摘要：为服务国家双碳战略目标，针对双螺杆泵、双螺杆压缩机、二辊轧机、对辊式破碎机等并行机械设备的高效驱动需求，提出了双并列转子永磁同步电机驱动解决方案。然而，为实现双并列转子结构，拼接方案的定子结构导致其铁心和绕组部分缺失，导致转矩脉动较大。哈尔滨理工大学大型电机电

阅读提示：本文约 2500 字

研究背景

电机驱动系统耗能占电力工业耗能超过60%，在碳达峰碳中和进程中，通过对工业电机系统进行高效节能改造，提高系统效率和运行品质，是实现降耗的重要举措之一。在并行对驱类机械装备中，传统驱动系统是由一台感应电机驱动主动轴，主动轴通过同步机械齿轮将转矩传递给从动轴，从而实现两轴的反向同步旋转。

这种驱动模式存在体积大、系统效率低、密封难度大、运行维护复杂等问题。采用双并列转子永磁同步电机进行直驱，能够有效克服上述不足。然而，由于该类电机为实现并列直驱，单个定子磁路存在不对称问题，导致转矩脉动，成为影响其工程应用的主要问题。

论文所解决的问题及意义

较大的转矩脉动影响电机运行时的稳定性和可靠性。从控制的角度看，转矩脉动不利于电机的精准控制；从机械的角度看，转矩脉动会带来电机的振动问题，导致轴承磨损，影响轴承寿命；从用户使用感受的角度看，转矩脉动会产生噪声污染。因此，研究转矩脉动各个转矩分量的产生机理，能够更有针对性地抑制转矩脉动，有利于推进该类电机技术研究和工程应用。

论文方法及创新点

1、研究了电机转矩脉动产生机理

双并列转子永磁同步电机的转矩脉动Tripple包含齿槽转矩Tcog、端部效应力矩Tend、永磁齿轮传递转矩Tgear和纹波转矩T1。其中，前三种转矩分量定义为DR-PMSM的空载转矩，其示意图如图1所示。研究团队构建各个转矩分量的解析表达式，分析各个转矩的谐波组成，并采用有限元模型验证了理论分析的正确性，图2为负载转矩、空载转矩和纹波转矩的波形。图3为负载转矩各个谐波幅值的含量。

图1 DR-PMSM的空载转矩

图2 三种转矩的波形图

图3 负载转矩的谐波分析

2、提出了抑制电机转矩脉动的方法

优化电机的结构参数，如永磁体极弧系数、永磁体偏心距、占空角、耦合间距等，能够有效地降低电机的空载转矩。图4给出了永磁体极弧系数、偏心距对空载转矩峰峰值的影响。图5给出了耦合间距、占空角对端部效应力矩和永磁齿轮传递转矩峰峰值的影响。此外，优化电机绕组位置分布可以在一定程度上抑制纹波转矩。

图4 极弧系数、偏心距对空载转矩的影响

图5 耦合间距、占空角对端部效应力矩和永磁齿轮传递转矩的影响

3、样机试验验证

上述分析以有限元仿真模型为主要手段，因此，模型的准确性至关重要。研究团队搭建了双并列转子永磁同步电机的试验平台，如图6所示。试验测得的空载反电动势波形与仿真波形吻合度较好，能够说明有限元仿真模型的准确性。

图6 双并列转子永磁同步电机试验平台

结论

本文所提双并列转子永磁同步电机为并行对驱类机械装备提供了一种全新的驱动思路，研究工作揭示了齿槽转矩、端部效应力矩、永磁齿轮传递转矩和纹波转矩对转矩脉动的贡献程度。通过对电机结构参数的优化，如优化永磁体极弧系数、永磁体偏心距、占空角、耦合间距等可以有效地抑制电机的空载转矩。通过优化绕组位置分布可以在一定程度上抑制纹波转矩。本文研究工作为研制低转矩脉动的此类电机提供了理论支撑，有助于此类电机的工业应用和推广。

团队介绍

“大型电机电气与传热技术国家地方联合工程研究中心”依托于哈尔滨理工大学电气工程学科建立，工程中心拥有一批长期在本实验室开展专业研究的科研人员，现有科学研究人员近80人，70%以上教师具有博士学位。

中心围绕国家重点领域技术路线图和国家中长期科学与技术发展规划，以及东北区域经济发展需求，结合国家清洁高效煤电成套装备、重型燃气轮机发电装备、大型先进核电成套装备、大型先进水电成套装备、大型特种电驱动装备及智能控制系统等研发需要，力争建成具有国内重要影响的科学研究、专业人才培养、高技术成果转化技术创新与服务等研究平台。

陈阳

分别于2018年和2021年在沈阳工业大学电气工程学院获得学士和硕士学位，目前在哈尔滨理工大学电气与电子工程学院攻读博士学位。主要研究方向为永磁及特种电机理论和应用技术。

陶大军

分别于2005年、2008年和2013年获得哈尔滨理工大学学士、硕士和博士学位。现为哈尔滨理工大学教授、博士生导师。主要研究方向为大型电机基本理论和应用技术、新型特种电机设计与分析、电机及系统故障诊断。

本工作成果发表在2024年第20期《电工技术学报》，论文标题为“双并列转子永磁同步电机转矩脉动产生机理及抑制“。本课题得到国家自然科学基金项目的支持。

引用本文

陈阳, 陶大军, 王立坤, 戈宝军, 李守鹏. 双并列转子永磁同步电机转矩脉动产生机理及抑制[J]. 电工技术学报, 2024, 39(20): 6357-6370. Chen Yang, Tao Dajun, Wang Likun, Ge Baojun, Li Shoupeng. Mechanism and Suppression of Torque Ripple of Dual-Parallel Rotor Permanent Magnet Synchronous Motor. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(20): 6357-6370.

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来源：老郑讲科学