Low Vibration Design and Investigation of an Interior Permanent Magnet Motor in the Perspective of the Saliency Ratio

Hui Qu; Li Quan; Xiaoyong Zhu; Zixuan Xiang; Teng Liu; Jiamin Bai

Jiangsu University, Zhenjiang, China

H. Qu, L. Quan, X. Zhu, Z. Xiang, T. Liu and J. Bai, "Low Vibration Design and Investigation of an Interior Permanent Magnet Motor in the Perspective of the Saliency Ratio," in CES Transactions on Electrical Machines and Systems, Vol. 9, No. 4, pp. 434-444, December 2025, DOI: 10.30941/CESTEMS.2025.00040.

摘 要

為解決電動汽車永磁電機在弱磁轉速擴展運行中電磁振動加劇的問題，本文從凸極率角度提出一種永磁電機的低振動設計方法。首先，通過建立磁弱化運行下的振動分析理論模型，揭示了振動機理：磁弱化運行下高階電樞磁動勢諧波導致徑向電磁力增強。其次，深入探究了凸極率與電樞磁動勢之間的內在關系。本研究提出一種基于凸極率的新型設計方法，用于優化引發顯著電磁振動的關鍵電樞磁動勢諧波。為此開發了采用橢圓弧復合磁路屏蔽的創新轉子拓撲結構。通過以凸極率與轉矩為協同優化目標，實現振動抑制與轉矩輸出性能的平衡。最終制造并測試了原型機，理論與實驗分析均驗證了電機及設計方法的有效性。

Abstract

To address the issue of increased electromagnetic vibration in permanent magnet (PM) motors for electric vehicles under flux-weakening speed extension operation, this paper proposes a low-vibration design method for PM motors from the perspective of saliency ratio. First, by establishing a theoretical model for vibration analysis under flux-weakening operation, it reveals the vibration mechanism whereby high-order armature magnetomotive force (ARM-MMF) harmonics under flux-weakening operation leads to enhanced radial electromagnetic force (REF). Second, an in-depth investigation into the intrinsic relationship between saliency ratio and ARM-MMF is conducted. This study proposes a novel methodology to design key ARM-MMF harmonics that induce significant electromagnetic vibration from the perspective of the saliency ratio. An innovative rotor topology featuring elliptical-arc composite flux barriers is developed to implement this approach. Furthermore, and synergistic optimization is performed with the saliency ratio and torque as optimization objectives to balance vibration suppression and torque output performance. Finally, a prototype is manufactured and tested. Both theoretical and experimental analyses validated the effectiveness of the motor and the proposed design method.

永磁電機的操作要求（a）36槽8極內永磁體（IPM）電機的結構場（b）可變運行條件下的永磁電機

作者信息

瞿慧，于2023年獲得金陵科技學院自動化專業學士學位。她目前正在江蘇大學攻讀控制工程碩士學位。她的研究興趣包括電動汽車發夾繞組電機的設計和振動性能分析。

全力，于1985年獲得合肥工業大學電氣工程學士學位，1991年獲得東南大學電機與電氣專業碩士學位，2007年獲得南京航空航天大學電力電子與動力傳動博士學位。自1998年以來，他一直在江蘇大學工作，目前是電氣與信息工程學院的教授。他撰寫或合著了100多篇技術論文、一本教科書，并在這些領域擁有三項專利。他的教學和研究興趣包括電動汽車用高性能永磁電機、混合動力電動汽車用雙轉子永磁電機和電機驅動控制。

朱孝勇（Member，IEEE），分別于1997年和2002年獲得江蘇大學電氣工程學士學位和碩士學位，并于2008年獲得東南大學電氣工程學院電機與電器博士學位。在博士學習期間，他的學科是電氣工程，主要研究混合勵磁永磁電機的設計、分析和控制。自1999年以來，他一直在江蘇大學工作，目前是電氣信息工程學院的教授。2007年至2008年，他是香港大學電氣與電子工程系的研究助理。2012年至2013年，他擔任美國密歇根州迪爾伯恩密歇根大學能源資助的電動驅動運輸研究生汽車技術教育中心的客座教授。他撰寫或合著了70多篇參考技術論文，并擁有12項與其研究興趣相關的專利，其中包括寬轉速范圍電機、少稀土永磁電機和多端口永磁電機的設計和驅動控制。

項子旋（Member，IEEE），于2010年獲得湖北工業大學電氣工程與自動化學士學位，2017年獲得江蘇大學電氣與信息工程學院電力電子與輸電博士學位。現任江蘇大學電氣與信息工程學院副教授。他的主要研究興趣包括用于現代電動汽車和混合動力電動汽車的高性能永磁電機和新型雙機械端口永磁電機的設計、優化和驅動控制。

劉騰，于2021年獲得江蘇大學電氣工程與自動化學士學位，目前正在攻讀電氣工程博士學位。他目前的研究興趣包括低速、高扭矩輸出、振動和聲噪聲永磁電機的設計和分析。

白佳敏，于2021年獲得上海科技大學電氣工程與自動化學士學位，目前正在攻讀電氣工程博士學位。她目前的研究興趣包括應用于現代電動汽車和混合動力電動汽車的永磁電機的設計和優化。

《中國電工技術學會電機與系統學報（英文）》(CES TEMS)是中國電工技術學會和中國科學院電工研究所共同主辦、IEEE PELS學會技術支持的英文學術期刊。期刊發表國內外有關高性能電機系統、電機驅動、電力電子、可再生能源系統、電氣化交通等研發及應用領域中原創、前沿學術論文。中國工程院院士馬偉明擔任主編，IEEE 副主席 Don Tan 博士為國際主編。目前已被ESCI、EI、Scopus、 Inspec、Google scholar、IEEE Xplore、中國科學引文數據庫(CSCD) 核心版、DOAJ、CSTPCD、知網、萬方、維普等數據庫收錄。

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