1、2023 年3 月 电 工 技 术 学 报 Vol.38 No.6 第 38 卷第 6 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Mar.2023 DOI:10.19595/ki.1000-6753.tces.221096 高转矩性能多相组永磁电机及其关键技术综述 孙玉华 赵文祥 吉敬华 曾 煜 凌志健（江苏大学电气信息工程学院 镇江 212013）摘要 多相组永磁电机具有转矩密度高、转矩脉动小、容错能力强的优点，在航空航天、舰船推进等高转矩性能应用场合得到广泛的关注。首先，该文探讨多相组永磁电机的绕组拓扑特点，分析其转矩性能提升机理，归
2、纳转矩性能最优的相移角设计规律。其次，总结了近年来国内外学者在多相组永磁电机领域已开展的工作，重点围绕槽极配比、拓扑结构、相组间联结方式等关键技术进行介绍。然后，基于电流谐波注入和永磁体谐波注削技术，进一步阐述了提高多相组永磁电机转矩性能的方法。针对多相组永磁电机高可靠设计技术，从短路电流抑制、相间独立性提高、绕组余度提升的层面进行了整理和归纳。最后，对高转矩性能多相组永磁电机进行总结与展望。关键词：永磁电机 多相组结构 转矩性能 相移角 可靠性 中图分类号：TM351 0 引言 随着工业 4.0 十大优势产业的布局与发展，特别是航空航天、舰船推进等重点产业的应用需求，对电机的转矩性能提出了更
3、高要求1。高转矩密度有助于提升装备的运载能力，而低转矩脉动则可以提高装备的定位精度和运行平顺性。因此，实现电机高转矩密度和低转矩脉动的协同设计，提升转矩性能，已成为永磁（Permanent Magnet,PM）电机领域的研究热点2。目前，国内外众多学者对永磁电机转矩脉动的抑制方法进行了较多的研究。其中，定子斜槽3、转子斜极4、永磁体偏心5和不对称磁极6等方法在工业电机领域被广泛应用。此外，对槽极配比和定子槽型尺寸进行优化也是较为典型的技术手段7。然而，这些方法旨在通过调整电机定/转子拓扑结构来抑制转矩脉动，不仅会导致电机加工困难，而且不可避免地会降低转矩密度。高性能磁性材料的发展是电机转矩性能
4、提升的重要基础8，如第四代永磁材料稀土铁氮、稀土铁碳，高饱和磁感的钴铁合金等。然而，其主要效能在于转矩密度的提高，难以兼顾电机转矩脉动抑制。与传统三相电机系统相比，多相电机具有转矩密度高、转矩脉动小和容错能力强等诸多优点，满足电机的高端应用需求9。双三相永磁电机是多相电机和永磁电机交叉融合的产物10，其定子绕组由两套独立的三相绕组组成，通过优化两套绕组间的相移角，不仅可以提高电机平均转矩，而且可以最大程度地抑制转矩脉动11。随着电力电子技术的进步与发展，以三-三相12、四-三相13、五-三相14等为代表的多相组永磁电机及其控制系统在电力推进大功率驱动场合得到广泛的关注。其不仅可以有效提升电机正
5、常运行时的转矩性能，而且改善了故障后电机转矩输出能力，显现了重要的研究意义与实用价值12-14。本文回顾并总结了近年来国内外学者在高转矩性能多相组永磁电机方面的研究。首先，分类探讨了多相组永磁电机的绕组结构和转矩性能提升机理，总结了具有普适性的最优转矩相移角设计方法，探究了多相组结构的应用范围；其次，结合国内外研究现状，对典型的多相组永磁电机槽极配比及其相移角进行了阐述，并介绍了进一步提升多相组永磁电机转矩性能的关键技术；然后，从短路电流、相间独立性、绕组余度的角度概述了多相组永磁电机可靠性增长方法；最后，对高转矩性能多相组永磁电机及发展趋势进行总结与展望。国家杰出青年科学基金（5202507
6、3）和江苏省研究生科研创新计划（KYCX21-3358）资助项目。收稿日期 2022-06-12 改稿日期 2022-07-04 1404 电 工 技 术 学 报 2023 年 3 月 1 结构特点及工作原理 1.1 绕组拓扑结构 多相组永磁电机绕组结构如图 1 所示。图 1a为多相组永磁电机的绕组拓扑结构，其中每 m 相（A1、B1、M1，m3）为一组绕组单元，电机具有 k（k2）组互差相移角s的单元结构。具体地，以图 1b 所示的双 m 相绕组结构为例阐述，其相移角s与电机的槽极配比有关，可以表示为 s0s0122Zmhmk=（1）式中，Z0为单元电机的槽数；k1为常数，其值取决于永磁电机
7、的槽极配比；0为单元电机的槽距角；h 为槽距数，具体可以写成 01110,1,2,220,CD22Zk hmhk hk h=偶数奇数 式中，CD 为公约数。优化绕组单元间的相移角s是实现多相组电机转矩性能提升的关键。（a）多相组结构 （b）双 m 相结构（k=2）图 1 多相组永磁电机绕组结构 Fig.1 Winding configuration of multi-star multi-phase PM machine 多相组永磁电机各绕组单元具有多种联结方式。以双 m 相绕组结构为例，其相组间的联结方式包括星-星（YY）、星-三角（YD）联结等15，如图2 所示。对于 YY 联结来说，各相
8、绕组的匝数及电流幅值保持相同，而 YD 联结存在不对称性，即 DYYD2sin2sinNNmIIm=（2）式中，IY和DI分别为星形绕组和三角形绕组的电流幅值；NY和DN分别星形绕组和三角形绕组的线圈匝数。（a）YY 联结 （b）YD 联结 图 2 相组间的联结方式 Fig.2 Connection type between the winding sets 1.2 转矩提升机理 永磁电机的转矩表达式可以写成 outcogpmr()()()()TtTtTtT t=+（3）式中，Tout为永磁电机的输出转矩；Tcog、Tpm和 Tr分别为永磁电机的齿槽转矩、永磁转矩和磁阻转矩。基于冻结磁导率法1
9、6，将永磁电机的各转矩成分进行分离，永磁电机转矩性能分析方法如图 3 所示。Hpm、Ha和 Hcom分别为永磁磁场、电枢磁场和合成磁场的磁场强度，Bpm、Ba和 Bcom分别为上述磁场的磁通密度，pm、a和com分别为对应磁场下的磁导率。电机各转矩成分可以表示17为()2efcogrpm_tpm_10112efpmrpm_ta_2tpm_ta_30112efrra_ta_4011coscoscoscosvnvnvnvnvnvnvnR LTBBR LTBBBBR LTBB=+=（4）式中，0为真空磁导率；R 为气隙半径；Lef为电机的有效轴长；v 为气隙磁场的谐波阶次（v=p 为基波磁场，p 为
10、极对数）；Brpm和 Btpm分别为永磁磁场的径向和切向分量；Bra和 Bta分别为电枢磁场的径向和切向分量；14为对应阶次谐波的相位差。永磁电机的绕组结构不会影响永磁磁场的分布特性，因此 Brpm_v、Btpm_v和1保持不变。但是，不同绕组结构通过影响绕组系数，进而使得电枢磁场含量 Bra_v、Bta_v不同，同时磁场间的相位差2、3和4也存在差异。基于以上分析可知，多相组结构不会影响电机的齿槽转矩，其对永磁电机转矩性能的提升主要体现在永磁转矩和磁阻转矩方面18-19。第 38 卷第 6 期 孙玉华等 高转矩性能多相组永磁电机及其关键技术综述 1405 图 3 永磁电机转矩性能分析方法 F
11、ig.3 Torque performance analysis method of PM machines 根据式（4）可知，在确定的电机尺寸下，永磁磁场基波 Brpm_p、Btpm_p的含量相同，采用高基波绕组因数的绕组结构，可以提高电枢磁场基波 Bra_p、Bta_p的含量11，从而提升永磁转矩和磁阻转矩的平均值。进一步地，通过优化选取电机的槽极配比，可以有效地抑制齿槽转矩7，因此多相组永磁电机总转矩可以看作各绕组单元产生永磁转矩和磁阻转矩的叠加，即 out02s2110s11()cos(2)2(1)cos()(1)kmlmlljkmlmlljTtkmTmTmltml jmkmTmTml
12、tml jm=+=+=奇数偶数（5）式中，为电角速度；t 为时间；l 为正整数；j 为多相绕组的组序；T0为各绕组单元产生的平均转矩；T2ml和2ml分别为 2ml 次转矩谐波的幅值和相位。（1）当 m 为奇数时，式（5）中的转矩脉动成分可以展开为()()ss2s21122212s2ss12cos(2)2(1)cos(2)e1cos(2)(1)sinsine1kmlmllji mlmlmllmlmlli mlmTmltml jmkTmltmltkmlmTmlkml=+=+=+（6）明显地，多相组永磁电机相移角对转矩脉动具有重要的影响。当含量最高的转矩谐波通过绕组单元间的相位补偿实现消除后，即
13、sin(mlks)=0，电机可以获得最小的转矩脉动。为描述方便，定义转矩脉动最小时的相移角为rip。对式（6）分析可知，l=1 表示最低阶次的转矩谐波，其含量最高。为实现 T2m次转矩谐波的消除，rip取值分两种情况：当绕组单元数 k 为偶数时，rip=/(mk)；当绕组单元数 k 为奇数时，rip=/(mk)或者rip=2/(mk)。电机的转矩性能包括两个方面：低转矩脉动和高转矩密度。基于上述分析可知，当多相组永磁电机相移角s=rip时，电机可以获得最小的转矩脉动。高转矩密度的关键在于基波绕组因数的提升，为描述方便，定义平均转矩最大时的相移角为avg。图 4以双三相和三-三相绕组结构为例，描
14、述了多相组永磁电机的等效基波槽矢量星形图。相同的槽极配比，不同相移结构下短距系数相等11，因此为获得最大的绕组系数，其槽矢量在基波空间下应集中分布。以基波绕组系数最大为约束，第一套绕组（A1、B1、C1）的槽矢量空间分布已在图 4 中用阴影标出，图中，SA1+、SB1+、SC1+为各相正相带的分布区域，SA1、SB1、SC1为各相负相带的分布区域。当绕组单元数k 为偶数时，相邻绕组单元对应相之间的相移角为/(mk)，即avg=/(mk)；当绕组单元数 k 为奇数时，相邻绕组单元对应相之间的相移角存在两种情况，即avg=/(mk)或者avg=2/(mk)。（2）当 m 为偶数时，采用相同的分析方
15、法，可以推导得到：当满足 sin(mlks/2)=0 时，电机的转矩脉动最小。此时，多相组结构的转矩脉动最小相移角rip=2/(mk)。同时，以基波绕组系数最大为约束，平均转矩最大相移角avg也等于 2/(mk)。根据上述分析可知，多相组结构在提高永磁电机转矩密度和抑制转矩脉动方面具有一致性。因此，定义转矩性能最优相移角为op，且op=rip=avg。采用上述相移结构，不仅消除了含量最高的转矩谐波，实现了转矩脉动的有效抑制；而且获得了最大的基波绕组因数，提高了电机的平均转矩11-19。1406 电 工 技 术 学 报 2023 年 3 月 （a）双三相绕组（m=3,k=2）（b）三-三相绕组（
16、m=3,k=3）图 4 多相组永磁电机等效基波槽矢量星形图 Fig.4 Equivalent fundamental slot electric potential star diagram for multi-star multi-phase PM machine 进一步地，表 1 总结了不同情况下的多相组永磁电机转矩性能最优相移角op45。在转矩性能最优约束下，根据各相绕组的相位关系，可以分为对称多相组永磁电机和不对称多相组永磁电机，如图 5所示。当相数 m 为偶数时，其各相绕组在空间上对称分布，电机实际上采用的是常规 mk 相绕组结构，表 1 多相组永磁电机转矩性能最优相移角 Tab.1 Phase shifts of optimal torque performance for multi-star multi-phase PM machines 单相组下电机相数 m 相组数 k 3 4 5 6 7 2/6/4/10/6/14 3/9,2/9/6/15,2/15/9/21,2/214/12/8/20/12/28 5/15,2/15/10/25,2/25/15/35,2/356/