1 轉矩脈動

對于電機的輸出轉矩，要求其有較高的轉矩密度，還要減小轉矩脈動使電機運行平穩。特別是對于低速大轉矩永磁直驅電機，即使脈動與額定轉矩的比值較小，由于其轉速低時輸出轉矩的數值較大，實際轉矩脈動的幅值很大，電機運行過程中可能有明顯的頓挫感，引起嚴重的振動和噪聲。

一方面影響直驅傳動系統的控制精度；另一方面較大的脈動可能使電機轉軸發生剛性疲勞，造成氣隙偏心等故障，縮短傳動系統的使用壽命。對用于發電設備的低速大轉矩永磁直驅電機而言，轉矩脈動水平直接決定發出電能的質量，是主要性能指標。

低速大轉矩永磁直驅電機通常極槽數較多，并且有時額定頻率較低，氣隙磁場畸變嚴重。另外對于電動機，低頻時變頻控制器的輸出諧波分量增加，電機反電動勢和電樞電流的畸變更為嚴重，導致紋波轉矩增大。

文獻[68]基于轉速僅為50r/min的低速大轉矩永磁直驅發電機，研究112極120槽、116極120槽、118極120槽和80極120槽四種超高極數、槽數配合下電機的磁拉力和振動情況。根據分析結果說明了如何選擇極槽配合，使電磁振動和轉矩脈動都在較低水平。該研究對超低速永磁直驅電機的實現有指導意義。

2 氣隙偏心及機械強度的研究

徑向磁通低速大轉矩直驅電機的外徑尺寸和質量通常較大，容易引起氣隙偏心故障。諸自強教授等針對永磁電機氣隙偏心對不平衡磁拉力及齒槽轉矩的影響作了相關研究。不平衡磁拉力是指電機不對稱的磁路或電路使得氣隙磁密圓周分布不對稱，因而在定轉子間所產生的徑向電磁力，磁拉力和齒槽轉矩會引起電機的振動和噪聲，加劇電機轉軸的磨損，轉軸磨損使氣隙偏心惡化。

低速大轉矩永磁同步電機體積較大，電機內徑通常也較大，沖片有效利用率不高，為降低電機質量減小轉動慣量，實際生產中常常采用輪輻式轉軸如圖9所示。輪輻式磁路結構能夠提高永磁體利用率，使氣隙中產生更高的磁通密度，越來越多的應用于永磁盤式電機。聚磁式結構提高了橫向磁通電機的永磁體利用率，但存在機械強度較差的不足。

圖9 輪輻式電機轉軸

低速大轉矩直驅電機的輸出轉矩較大，分析電機結構的機械強度和轉軸應力分布，檢驗其抗疲勞能力對保障電機的運行可靠性具有重要的意義。

文獻[72]中研究了電機轉軸靜態和動態條件下的受力情況，基于有限元法提出一種新型計算方法，用于校核轉軸機械應力、撓度和安全系數。文獻[73]中分析了輻條式轉軸的軸向撓性振動特性并構建了對應的數學模型。輪輻式結構的薄弱點是輔板與軸體曲面的焊縫，其受到較大作用力，可能出現應力集中導致裂縫甚至軸斷裂。以工程力學理論為基礎結合焊接學相關理論，運用有限元法計算應力分布找到應力集中點，探究緩解焊縫應力集中的方法，能夠提高輪輻式結構的可靠性。

文獻[76]在不同負載條件下，分析了聚磁式橫向磁通電機的轉子鐵心上的應力分布，校驗了機械強度和結構剛度，為橫向磁通電機可靠性的設計和優化提供了依據。

3 溫度場分析及散熱的研究

溫升是永磁電機的主要性能指標，溫升過高可能使繞組絕緣老化發生相間短路的嚴重故障，永磁體過熱會導致退磁使電機的輸出功率大大降低。溫升關系到電機能否長期可靠運行，對于低速大轉矩永磁電機溫升計算更為必要：一方面其轉速較低自扇冷卻的效果變差；另一方面其功率密度低熱負荷小可能僅需自冷卻。因此分析其內部溫度場分布情況確定局部過熱點，對電機冷卻方式的選擇和設計有重要指導作用。許多國內外學者致力于電機溫升的算法改進，構建更加準確的三維溫度場模型，探索改善散熱條件的新方法。

文獻[81]以一臺160kW 90r/min的低速大轉矩永磁電機為研究對象，提出一種轉子端部加裝散熱風刺與轉子開設通風道的轉子散熱方法。以對流換熱理論為基礎通過流固耦合算法，探究了不同尺寸散熱風刺和不同位置、數量、尺寸的徑向通風道對空氣流動的增強作用，分析轉子永磁體的散熱效果并計算溫升，通過樣機試驗驗證了散熱方法的有效性和溫升計算的準確性。

準確的熱路分析是估算橫向磁通電機最大輸出功率的關鍵。David A. Howey針對橫向磁通電機直流通風構建幾何模型，研究定子對流換熱，與三維計算流體動力學結果對比，該模型對電機定子熱傳導效果作保守估計，在此基礎上給出多種提高冷卻效果的方案。

（摘編自《電工技術學報》，原文標題為“低速大轉矩永磁直驅電機研究綜述與展望”，作者為鮑曉華、劉佶煒等。）低速大轉矩永磁直驅電機研究綜述與展望