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永磁電機(jī)憑借其高轉(zhuǎn)矩密度、高效率等優(yōu)勢(shì)逐漸在工業(yè)機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床場(chǎng)合廣泛應(yīng)用，其氣隙磁通密度及反電動(dòng)勢(shì)（Electromagnetic Force, EMF）波形對(duì)電機(jī)性能和效率的影響很大，因此正確而快速有效地分析電機(jī)磁場(chǎng)性能是電機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

精確子域解析法作為準(zhǔn)確高效分析電機(jī)電磁場(chǎng)的方法近年來(lái)被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛運(yùn)用，但大都是以氣隙均勻的瓦片型磁鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行子域解析計(jì)算。

工業(yè)機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)反電動(dòng)勢(shì)正弦度和低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)性能要求較高，面包型或偏心削極結(jié)構(gòu)等特殊磁鋼形狀引起不均勻氣隙的表貼式永磁同步電機(jī)成為研究的熱點(diǎn)。但是相關(guān)文獻(xiàn)以不同磁場(chǎng)解析方法對(duì)單一特殊磁鋼形狀永磁電機(jī)進(jìn)行建模和磁場(chǎng)解析計(jì)算，未能統(tǒng)一考慮面包型和偏心削極結(jié)構(gòu)等特殊磁鋼形狀引起不均勻氣隙的表貼式永磁同步電機(jī)準(zhǔn)確磁場(chǎng)解析計(jì)算。

河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所、浙江省機(jī)器人與智能制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員趙士豪、陳進(jìn)華、張馳、李爭(zhēng)、孟玉龍，在2022年第14期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，基于微分原理對(duì)不均勻氣隙結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子磁極進(jìn)行徑向等極弧分段，在二維極坐標(biāo)下將電機(jī)結(jié)構(gòu)劃分為永磁體、氣隙、槽開(kāi)口和定子槽四個(gè)精確子域的解析模型，并建立泊松方程和拉普拉斯方程，通過(guò)分離變量法與傅里葉級(jí)數(shù)法求解偏微分方程，通過(guò)邊界條件對(duì)各子域諧波系數(shù)求解以得到各分段磁極磁場(chǎng)分布，然后基于積分原理對(duì)其等效疊加得到電機(jī)二維磁場(chǎng)分布結(jié)果。

圖1 磁極偏心式永磁同步電機(jī)簡(jiǎn)化模型

圖2 不均勻氣隙轉(zhuǎn)子簡(jiǎn)化模型

該解析方法同時(shí)考慮到瓦片型、偏心式與面包型磁極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，可以計(jì)算任意單元數(shù)電機(jī)的空載、電樞及負(fù)載的磁場(chǎng)特性。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算了電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩及反向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，與有限元法的結(jié)果均吻合較好，研制的24極36槽偏心式磁極永磁同步電機(jī)實(shí)測(cè)反電動(dòng)勢(shì)波形與仿真結(jié)果吻合很好，驗(yàn)證了該解析方法的正確性，為進(jìn)一步優(yōu)化該類(lèi)電機(jī)的電磁性能奠定了良好的基礎(chǔ)，能夠快速指導(dǎo)電機(jī)設(shè)計(jì)。

本文編自2022年第14期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“不均勻氣隙表貼式永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)解析計(jì)算”。本課題得到國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金和寧波市科技創(chuàng)新2025重大專項(xiàng)的支持。