新型组合绕组设计方法在交替极无轴承永磁同步电机中的应用与性能优化

本文提出了一种针对交替极无轴承永磁同步电机（CPBPMSM）的新型组合绕组设计方法，通过推导极槽匹配规律、基于磁动势（MMF）星图的快速线圈排布，以及辅助绕组谐波抑制策略，实现了悬浮力脉动（从19.5%降至2.8%）和径向耦合误差（从31.1%降至2.8%）的显著优化，同时保持转矩性能基本不变。该方法为高集成度电机设计提供了创新解决方案。

　　

Highlight

悬浮力产生原理

交替极无轴承永磁同步电机（CPBPMSM）的悬浮绕组极对数与传统结构不同，其值为1且悬浮电流为直流电。如图1所示，转子由单永磁体（图中N极）和铁极组成，三相绕组N_u、N_v和N_w通过电流控制实现悬浮力生成。

悬浮力脉动分析

在假设转子居中和忽略磁饱和的条件下，气隙磁导分布可表示为：

λ(θ) = [μ₀/g（铁极区域） | (μ₀μ_r)/(h_mμ_rg)（永磁体区域）]

其中μ₀=4π×10^?7为真空磁导率，μ_r为相对磁导率。

有限元仿真验证

以18槽电机的两种极槽组合（20极/18槽和16极/18槽）为例，对比了无辅助绕组（拓扑I）、含辅助绕组（拓扑II）和优化辅助绕组（拓扑III）的性能。仿真表明，拓扑III的悬浮力脉动分别从19.5%和17.6%降至2.8%和4.9%，径向耦合误差从31.1%和17.9%降至2.8%和3.4%，且转矩幅值与波动均保持稳定。

Conclusion

本研究提出的组合绕组设计方法通过MMF星图快速排布线圈，并针对主谐波设计辅助绕组，解决了CPBPMSM悬浮力脉动大和径向耦合误差高的难题，为高精度电机控制提供了新思路。

CRediT作者贡献声明

王慧敏：研究框架设计、方法论与基金支持；徐嘉程：实验验证与数据分析；郭丽艳：数据管理与方法论；张涛：资源协调与项目管理。

Funding

本研究受国家自然科学基金（52277064）和天津市青年科技人才项目资助。

利益冲突声明

作者声明无相关竞争性利益。