合肥工业大学科研团队在双定子低速大转矩永磁同步电动机转矩脉动研究上取得新进展

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近年来永磁材料迅速发展，使得永磁电机在工业生产中得到了较为广泛的应用。其中低速大转矩永磁同步电动机由于取消了传统驱动系统中的减速环节，同时相比较于异步电动机又具有高功率因数、高效率等一系列优点，在油田开采、电力推进、港口起重等方面有更为良好的应用前景。然而传统的低速大转矩永磁同步电动机普遍存在体积大导致的功率密度或者转矩密度低的情况，为了提高低速大转矩电机的空间利用率，国内外学者提出用双定子拓扑来取代传统的单定子拓扑。

电动机转矩脉动的研究一直是一个相当重要的课题，国内外学者对传统单定子永磁同步电动机的转矩脉动都有相当丰富的研究成果。双定子永磁同步电动机转矩脉动研究虽然较单定子的稍欠丰富，但不乏优秀成果。

通过对一些关于谐波电流注入抑制永磁同步电动机纹波转矩文献的研究可知，谐波电流注入是最经典的方法，即提取谐波反电动势的幅值和相位，在此基础上，匹配相应的谐波电流并注入定子绕组。因此，只要能估计或者大致计算出谐波反电动势的相位，就可以对纹波转矩的相位进行评估，而在研究单定子永磁同步电动机转矩脉动的过程中，基于有限元方法，注意到极槽配合对电机转矩脉动相位存在影响，进一步地，应用在双定子永磁同步电动机中就是通过调整电机的内外定子槽数，使得内外电机纹波转矩相位反相以获得较低转矩脉动的效果，并为双定子永磁同步电动机的设计提出指导。

合肥工业大学电气与自动化工程学院的鲍晓华、朱然、刘佶炜、李仕豪，在2022年第22期《电工技术学报》上撰文，在相关文献的基础上，对双定子永磁同步电动机内外定子槽数配合和内外定子轴线错开对整个电动机转矩脉动的影响进行了研究并着重讨论了转矩脉动的相位问题。

他们指出，对于内外定子槽数的配合，由于双定子电机中内定子部分尺寸的限制，如果内外定子槽数取得同样多，可能会使得内定子齿部饱和严重，进而导致内定子和转子间的气隙磁场含有大量谐波，恶化转矩脉动。因此，设计电机时，让内定子槽数少于外定子，可以减少内定子饱和的风险。但是不同的槽数配合，意味着绕组形式不同，绕组电动势的谐波也会有所变化，进而对转矩脉动也有所影响，考虑通过不同的内外定子槽数配合，使内外电机转矩脉动相位相反，进而使两者相互削弱，从而降低整个电机的转矩脉动。

图1 内定子轴线对齐和偏移时内电机的转矩

图2 内定子轴线对齐和偏移时整个电机的转矩

研究人员从叠加原理出发，将双定子永磁同步电动机分为内外两个电机分别研究各自的转矩脉动。对两种情况下的相位问题进行了分析，第一种情况是内外定子槽数不同而定子A相轴线与直轴对齐，第二种情况是内外定子槽数相同而定子A相轴线不与直轴对齐，结论如下：

1）在第一种情况下，通过理论推导，发现了影响纹波转矩相位的关键因素，即谐波绕组系数以及含有永磁体极弧系数的傅里叶系数，这两者乘积的正负性会影响纹波转矩的相位，根据该系数的正负性可以对6倍频纹波转矩的相位进行预测，由此可以恰当地选择内外定子槽数配合，使内外电机纹波转矩的相位相差接近电角度，以使内外两部分纹波转矩相互削弱。

2）第二种情况下，当A相轴线初始位置与直轴有偏移角度时，推导了反电动势关于偏移角度的表达式，并通过相量图，对原始的电流源相位进行修正，进一步得到第二种情况下纹波转矩的表达式，通过对表达式的考察，确定了6倍频纹波转矩被削弱时的偏移的电角度需要满足的条件，即π/6的奇数倍，当有其他阶次如n倍频谐波的转矩时，削弱该阶次时的偏移电角度为π/n的奇数倍，取以上两者的交集即为整个电机转矩脉动较低时的偏移电角度。

研究人员最后利用有限元方法对以上的理论分析进行验证。从电机本体设计的角度出发，减小了双定子永磁同步电动机的转矩脉动。第一种情况下，在所选择的四种内外定子槽数配合中，转矩脉动最低的是21/15，其转矩脉动为5.86%，最大的是18/15，为8.89%，相差了34%。第二种情况下，内定子轴线偏移后，使整个电机的转矩脉动降低了54.8%。

他们表示，这两种方法采用较为简单的电机拓扑，使电机整体的转矩脉动较低，实际工程中降低了设计成本。

本文编自2022年第22期《电工技术学报》，论文标题为“基于相位分析的双定子低速大转矩永磁同步电动机转矩脉动研究”。本课题得到国家自然科学基金项目和安徽省重大科技项目的支持。

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