表贴式双凸极永磁电机优化设计与电磁性能分析

[殷佳宁]

[江苏大学电气信息工程学院，212013]

[ 摘 要 ] 虽然双凸极永磁(double-salient permanent-magnet，DSPM)电机具有高效率高功率密度的优

点，但是其永磁体漏磁严重，从而导致永磁体利用率偏低。在稀土资源价格日益上涨、剩余量

逐渐减少的情况下，如何提高电机永磁体利用率显得尤为重要。为了提高电机永磁体利用率，

本文提出了一种新型12槽10极表贴式双凸极永磁(Surface-mounted double-salient

permanent-magnet，SM-DSPM)电机，并对此电机结构进行优化设计。在确定电机结构尺寸

的基础上，通过有限元分析软件对电机的磁通密度、气隙磁密、空载反电势以及输出转矩进行

了分析，并与传统的12槽8极DSPM电机进行比较。对比结果表明，12槽10极SM-DSPM

电机拥有更高正弦度的反电势和更小的转矩脉动，并且SM-DSPM电机永磁体用量更少，拥

有永磁体利用率更高的优点。可以预见，该电机在工业制造、电动汽车等领域有着很好的应用

前景。

[ 关键词 ] 双凸极电机，永磁电机，表贴式，永磁体利用率

Optimal Design and Electromagnetic Performance Analysis

of Surface-mounted Double-salient Permanent magnet

Motor

[Yin Jianing ]

[School of Electrical and Information Engineering, Jiangsu University, 212013]

[ Abstract ] Double-salient permanent-magnet (DSPM) motor has the advantages of high efficiency,

high power density, but its permanent magnet flux leakage is serious, which results in the

low utilization of permanent magnet. As the rare earth resources dwindle, it is significant to

improve the utilization of the permanent magnet in the motor. In order to improve the

utilization of the permanent magnet, a new 12-slot 10-pole Surface-mounted double-salient

permanent-magnet (SM-DSPM) motor is proposed in this paper. In the paper, the structure

design of the motor is optimized. After determining the structure size of the motor,

electromagnetic performance such as magnetic flux density, air-gap flux density, back EMF,

and the output torque were analyzed based on the finite element analysis software. And it is

compared with the traditional 12-slot 8-pole DSPM motor. According to the comparative

results, it is shown that the SM-DSPM motor has a higher-sinusoidal back EMF, less usage

of the permanent magnet, smaller torque ripple, higher utilization of the permanent magnets,

which indicates that the SM-DSPM motor will have a good application in industrial

manufacturing and electric vehicles field.

[ Keyword ] Doubly salient motor, permanent magnet motor, surface-mounted, utilization of permanent

magnet

1 前言

近年来，由于稀土价格飙升直接导致稀土永磁材料钕铁硼价格飞速上涨，短短几年涨

幅高达5倍之多，这就导致了永磁电机制造成本大幅上升，阻碍了永磁电机在电动汽车、

工业制造领域的推广应用。此外，稀土作为一种不可再生的战略资源，在其剩余量日益减

少的情况下，稀土永磁材料供应的稳定性令人担忧。因此，如何在保证电机电磁性能的情

况下，减小稀土永磁材料的用量，降低电机制造成本，已成为近年来研究的热点。目前在

该方向的研究大多集中在采用非稀土永磁材料代替稀土永磁材料，或者是开发不含稀土元

素的新型永磁材料，而对通过提高永磁体利用率来减小永磁体用量的研究比较少见。

通过配合使用非稀土永磁材料比如铁氧体的确可以减少稀土永磁材料的用量，甚至不

使用稀土永磁材料，但是铁氧体性能远不如稀土永磁材料，电机的性能势必会有所降低。

为此，本文提出了一种12槽10极表贴式双凸极永磁(SM-DSPM)电机。与传统12槽8极双

凸极永磁(DSPM)电机相比，该电机依然使用稀土永磁材料，但通过改变永磁体位置和转子

极数，提高了永磁材料的利用率，从而减小稀土永磁材料的用量。此外，通过改变该电机

绕组排列方式，使该电机具有更高正弦度的反电势波形，适合无刷交流运行。

本文首先介绍了SM-DSPM电机的几何结构及工作原理，并对电机结构进行优化设计；

然后分析了其静态电磁特性(包括磁通密度，气隙磁密，空载反电势，输出转矩)；接着重点

对SM-DSPM电机和传统DSPM电机的永磁体利用率进行分析。分析结果表明，该电机具

有更高正弦度的反电势波形，更小的转矩脉动和更高的永磁体利用率的优点。

2 电机设计

2.1 电机拓扑结构

本文提出的12槽10极SM-DSPM电机的结构截面图和装配图如图1所示，而传统12

槽8极DSPM电机截面图如图2所示。SM-DSPM电机与传统DSPM电机的定转子均为凸

极结构，但两者定转子极数配比不同。并且本文提出的SM-DSPM电机的永磁体覆盖于定

子齿表面，充磁方向为径向充磁。而传统的DSPM电机的永磁体位于定子轭部，充磁方向

为切向充磁。此外，两个电机的绕组连接方式也有所差异。本文SM-DSPM电机12个绕组

正方向(右手定则)一致指向圆心或者背离圆心；而传统DSPM电机12个绕组以永磁体为界

分为4组，每组绕组的正方向相同，并与相邻组的正方向相反。

永磁体定子

转子绕组

(a)电机结构截面图 (b)电机装配图

图1本文提出的SM-DSPM电机 永磁体定子

转子绕组

图2 传统12槽8极DSPM电机截面图

2.2 工作原理

本文提出的SM-DSPM电机的基本工作原理为：当转子位置如图3a所示时，A1绕组

的定子齿和转子极正对，此时气隙磁阻最小，穿过A1绕组的磁链达到负最大值；而在A2

绕组的定子齿和转子极错开，气隙磁阻达到最大值，穿过A2绕组的磁链达到正最小值；

A3绕组磁链与A1绕组相同，A4绕组磁链与A2绕组相同，则A相总磁链达到负最大值。

当转子转动1/4电周期即图3b所示位置时，A1绕组的定子与转子正对面积和A2绕组的定

子与转子正对面积相同，两处气隙磁阻相等，穿过A1绕组的磁链与穿过A2绕组的磁链大

小相等，极性相反，此时A相总磁链为零。同理，当转子再转动1/4电周期即图3c所示位

置时，穿过A1绕组的磁链达到负最小值，穿过A2绕组的磁链达到正最大值，A相总磁链

达到正最大值；当转子再转动1/4电周期即图3d所示位置时，穿过A1绕组的磁链和穿过

A2绕组的磁链大小相等，极性相反，A相总磁链为零。接着转子再转动1/4电周期又回到

图3a所示位置，如此不断循环，在绕组中产生双极性的磁链。A相磁链与转子位置的关系

如图4所示。

(a) (b) (c) (d)

图3 电机的四个典型转子位置

图4 A相磁链与转子位置关系

2.3 优化设计

在确定电机拓扑结构以后，对电机进行参数化建模，模型具体参数参见图5。为了方

便后续比较分析，此处将电机定子外径R1、定子内径R2、转子外径R3和转子内径R4设

为固定参数(其中R1=66mm，R2=35.2mm，R3=34.9mm，R4=12mm)，而将其他参数设为变

量，具体变量及其约束条件参见表2。

图5 电机几何参数化模型

转子位置 绕组A1 绕组A2 A相绕组

a 负最大 正最小 负最大

b 负 正 零

c 负最小 正最大 正最大

d 负 正 零

表2 各变量及其约束条件 变量名 变量含义 约束条件

mag_d 永磁体厚度mag_d 0.8-2mm

rotor 转子极宽度2*rotor 5-9deg

rotor_y 转子极底部宽度2*rotor_y 8-11deg

yoke_r 转子轭半径yoke_r 22-25mm

tooth 定子齿宽度2*(mag+tooth) 0-2deg

mag 永磁体宽度2*mag 5-11deg

在给出各变量及其约束条件后，进一步对各变量进行敏感度分析。敏感度分析结果如图

6所示，从图中可以发现，各参数对输出转矩平均值的影响大小依次为永磁体宽度mag >转子

极宽度rotor >定子与定磁体宽度之差mag_d >定子齿宽度tooth >转子轭半径yoke_r >转子极

底部宽度rotor_y，而各参数对输出转矩脉动的影响大小依次为定子齿宽度tooth >转子极宽度

rotor >永磁体宽度mag >转子极底部宽度rotor_y >转子轭半径yoke_r >定子与定磁体宽度之差

mag_d，所以在电机优化过程中应先优化影响较大的变量。通过多参数优化得到电机参数优化

结果参见表3。

图6 电机参数敏感度分析

表3 各变量优化结果

变量名 约束条件 最优值

mag_d 0.8-2 mm 1.5 mm

rotor 5-9 deg 6 deg

rotor_y 8-11 deg 10 deg

yoke_r 22-25 mm 24 mm

tooth 0-2 deg 0 deg

mag 5-11 deg 10 deg