优化转子辅助槽设计降低永磁同步电机转矩波动研究

摘要：以10极30槽表面式永磁同步电动机为研究对象，探讨在不同转子铁芯和永磁体底部设置不同形状、数量及位置的辅助槽，对电机负载运行中转矩波动及平均转矩的影响。安徽皖南电机研究发现，合理设置辅助槽能显著降低转矩波动。皖南电机价格表有限元模拟分析表明，通过优化转子铁芯和永磁体辅助槽的设计，可在保证输出转矩的同时，有效减少转矩波动。

1 引言

根据永磁体在转子中的布局，永磁同步电机可分为表面式、内置式和爪极式三类。安徽皖南电机表面式转子磁路又分为凸出式和插入式。转矩波动会引发电机噪声和振动，影响运行性能及寿命，因此，降低转矩波动是永磁电机设计的关键目标之一。

现有研究通过能量法和傅里叶分解，基于表面凸出式永磁同步电机齿槽转矩表达式，分析了电机极数、槽数、永磁体极弧系数、定子槽口宽度等设计参数对齿槽转矩的影响，并推导了优化设计参数的方法。文献[2]在二维极坐标系内建立了表面插入式永磁电机的精确子域解析模型，划分为定子槽子域、气隙子域和转子槽子域，通过分离变量法求解各子域的矢量磁位通解，得出相关谐波系数，为齿槽转矩计算提供依据。

研究指出，在定子齿冠开设矩形槽、三角形槽、半圆形槽等辅助槽，能降低齿槽转矩。其中，矩形槽抑制效果*佳，其次是半圆槽和三角槽，且齿槽转矩随辅助槽深度增加而减小，随槽口宽度增加先减小后增大。皖南电机

虽然众多文献研究了在定子齿上开设辅助槽以降低齿槽转矩，但针对转子辅助槽对齿槽转矩影响的研究相对较少。齿槽转矩仅是负载运行时转矩波动的一个来源，单纯降低齿槽转矩是不够的。因此，本文以10极30槽表面插入式永磁电机为例，通过有限元仿真方法，研究转子铁芯下方和永磁体底部辅助槽对负载运行时转矩波动的影响，通过优化辅助槽设计，在确保较大输出转矩的同时，降低转矩波动。

2 原始电机结构

图1展示了表面插入式永磁电机的面包形永磁体典型结构，其外径为Rr，底面直线形，有利于产生正弦形气隙磁密分布。永磁体*大厚度为hm，极弧宽度为αm，采用平行充磁。相邻磁极间铁芯有凸出部位，有利于固定永磁体，故采用表面插入式。

本文以图1电机为基准，研究永磁体下方铁芯开辅助槽及永磁体底部开辅助槽对负载运行时转矩波动的影响。在后续研究中，采用有限元法计算电机电磁转矩，施加相同的三相对称正弦形额定电流。参考电机施加额定电流时，平均电磁转矩为52.3Nm，转矩波动为21.4%。可见，尽管采用面包形永磁体，转矩波动依然严重，有必要进一步优化设计以降低转矩波动。

3 永磁体下方的转子铁芯辅助槽

表面插入式永磁电机气隙中的径向励磁磁动势并非正弦分布，定子槽开口导致气隙长度圆周方向分布不均，加剧气隙磁密非正弦度，从而引起齿槽转矩和负载运行时转矩波动。在永磁体下方转子铁芯开设辅助槽，可改变等效气隙长度，进而改变气隙磁密分布，有望降低转矩波动。

3.1 矩形辅助槽

如图2所示，在电机转子铁芯每个磁极下方开设关于中心线对称的两个矩形槽，矩形槽边缘与永磁体边缘对齐。设定槽宽度为l1、深度为h1，电机转矩性能随矩形槽大小的变化如图3所示。可见，随着矩形槽深度h1适当增加，电机转矩波动减小。

当槽深度一定时，转矩波动随槽宽度增加先减小后增大，平均转矩随槽宽度增大而降低。*优设计参数为l1=7mm、h1=4mm，此时转矩波动为6.2%，但平均转矩降至49.9Nm。图4显示，未加辅助槽的参考样机和加*优辅助槽的电机的空载气隙径向磁密波形，可见，适当的矩形辅助槽有利于降低气隙磁密谐波分量。

当采用图5所示的四个矩形辅助槽时，对l1、h1、x1、l2、h2五个参数进行优化分析。可见，当槽大小不变时，随着两个矩形辅助槽之间的距离x1增加，电机转矩波动增大。合理设置辅助槽能进一步降低转矩波动，但平均转矩也会降低。

在对称四槽的基础上，再在内侧开设一对辅助槽，形成对称六矩形辅助槽结构。对槽位置x2及大小l3、h3进行优化分析。结果表明，开设内槽对降低转矩波动作用有限，故不再进一步讨论。

3.2 半圆形辅助槽

如图7所示，在磁钢下方的转子铁芯上开设两个关于中心线对称的半圆形辅助槽，位置和大小用l1、r1进行约束和优化，得到的结果如图8所示。*优设计参数为l1=7mm、r1=4mm，此时转矩波动*小为4.9%，但平均转矩降至49.3Nm。

在外半圆形辅助槽达到*优时，再在内侧开设一对半圆形辅助槽。但有限元计算表明，开设内槽对降低转矩波动作用有限，故不再进一步讨论。

4 永磁体底部辅助槽

除了在转子铁芯开设辅助槽，还可以在永磁体底部开设辅助槽。安徽皖南电机先研究对称的两个半圆形槽，通过x1、r1两个参数对辅助槽进行位置和大小约束，优化分析得到如图10所示的结果。可见，在永磁体上加适当的辅助槽能有效降低转矩波动，但辅助槽位置不当会恶化转矩波动。

在外槽达到*优的情况下增加一对内槽，通过x2、r2两个参数对内槽进行优化分析，得到图12所示的结果。可见，开设适当的内辅助槽有利于进一步降低电机转矩波动。

5 结论

本文研究了转子辅助槽对表面插入式永磁电机负载运行时转矩波动的影响。研究发现，合理设计转子铁芯或永磁体上的辅助槽能有效降低转矩波动，但平均转矩也会有所下降。