谐波磁场打破传统电机磁路设计桎梏

电机作为机电能量转换装置，其性能体现在“电”与“机械”两个方面。机械端口的主要指标是平均转矩与转矩波动，而电端口的主要指标为电压、电流、功率因数、电压畸变程度等。根据电机学理论，电机的电压与电流可以通过线匝数调节，因此其内在的性能仅为功率因数与电压畸变程度两项。由于电压畸变程度主要在转矩波动中体现，所以谐波磁场电机的主要两项性能指标为平均转矩和转矩波动。

谐波磁场电机的主要两项性能指标为平均转矩和转矩波动

各类磁场调制电机的工作原理可统一表述为：励磁单元对应的励磁磁动势谐波经调制单元对应的气隙磁导谐波调制，产生与电枢单元对应的电枢磁动势谐波极对数、旋转速度和旋转方向均相同的励磁磁密谐波，即励磁磁密工作谐波，该励磁磁密工作谐波与电枢绕组交链，进而贡献平均转矩。在各类无刷磁场调制电机中，游标永磁电机及轴向磁通永磁电机拥有最大的平均转矩，达到 2pu 以上。

各类无刷磁场调制电机性能对比

转矩波动是电机的关键指标之一，关乎电机转速稳定性、定位精度、动态控制性能等。转矩波动主要由励磁转矩波动、齿槽转矩波动和磁阻转矩波动构成。

励磁转矩波动可直接借助空载反电势计算，转矩波动指标（torque ripple index，TRI）可用于快速比较不同极比游标永磁电机的转矩波动，其物理意义为反电势谐波与基波的比值，TRI 越小转矩波动越小。以游标永磁电机为例，其同时空载反电势基波中包含两个主要成分，但谐波反电势只有一个主要成分，因此其 TRI 值必然显著低于常规永磁电机。随着极比增加，基波反电势中的调制分量占比提升，使得 TRI 值随极比升高而下降，励磁转矩波动减小。

不同极比的游标永磁电机转矩波动指标(TRI)对比

Torque）是无供电的永磁电动机由于其转子和定子有自行调整至磁阻最小位置的趋势而产生的周期性转矩。齿槽转矩是永磁电机固然存在的非理想转矩，它是转矩脉动的一部分，并会引起电机的非必要振动、噪声等问题。齿槽转矩在一个自身转矩周期内正负对称分布，故净合成值为零，因此它难以被利用，在工程与研究上总是想办法将其削弱。

谐波磁场的磁路设计可以大幅改善传统永磁电机齿槽转矩脉动过大的问题。以 8 极 24 槽的永磁电机为例，由于其整数槽集中绕组结构，转子磁动势的 5 次和 7 次谐波参与齿槽转矩产生，因此有较大的齿槽转矩，初始设计方案的齿槽转矩达到最大值 2.17Nm。通过谐波磁场磁路优化设计，仿真结果显示其齿槽转矩可有效减少约 89.5%。

优化前后电机结构与齿槽转矩对比

 

新型的磁场调制电机具有独特的调制单元，永磁体和电枢磁场经过调制在气隙中产生大量谐波磁场，导致电机的损耗进一步增加。因此，如何合理利用谐波能量，并将谐波能量转化为与基波能量类似的电机有效输出能，是谐波磁场研究的关键，相关研究已逐渐拥有产业化落地趋势。
 

东南大学程明老师团队与南京某公司在伺服电机领域开展产学研合作，利用磁场调制电机高转矩密度的特点适合于低速大转矩应用，开发了直驱式锻压伺服电机。该应用场合需要电机具有高转矩密度、低转矩脉动，从而保证锻压装置连续稳定恒速运行，保障锻压质量。

 

该方案采用定子 18 槽、转子 56 极（Ps=8、Pr=28）磁场调制永磁电机，定子采用裂齿结构。在电机最大转矩、永磁体用量相同的条件下，与该公司原有设计方案的传统永磁电机关键指标对比，不含机壳的电机有效体积减小 25%，以有效体积计算的电机转矩密度提高了 34%，转矩脉动仅为 0.35%，还不会降低效率，验证了设计方法的有效性。

左图：谐波磁场工业应用:直驱式锻压伺服电机       右图：电机主要性能对比

 

同时，国内龙头电机公司已拥有一系列基于调制磁场电机原理的谐波磁场设计专利，通过磁路设计实现功率密度跃迁。

 

其调制磁场电机的原理为：

◽无论作为 BLDC 控制或 PMSM 控制，电机转子转动的必要条件是定子绕组在电机气隙中产生的磁场极对数与转子磁体极对数相等；

◽定子绕组通电后，在电机气隙中产生基波磁动势, 在定子齿槽磁导的作用下，沿气隙空间分布一系列的调制磁场；

◽当特定的气隙谐波磁场的极对数等于转子磁体极对数 Pr 时，则会输出稳定的电磁力矩。

磁场调制过程示意图

基本上气隙磁场幅值与气隙值成反比，故减少电机定子和转子间的气隙值对功率体积密度提升效果明显。但由于齿槽力矩幅值与气隙磁场幅值的平方成正比，故缩小电机气隙值会使得电机齿槽力矩脉动显著增加，导致电机振动噪音也显著增加在维持固定的电机气隙值条件下，理论研究表明，降低电机齿槽力矩脉动的有效方法是增大电机齿槽力矩波动周期数，其中，波动周期数等于定子槽数和转子磁体极数的最小公倍数。

基于谐波磁场设计的调制磁场电机在定子槽数相同的情况下，调制磁场电机与传统永磁电机相比，调制磁场电机的齿槽力矩波动周期数增加趋势明显，因此，其能大大降低电机齿槽力矩脉动幅值，从而提升永磁电机功率体积密度。

调制磁场电机和传统电机在相同定子槽数条件下的波动周期数对比
 

谐波磁场电机高功率密度优异性能有望广泛应用在人形机器人关节及灵巧手部件。谐波磁场电机实现在输出功率相同的条件下, 调制磁场电机体积减少了一倍以上，即调制磁场电机重量也减少一倍以上。目前人形机器人电机问题集中在功率密度达不到要求，谐波磁场电机的磁路设计方案有望解决该痛点。同时，高功密带来的另一优势便是体积和重量的减小，完美适应人形机器人轻量化发展趋势，未来谐波磁场电机渗透率有望持续提升。

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