安徽大学科研团队在表嵌式交替极永磁电机研究方面取得新进展

交替极永磁（CPM）电机通过转子铁心替代部分磁极，实现了更高的永磁体利用率和出色的转矩输出能力。本研究CPM电机磁极结构演化规律及气隙磁场调制效应。

稀土永磁电机具有高效率、高转矩/功率密度等优点，但受稀土价格不断攀升等影响，如何提高永磁体利用率已成为电机领域的一大研究热点。CPM结构可以显著降低永磁体用量，并具有与SPM电机相媲美的电磁性能，因此探索CPM拓扑演化基本规律及其潜在的气隙磁场调制效应，可为此类电机设计提供理论基础和技术指导。

尽管已有许多关于CPM电机的研究，但其拓扑演化规律以及不同永磁体结构带来的内部气隙磁场调制机理仍需要进一步研究和阐明。本项目以传统表嵌式CPM电机为例，采用麦克斯韦应力张量法分析气隙磁密谐波转矩贡献来揭示其内在的气隙磁场调制机理，并最终通过样机试验验证研究成果。

1、CPM电机结构演化

图1传统CPM电机结构演化示意图

图2一个永磁单元具有2对极永磁体时CPM电机结构演化示意图

图3一个永磁单元具有3对极永磁体时CPM电机结构演化示意图

对表嵌式CPM电机拓扑演化规律进行总结，可获得以下结论：

1)一个永磁单元包括n（≥2）对极永磁体时，其可形成n种典型的非传统表嵌式CPM结构；

2)一个永磁单元包括n（≥2）对极永磁体的非传统表嵌式CPM电机，其转子调制齿数最多为n-1个；

3)一个永磁单元包括n（≥2）对极永磁体时，一个永磁单元中的S极（或N极）和相邻的N、S极可被一个转子铁心极替换，因此一个永磁单元中转子调制齿为1时的非传统表嵌式CPM结构均有两种。

2、转矩量化分析

选择2对极永磁单元的表嵌式CPM电机与传统CPM结构进行对比，以确认转子调制齿数与永磁体极对数不等时带来的磁场非对称性。

图4CPM电机结构

由于双凸极结构，三个CPM电机均可产生丰富的气隙磁密调制谐波，且均存在多种谐波贡献转矩，表明均存在气隙磁场调制效应。

图5传统CPM和2对极永磁单元的非传统CPM电机各次谐波转矩贡献

与传统CPM电机相比，非传统CPM电机具有以下典型特征：

1)非传统CPM电机转子调制齿数与永磁体极对数不等时，未能充分利用0次永磁磁动势和Zr次转子磁导来提高主谐波（Zr次）幅值，导致其主谐波幅值相对较低，转矩能力亦随之相对较低；

2)非传统CPM电机主谐波贡献转矩占比相对较大，导致其磁场调制谐波贡献转矩占比相对较低；

3)非传统CPM电机转子气隙磁场调制谐波贡献的转矩值有正有负，导致其调制谐波贡献的总转矩占比反而有所降低；

4)转子调制齿数与永磁体极对数不等时的非传统CPM电机可视为仅有主谐波贡献平均转矩的传统电机。

将上述转子调制齿数与永磁体极对数不等的非传统表嵌式CPM结构延伸到内嵌式结构中，亦可获得各种不同永磁结构的非传统内嵌式CPM电机。但由于其未根本改变永磁体磁动势和转子磁导的谐波阶次相匹配的关系，使其未能充分利用偏置磁动势来提高其主谐波幅值及转矩输出能力，因此非传统内嵌式CPM电机亦可获得与表嵌式结构相似的结论，本文在此不再赘述。

本文探究了表嵌式CPM电机不同永磁结构拓扑演化规律，总结了永磁体极对数与转子调制齿数之间的内在联系。并采用MSTM量化分析了气隙磁密各次谐波转矩贡献，表明永磁体极对数与转子调制齿数对气隙磁场调制谐波转矩贡献影响较大。最后，加工并开展了样机试验研究，验证了理论分析与有限元仿真的可靠性。

安徽大学电气学院智慧电能变换高品质电机系统团队长期面向电动汽车、工业机器人、风力发电系统从事高品质电机及驱动系统设计与控制、故障诊断、容错控制和可靠性领域的研究，并拓展至储能系统、电力电子技术在电网中的应用。

李亚，工学博士，讲师，主要研究方向为永磁电机优化设计与分析、电机多物理场耦合分析、电机在工业伺服、新能源驱动及发电中的应用。

周庆林，硕士研究生，研究方向为永磁同步电机设计与分析。

丁石川，教授，博士生导师。主要从事高品质电机（伺服电机）及驱动系统设计与控制、故障诊断、容错控制和可靠性领域的研究，同时面向新型电力系统开展储能系统和可靠性分析关键技术研究。

本工作成果发表在2023年第12期《电工技术学报》，论文标题为“表嵌式交替极永磁电机拓扑演化及气隙磁场调制效应研究”。本课题得到国家自然科学基金项目、安徽省自然科学基金优秀青年项目、安徽省高校优秀青年人才重点项目和安徽省重大科技专项的支持。