结合转子间隙与三维磁路模型的创新型交叠式交替极IPMSM：实现永磁体减量与性能提升

《IEEE Access》：A Novel Intersect Consequent Pole IPMSM Incorporating Rotor Gap and 3-D MEC for Magnet Reduction and Performance Improvement

本文针对传统交替极永磁同步电机(CP-PMSM)存在的磁路不对称、反电动势畸变和转矩脉动大等问题，提出了一种交叠式交替极(ICP)转子结构。研究人员通过引入轴向对称磁极布置、优化转子间隙设计并建立三维磁等效电路(MEC)模型，在保证输出性能的同时实现了永磁体用量减少31.8%、齿槽转矩降低51.3%、转矩脉动降低3.41%的显著效果，为高性价比永磁电机设计提供了新方案。

　　

在全球电气化进程加速的背景下，电机作为能耗大户消耗着约35-40%的全球电能，其效率提升对节能减排具有重要意义。稀土永磁材料虽能实现电机的高功率密度和优异性能，却面临价格高昂和供应链集中的双重压力。特别是在电动汽车、机器人等高端应用领域，开发磁材节约型电机拓扑结构已成为行业迫切需求。

传统交替极(Consequent Pole, CP)技术通过仅在每个极对的一侧布置永磁体、另一侧采用铁极的方式，可显著减少磁体用量。然而这种结构固有的磁路不对称性会导致反电动势(back-EMF)波形畸变、转矩脉动(torque ripple)和齿槽转矩(cogging torque)增大，甚至引发不可逆退磁风险，限制了其在精密控制系统的应用。

针对这一技术瓶颈，韩国电子技术研究院与嘉泉大学的研究团队在《IEEE Access》上提出了一种创新性的交叠式交替极(Intersect Consequent Pole, ICP)电机设计方案。该设计通过轴向对称布置磁极的新颖思路，在保持磁材减量优势的同时，有效解决了传统CP电机的性能缺陷。

为验证这一创新设计，研究团队首先对一款电动助力转向(EPS)用内置式永磁同步电机(IPMSM)进行了基准分析。该基准电机采用转子斜极和锥度设计来抑制转矩脉动，但其永磁体用量较大。研究人员去除这些补偿措施后，将电机重构为传统CP结构，果然观察到明显的反电动势不对称和齿槽转矩增大现象。

ICP结构的核心创新在于将转子分为上下两段：上段仅布置N极磁体，下段仅布置S极磁体，形成轴向交叠的磁极排列。

这种对称布局使得上下段产生的反电动势波形相位相反、特性对称，合成后获得更加正弦平衡的波形，同时齿槽转矩分量也因相互抵消而显著降低。

然而，新结构也带来了轴向磁通泄漏的新挑战。研究发现，ICP电机会产生从转子N极区域直接流向S极区域的轴向泄漏磁通，导致反电动势幅值进一步降低。为抑制这一现象，团队在转子上下段之间引入了专用间隙设计。

通过系统分析不同间隙长度下的轴向磁密分布，确认2mm间隙可有效阻断转子轴向泄漏，但 stator侧的轴向泄漏仍会导致性能损失。

针对ICP结构的三维磁场特性，研究团队开发了专用的三维磁等效电路(Magnetic Equivalent Circuit, MEC)模型。该模型创新性地引入了轴向泄漏磁阻参数，能够准确捕捉转子间隙设计对磁场分布的影响。

与传统三维有限元分析(Finite Element Analysis, FEA)相比，MEC模型在保证精度的同时大幅提升了计算效率，为设计优化提供了高效工具。

在关键技术方法方面，研究人员主要采用了三维磁场建模与优化技术：通过建立包含轴向泄漏路径的三维磁等效电路模型，大幅提升了计算效率；采用转子间隙设计有效抑制了轴向磁通泄漏；通过磁极几何参数优化（磁极跨度和角度）平衡了输出转矩与纹波性能；利用快速傅里叶分析(FFT)解析了齿槽转矩的谐波成分；最终通过V型磁极结构重构实现了性能提升。

性能优化与V型结构重构

在确定2mm转子间隙的基础上，团队通过调整磁体尺寸来补偿因磁材减量导致的扭矩损失。研究发现，增加磁体长度虽能提升扭矩，但会加剧齿槽转矩的六次谐波分量。FFT分析揭示，ICP结构中上下段产生的三次谐波会相互抵消，而六次谐波则会叠加增强。

为此，团队将ICP电机重构为V型结构，通过优化磁极跨度(9.5mm)和磁极角度(50°)等关键参数，在不过度增加磁体用量的前提下实现了性能优化。

这种设计使磁体能够更深入嵌入转子内部，有效提升了聚磁效果。

最终性能对比

优化后的ICP电机与基准模型相比表现出显著优势：在保持输出功率(336.1W)和扭矩(3.22Nm)相当的情况下，转矩脉动从7.71%降至4.3%，齿槽转矩从88.12mNm降至42.9mNm，永磁体用量减少31.8%。

实验验证与误差分析

团队制作了ICP原型机进行实验验证，在转子上