM。相数在五相以上功率变换器拓扑结构比较复杂，控制器也比较复杂，更加了一些成本，四相开关磁阻电机相对于三相开关磁阻电机而言，相数增多，转矩脉动较小，转矩变化比较平稳，而控制器和功率变换器并不太复杂，因此本文选择四相8/6极开关磁阻电机进行设计，并结合实际的工程背景设计一台小功率的开关磁阻电机。
设定该电机的设计目标为额定功率550 W，额定转速2000 r/min，额定效率85%。根据实际工程背景和安装尺寸，设定该电机的最大定子外径为120mm，最大的电机铁芯叠高为80mm。
结合电机设计经验对JMAG-Express的尺寸推荐值进行调整，该电机的主要尺寸如表2所示。
表2 电机的主要尺寸
Table2 The main parameters of themotor
说明，定子绕组的内径常取值为定子内径加上2mm。这是经验取值，可以依据具体而调整。根据表1的参数建立的电机结构模型如图1所示。
图1 电机几何模型
Fig.1 The motor geometry model
在设定电机的几何模型的基础上，开始对电机各部分进行赋予材料。需要设定材料的有定子铁芯、转子铁芯和绕组，转轴材料可设置为空气，因为不影响电机的电磁性能。绕组材料设置为铜，定、转子的材料设定可以基于JMAG自带的材料库，这个材料库非常强大，包括日本各大厂商的材料，也可以自己设定材料，通过设置B-H曲线。本文设定的定、转子铁芯材料采用用户自定义的，不考虑铁耗，该材料B-H曲线为
图2 材料的B-H曲线
Fig.2 The B-H curve of thematerial
然后对绕组进行设置。
主要是对绕组的匝数和相绕组电阻进行设计。相电阻可以通过导线的线径、绝缘的厚度等自动计算得出，非常的方便。此外还需设置绕线的方式，如图3和图4所示。
图3 绕组连接方式
Fig.3 Winding diagram
图4 绕线连接方式
Fig.4 Slot diagram
最后是设置电机的驱动条件，开关磁阻电机的电磁特性有很大程度上取决于电机的驱动条件。
设定电机驱动电压为285 V，最大电流为15 A。开通角为0度，关断角为15度，最大转速为10000 r/min。
经过上述的设置后，进行电机设计的特性评估。
图5 转矩-转速曲线
Fig.5 The torque-speed curve
通过图5可知，电机的转矩转速曲线是一个反比例函数的形式，但是由于电机在起动的时候必然是要限制电流不必要过大，将会一直维持2.88 Nm，进行一个恒转矩的输出。
图6 效率-转速曲线
Fig.6 The efficiency-speed curve
通过图6可知，该电机的效率达到了85.528%，电机的效率还是可以的，达到了预期的效果。
图7 功率-转速曲线
Fig.7 The power-speed curve
通过图7可知，在额定转速情况下，电机的功率达到了602.958W，大致满足预定的目标，由于是路算，以速度为先，难免会有一定的误差，具体的精度计算还需要JMAG-Designer有限元分析，Express还是以快速电磁设计为目标。
图8 铁耗-转速曲线
Fig.8 The Iron loss-speed curve
图9 铜耗-转速曲线
Fig.9 The Copper loss-speed curve
图8和图9分别是设计的电机的铁耗-转速曲线和铜耗-转速曲线。
通过图5—图9的仿真结果，可以看出JMAG-Express可以快速的进行电磁设计，结果虽然有一定偏差但是大致上符合设计要求，其快速的电机设计和简单的操作步骤大大降低了电机设计的成本，为下一步有有限元分析打下了良好的基础。
4 结论
本文通过JMAG-Express进行四相8/6极开关磁阻电机的快速设计，基于这一软件对系统自动推荐电机尺寸和快速电机设计进行研究，仿真试验结果符合设计的预期目标，在快速的基础上较大程度满足精度的要求，可以为有限元分析提供借鉴和参考。相比于ANSYSMaxwell，JMAG-Express可以根据目标值自动推荐电机尺寸参数，并且计算更加快速，非常适合于快速电磁设计。
来源：西莫电机论坛
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