哈尔滨工业大学贵献国团队：考虑电枢磁场影响的高转矩永磁力矩电机解析方法

Analytical Method of Permanent Magnet Torque Machine with High Torque for Considering the Influence of Armature Magnetic Field

Jiawei Chai; Xianguo Gui; Qiang Gao; Dianguo Xu

Harbin Institute of Technology, Harbin, China

J. Chai, X. Gui, Q. Gao and D. Xu, "Analytical Method of Permanent Magnet Torque Machine with High Torque for Considering the Influence of Armature Magnetic Field," in CES Transactions on Electrical Machines and Systems, Vol. 9, No. 3, pp. 289-299, September 2025, DOI: 10.30941/CESTEMS.2025.00025.

摘 要

与传统永磁同步电机相比，高转矩永磁力矩电机的主要特点是电枢电流较大，这对磁路饱和产生显著影响。为此，本文提出一种考虑该问题的新型解析方法。该方法的核心理念是考虑了与输出转矩密切相关的电枢主磁通和电枢漏磁通。首先推导了永磁体与电枢绕组产生的磁动势表达式，同时通过规划磁路将开槽效应纳入考虑。然后，计算了电枢绕组产生的漏磁密度表达式，得出齿部磁密等效系数为2/3，以解决各齿部饱和不均的问题。在此基础上，基于提出的主磁通因子和漏磁通因子对迭代流程进行改进。通过该流程可获得电机轭部与齿部的磁密，从而有助于计算得到更精确的气隙磁通密度和磁链。最后，制作了一台60极54槽的样机，采用新型解析法和有限元法计算了该电机的反电势、输出转矩等性能指标。有限元仿真与实验结果表明，该新型解析方法能够有效计算永磁力矩电机的性能。

Abstract

Compared to the conventional permanent magnet synchronous machine (PMSM), the main characteristic of permanent magnet torque machine (PMTM) with high torque is that armature current is high, which has a great influence on magnetic circuit saturation, so this paper proposes a novel analytical method (AM) considering this problem. The key of this new AM is to consider armature reaction flux and armature leakage flux, which are closely related to output torque. Firstly, the expressions, including magnetomotive force (MMF) generated by permanent magnets (PMs) and armature windings are derived, and meanwhile slotting effect is considered by planning flux path. In addition, the expression of leakage flux density generated by armature windings are calculated, and flux density equivalence coefficient of tooth is calculated to be 2/3, which is used to solve the problem of uneven saturation of each tooth. Then, based on main flux factor and leakage flux factor proposed, an improved iteration process is proposed, and by this new process, the flux density of each yoke and tooth can be obtained, which is beneficial to obtain more accurate air-gap flux density and flux linkage. Finally, a prototype of 60-pole 54-slot is fabricated, and the performances of the electric machine, such as back electromotive force (EMF) and output torque, are calculated by this new AM and finite element method (FEM). The results of FEM and experimental test show that this new AM is good enough to calculate the performance of PMTM.

迭代流程图

作者信息

柴嘉伟，辽宁人，哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院博士研究生。研究方向包括永磁电机设计及驱动控制。

贵献国(Member, IEEE)，哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院副教授。分别于1996年和2000年获得哈尔滨工业大学电气工程硕士和博士学位。研究方程包括永磁电机优化设计以及电机驱动控制。

高强，哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院教授。分别于2004年和2009年获得哈尔滨工业大学电气工程硕士和博士学位。研究方向为大功率传动系统、高温电力电子、电能质量等。

徐殿国(Fellow, IEEE)，哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院教授。分别于1984年和1989年获得哈尔滨工业大学电气工程硕士和博士学位。研究方向为电力电子技术、柔性直流输电技术、电机与传动控制技术等。

《中国电工技术学会电机与系统学报（英文）》(CES TEMS)是中国电工技术学会和中国科学院电工研究所共同主办、IEEE PELS学会技术支持的英文学术期刊。期刊发表国内外有关高性能电机系统、电机驱动、电力电子、可再生能源系统、电气化交通等研发及应用领域中原创、前沿学术论文。中国工程院院士马伟明担任主编，IEEE 副主席 Don Tan 博士为国际主编。目前已被ESCI、EI、Scopus、 Inspec、Google scholar、IEEE Xplore、中国科学引文数据库(CSCD) 核心版、DOAJ、CSTPCD、知网、万方、维普等数据库收录。

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