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永磁電機憑借其高轉(zhuǎn)矩密度、高效率等優(yōu)勢逐漸在工業(yè)機器人與數(shù)控機床場合廣泛應(yīng)用，其氣隙磁通密度及反電動勢（Electromagnetic Force, EMF）波形對電機性能和效率的影響很大，因此正確而快速有效地分析電機磁場性能是電機設(shè)計的基礎(chǔ)。

精確子域解析法作為準確高效分析電機電磁場的方法近年來被國內(nèi)外學(xué)者廣泛運用，但大都是以氣隙均勻的瓦片型磁鋼結(jié)構(gòu)進行子域解析計算。

工業(yè)機器人與數(shù)控機床驅(qū)動電機對反電動勢正弦度和低轉(zhuǎn)矩波動性能要求較高，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成為研究的熱點。但是相關(guān)文獻以不同磁場解析方法對單一特殊磁鋼形狀永磁電機進行建模和磁場解析計算，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準確磁場解析計算。

河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院、中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所、浙江省機器人與智能制造裝備技術(shù)重點實驗室的研究人員趙士豪、陳進華、張馳、李爭、孟玉龍，在2022年第14期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文，基于微分原理對不均勻氣隙結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子磁極進行徑向等極弧分段，在二維極坐標下將電機結(jié)構(gòu)劃分為永磁體、氣隙、槽開口和定子槽四個精確子域的解析模型，并建立泊松方程和拉普拉斯方程，通過分離變量法與傅里葉級數(shù)法求解偏微分方程，通過邊界條件對各子域諧波系數(shù)求解以得到各分段磁極磁場分布，然后基于積分原理對其等效疊加得到電機二維磁場分布結(jié)果。

圖1 磁極偏心式永磁同步電機簡化模型

圖2 不均勻氣隙轉(zhuǎn)子簡化模型

該解析方法同時考慮到瓦片型、偏心式與面包型磁極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，可以計算任意單元數(shù)電機的空載、電樞及負載的磁場特性。在此基礎(chǔ)上，計算了電機的齒槽轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩及反向感應(yīng)電動勢，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實測反電動勢波形與仿真結(jié)果吻合很好，驗證了該解析方法的正確性，為進一步優(yōu)化該類電機的電磁性能奠定了良好的基礎(chǔ)，能夠快速指導(dǎo)電機設(shè)計。

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