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導語

針對定子永磁型磁通切換（Stator Permanent Magnet-Flux Switching, SPM-FS）電機齒槽轉矩較大的問題，本文提出了轉子齒頂外輪廓線分別符合y=k|x|和y=ax2函數分布的兩種函數型轉子SPM-FS電機，對比未經轉子齒頂修型的原始轉子電機，開展了不同轉子結構電機的磁場調制機理和性能對比分析。

研究背景

SPM-FS電機因其轉子結構簡單、可靠性高、永磁體易于冷卻等優點，近年來受到了國內外學者的廣泛關注，且在電動汽車、飛輪儲能和軌道交通等領域具有廣闊的應用前景。然而，受SPM-FS電機雙凸極結構特點影響，該類型電機的齒槽轉矩和轉矩脈動較大。

針對該問題，國內外學者從電機本體的角度出發，提出了如電機參數優化、斜極、轉子修型、開輔助槽等齒槽轉矩抑制措施，并取得了較好的效果。研究表明，通過轉子側結構調整的方法具有結構簡單、易于加工、齒槽轉矩抑制效果較好等優點，但同時也不可避免地存在齒槽轉矩抑制和平均轉矩下降的矛盾。

本文基于氣隙磁場調制理論提出了轉子齒頂外輪廓線分別符合y=k|x|和y=ax2函數分布的兩種函數型轉子SPM-FS電機，通過對比未修型的原始轉子電機，綜合分析了不同函數型轉子SPM-FS電機的磁場調制機理和性能。

論文所解決的問題及意義

本文針對SPM-FS電機因雙凸極結構導致的齒槽轉矩和轉矩脈動過大問題，提出了轉子齒頂外輪廓線分別符合y=k|x|和y=ax2函數分布的兩種函數型轉子結構。通過引入轉子調制函數的波形改善，有效抑制了氣隙磁密中的高次諧波分量，從而在不顯著降低平均轉矩的前提下，大幅降低了電機的齒槽轉矩和轉矩脈動。

本文的研究為SPM-FS電機的齒槽轉矩抑制提供了一種結構簡單、易于工程實現的轉子側優化方案。通過揭示函數型轉子對磁場調制機理的影響，闡明了齒槽轉矩和轉矩脈動的抑制機理，為低轉矩脈動永磁電機的設計提供了理論依據。

論文方法及創新點

創新點：

1、提出兩種函數型轉子結構來抑制SPM-FS電機的齒槽轉矩

提出將轉子齒頂外輪廓線設計為符合y=k|x|和y=ax2函數分布的新型轉子結構，通過轉子齒形函數的數學化描述，為SPM-FS電機的齒槽轉矩抑制提供了新的設計維度。

圖1 12槽/10極SPM-FS電機結構及函數型轉子示意圖

2、通過氣隙磁場調制理論揭示函數型轉子結構齒槽轉矩抑制機理

基于氣隙磁場調制理論，發現y=k|x|型轉子通過54次和66次幅值較大的諧波相互抵消來降低齒槽轉矩，而y=ax2型轉子則通過直接抑制高次諧波分量來實現齒槽轉矩抑制，兩種機制不同但均效果顯著。

圖2 不同轉子結構的轉子調制函數

圖3 齒槽轉矩諧波分析

論文方法：

1、磁場調制理論分析

采用氣隙磁場調制理論，將SPM-FS電機的永磁體、定/轉子鐵心、電樞繞組分別等效為勵磁源、調制器和濾波器，建立了空載氣隙磁密表達式，分析了轉子調制函數對氣隙磁密諧波的影響。

圖4 SPM-FS電機氣隙磁場調制機理

2、參數化掃描優化

采用有限元法對函數型轉子的關鍵參數k和a進行單參數掃描分析，確定使齒槽轉矩和轉矩脈動最優的參數取值，并考察齒寬對參數選取的影響，以獲取k和a參數的選取依據。

圖5 y=k|x|型轉子電機不同齒寬下性能隨參數k變化

3、多維性能對比分析

基于二維有限元法，從反電勢（波形、諧波、THD）、齒槽轉矩、轉矩特性（平均值、脈動、轉矩電流特性）、損耗特性（空載/負載、隨轉速/電流變化）等多個維度，對原始轉子、y=k|x|型轉子、y=ax2型轉子三種結構進行系統性對比評估。

圖6 齒槽轉矩對比分析

圖7 轉矩對比分析

4、實驗驗證

加工兩種函數型轉子樣機，搭建齒槽轉矩測試平臺和反電勢、轉矩測試平臺，通過實驗測試驗證了理論分析和有限元仿真的正確性，證實了函數型轉子齒槽轉矩抑制的有效性。

圖8 函數型SPM-FS電機樣機結構及測試平臺

圖9 齒槽轉矩測試結果

結論

本文針對原始轉子、y=k|x|型轉子和y=ax2型轉子SPM-FS電機開展了磁場調制機理分析。說明了SPM-FS電機平均轉矩主要由調制系數i=1、3和j=1（|iPpm±jPr|）組合調制出的低次諧波貢獻，而齒槽轉矩和轉矩脈動主要由氣隙磁密高次諧波貢獻。揭示了兩種函數型轉子齒槽轉矩及轉矩脈動抑制機理。

其中，y=k|x|型轉子電機在有效抑制其它次齒槽轉矩諧波的同時，54次和66次幅值較大的諧波可相互抵消，而y=ax2型轉子電機則有效抑制了高次諧波分量。基于二維有限元法對比分析了三種轉子結構SPM-FS電機的反電勢、轉矩、損耗等性能。

結果表明了y=ax2型轉子SPM-FS電機在額定空載反電勢基波和額定平均轉矩降低較小，且具有最小的空載反電勢THD、齒槽轉矩和轉矩脈動，而y=k|x|型轉子的損耗最小。通過樣機加工及測試，驗證了有限元分析的正確性和函數型轉子齒槽轉矩抑制的有效性。分析結果可為函數型轉子SPM-FS的設計、選型和應用提供參考。

團隊介紹

花為

東南大學電氣工程學院院長、電動載運技術教育部工程研究中心主任、東南大學首席教授、江蘇省特聘教授、博士生導師、IEEE Senior Member，先后入選中組部WR計劃科技創新領軍人才（2019年）、國家杰青（2018年）、科技部中青年科技創新領軍人才（2018年）、教育部青年CJ學者（2017年）、國家優青（2013）等人才計劃。2001年獲得東南大學學士學位（電氣工程及其自動化）、2007年獲得東南大學工學博士學位（電機與電器），2004.9-2005.8英國謝菲爾德大學聯合培養，2018.10-2018.11赴澳大利亞悉尼工業大學交流訪問。先后發表學術論文300余篇，其中SCI論文260余篇；出版專著2本；授權中國發明專利80余件。主持國家杰出青年科學基金、國家重點研發計劃項目（首席科學家）、國家自然科學基金重點項目、基礎加強 173課題、江蘇省重大成果轉化項目等科研項目30余項。獲國家技術發明二等獎、教育部自然科學一等獎（兩項）、永守賞、江蘇省科學技術一等獎、中國機械工業科學技術一等獎、中國電工技術科學技術一等獎、中國專利優秀獎等。

張天翔

在讀博士研究生，研究方向為永磁電機本體設計與優化。

本工作成果發表在2026年第4期《電工技術學報》，論文標題為“低齒槽轉矩函數型轉子磁通切換電機機理與性能分析“。本課題得到國家自然科學基金重點項目和東南大學南通海洋高等研究院重點項目資助。

引用本文

張天翔, 張志恒, 花為, 王培欣, 吳中澤. 低齒槽轉矩函數型轉子磁通切換電機機理與性能分析[J]. 電工技術學報, 2026, 41(4): 1114-1126. Zhang Tianxiang, Zhang Zhiheng, Hua Wei, Wang Peixin, Wu Zhongze. Mechanism and Performances Analysis of Functional-Rotor Flux-Switching Machines with Low Cogging Torque. Transactions of China Electrotechnical Society, 2026, 41(4): 1114-1126.

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