“探究优化设计对永磁电机性能的提升作用”

摘要：本研究以10极30槽表面式永磁同步电动机为研究对象，深入探讨了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。通过有限元模拟分析，本文揭示了合理设置辅助槽能显著降低转矩波动，为皖南电机（安徽皖南电机）的设计提供了理论依据。

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。其中，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。本文以皖南电机为例，分析了转子铁芯和永磁体辅助槽的设计对电机性能的影响。

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。

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。

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。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。

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。本研究为皖南电机（安徽皖南电机）的设计提供了有益的参考，有助于提高电机性能和降低成本。