CES TEMS 论文分享｜中科院电工所徐伟等：用于集成机器驱动应用的混合励磁非对称定子磁极双凸极电机扭矩产生的结构相关空间谐波定量分析

Quantitative Analysis of Structure-related Spatial Harmonics on Torque Generation in Hybrid Excited Asymmetric Stator Pole Double Salient Machine for Integrated Machine Drive Applications

Chen Cao1; Wei Xu*2; Jian Ge1; Bin Du3;

Zhongyong Chen1; Chuanjia Zhang4; Lili Kang5; Lei Zhang6

1.Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, China

2.Chinese Academy of Sciences, Beijing, China

3.China National Electric Apparatus Research Institute Co., Ltd., Guangzhou, China

4.Electromechanical Apparatus and Equipment Division of CVC Testing Technology Co., Ltd., Guangzhou, China

5.Tianjin Sino-German University of Applied Sciences, Tianjin, China

6.CRRC Tangshan Co., Ltd., Tangshan, China

C. Cao et al., "Quantitative Analysis of Structure-related Spatial Harmonics on Torque Generation in Hybrid Excited Asymmetric Stator Pole Double Salient Machine for Integrated Machine Drive Applications," in CES Transactions on Electrical Machines and Systems, vol. 10, no. 2, pp. 133-143, June 2026, doi: 10.30941/CESTEMS.2026.00014.

摘 要

随着集成电机驱动器（IMD）的快速发展，混合励磁非对称定子极双凸极电机（HEASPDSM）因其灵活的磁通调节能力、优异的散热能力和坚固的结构而受到广泛关注。作为一种磁通调制电机，HEASPDSM由于其双面磁阻结构和引入不对称定子磁极和励磁绕组而表现出大量的磁场谐波。这些谐波会导致气隙磁通密度、反电动势和扭矩的显著失真。传统的磁动势（MMF）比磁导分析方法无法量化单个结构相关空间谐波的扭矩贡献，这限制了HEASPDSM扭矩密度的提高。为了减轻转矩畸变并提高转矩密度，本文提出了一种新的HEASPDSM平均转矩和转矩脉动评估模型。与经典方法不同，所提出的模型直接利用定子/转子MMF和比磁导作为转矩计算的调制分量，可以定量地阐明每种调制谐波对转矩的单独贡献，并建立谐波贡献与结构参数之间的直接相关性。此外，通过对四个具有不同极对组合的HEASPDSM进行单参数扫描，通过有限元分析（FEA）验证了其准确性，在此过程中分析了扭矩性能和磁通调节能力。最后，在12s7p HEASPDSM原型上进行了实验验证，以进一步验证所提出的模型。

Abstract

With the rapid development of integrated machine drives (IMDs), hybrid excited asymmetric stator pole double salient machines (HEASPDSMs) have gained widespread attention owing to their flexible flux regulation ability, excellent heat dissipation capacity, and robust structure. As a type of flux modulation machine, HEASPDSMs exhibit numerous magnetic field harmonics due to their double-sided reluctance structure and introduction of asymmetric stator poles and excitation windings. These harmonics cause significant distortions in airgap flux density, back-electromotive-force (back-EMF), and torque. Traditional magneto motive force (MMF)-specific permeance analytical methods fail to quantify the torque contribution of individual structural-related spatial harmonics, which restricts the torque density improvement of HEASPDSMs. To mitigate the torque distortion and improve torque density, a novel evaluation model for both average torque and torque ripple of HEASPDSMs is proposed in this paper. Different from classical methods, the proposed model directly utilizes stator/rotor MMF and specific permeance as modulation components for torque calculation, which can quantitatively clarify the individual contribution of each modulation harmonic to torque and establish a direct correlation between harmonic contribution and structural parameters. Furthermore, its accuracy is validated via finite element analysis (FEA) by performing single-parameter-scan on four HEASPDSMs with different pole-pair combinations, during which the torque performance and flux regulation ability are analyzed. Finally, experimental validation is performed on a 12s7p HEASPDSM prototype to further verify the proposed model.

HEASPDSM具有不同的槽极组合（a）12s5p（b）12s7p（c）12s8p（d）12s10p

作者信息

曹辰，2020年获得电子科技大学电气工程学士学位，2022年获得华中电子科技大学电子工程硕士学位。他目前正在华中电子科技大学攻读电气工程博士学位。他的研究兴趣包括大功率/扭矩密度电机的设计、建模和控制。

徐伟 (Fellow, IEEE)，分别于2002年和2005年获得天津大学的学士和硕士学位，并于2008年获得中国科学院电气工程研究所（IEECAS）的博士学位，均为电气工程专业。他目前是中国科学院电气工程研究所的教授。他的研究兴趣包括直线电机和驱动器的设计和控制。

葛健，分别于2016年、2019年和2022年获得华中科技大学电气工程学士、硕士和博士学位。现任华中科技大学高密度电能转换国家重点实验室助理研究员。他的研究兴趣包括线性感应电机、大功率/转矩密度电机和无刷双馈电机。

杜彬，2009年获得华中科技大学材料加工工程硕士学位。现任科技发展部副部长、中国电器研究院有限公司高级工程师，研究方向为智能制造。

陈忠勇，2001年获陕西师范大学物理学学士学位，2006年6月获中国科学院等离子体物理研究所博士学位。他目前是华中科技大学的教授，也是国际托卡马克物理活动（ITPA）磁流体力学（MHD）、中断和控制委员会专题组的专家。

张传甲，2006年获得山东大学电气工程学士学位。现任有限公司机电设备事业部副总裁，专注于机械、机器人、电机、电容器等产品安全、性能、可靠性领域的质量与技术服务研究。

康莉莉，于2006年和2009年，在燕山大学获得测量与控制技术及仪器仪表学士和硕士学位，2022年在天津大学电气与信息工程学院获得电气工程博士学位。她目前是天津中德应用科技大学智能制造学院的副教授。她的研究兴趣包括电机的设计和控制。

张雷，1997年获得河北工业大学机械制造技术与设备专业学士学位。现任中车有限公司股份有限公司技术副总工程师，专注于磁悬浮交通产品开发和数字化设计技术。

《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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