1 转矩脉动

对于电机的输出转矩，要求其有较高的转矩密度，还要减小转矩脉动使电机运行平稳。特别是对于低速大转矩永磁直驱电机，即使脉动与额定转矩的比值较小，由于其转速低时输出转矩的数值较大，实际转矩脉动的幅值很大，电机运行过程中可能有明显的顿挫感，引起严重的振动和噪声。

一方面影响直驱传动系统的控制精度；另一方面较大的脉动可能使电机转轴发生刚性疲劳，造成气隙偏心等故障，缩短传动系统的使用寿命。对用于发电设备的低速大转矩永磁直驱电机而言，转矩脉动水平直接决定发出电能的质量，是主要性能指标。

低速大转矩永磁直驱电机通常极槽数较多，并且有时额定频率较低，气隙磁场畸变严重。另外对于电动机，低频时变频控制器的输出谐波分量增加，电机反电动势和电枢电流的畸变更为严重，导致纹波转矩增大。

文献[68]基于转速仅为50r/min的低速大转矩永磁直驱发电机，研究112极120槽、116极120槽、118极120槽和80极120槽四种超高极数、槽数配合下电机的磁拉力和振动情况。根据分析结果说明了如何选择极槽配合，使电磁振动和转矩脉动都在较低水平。该研究对超低速永磁直驱电机的实现有指导意义。

2 气隙偏心及机械强度的研究

径向磁通低速大转矩直驱电机的外径尺寸和质量通常较大，容易引起气隙偏心故障。诸自强教授等针对永磁电机气隙偏心对不平衡磁拉力及齿槽转矩的影响作了相关研究。不平衡磁拉力是指电机不对称的磁路或电路使得气隙磁密圆周分布不对称，因而在定转子间所产生的径向电磁力，磁拉力和齿槽转矩会引起电机的振动和噪声，加剧电机转轴的磨损，转轴磨损使气隙偏心恶化。

低速大转矩永磁同步电机体积较大，电机内径通常也较大，冲片有效利用率不高，为降低电机质量减小转动惯量，实际生产中常常采用轮辐式转轴如图9所示。轮辐式磁路结构能够提高永磁体利用率，使气隙中产生更高的磁通密度，越来越多的应用于永磁盘式电机。聚磁式结构提高了横向磁通电机的永磁体利用率，但存在机械强度较差的不足。

图9 轮辐式电机转轴

低速大转矩直驱电机的输出转矩较大，分析电机结构的机械强度和转轴应力分布，检验其抗疲劳能力对保障电机的运行可靠性具有重要的意义。

文献[72]中研究了电机转轴静态和动态条件下的受力情况，基于有限元法提出一种新型计算方法，用于校核转轴机械应力、挠度和安全系数。文献[73]中分析了辐条式转轴的轴向挠性振动特性并构建了对应的数学模型。轮辐式结构的薄弱点是辅板与轴体曲面的焊缝，其受到较大作用力，可能出现应力集中导致裂缝甚至轴断裂。以工程力学理论为基础结合焊接学相关理论，运用有限元法计算应力分布找到应力集中点，探究缓解焊缝应力集中的方法，能够提高轮辐式结构的可靠性。

文献[76]在不同负载条件下，分析了聚磁式横向磁通电机的转子铁心上的应力分布，校验了机械强度和结构刚度，为横向磁通电机可靠性的设计和优化提供了依据。

3 温度场分析及散热的研究

温升是永磁电机的主要性能指标，温升过高可能使绕组绝缘老化发生相间短路的严重故障，永磁体过热会导致退磁使电机的输出功率大大降低。温升关系到电机能否长期可靠运行，对于低速大转矩永磁电机温升计算更为必要：一方面其转速较低自扇冷却的效果变差；另一方面其功率密度低热负荷小可能仅需自冷却。因此分析其内部温度场分布情况确定局部过热点，对电机冷却方式的选择和设计有重要指导作用。许多国内外学者致力于电机温升的算法改进，构建更加准确的三维温度场模型，探索改善散热条件的新方法。

文献[81]以一台160kW 90r/min的低速大转矩永磁电机为研究对象，提出一种转子端部加装散热风刺与转子开设通风道的转子散热方法。以对流换热理论为基础通过流固耦合算法，探究了不同尺寸散热风刺和不同位置、数量、尺寸的径向通风道对空气流动的增强作用，分析转子永磁体的散热效果并计算温升，通过样机试验验证了散热方法的有效性和温升计算的准确性。

准确的热路分析是估算横向磁通电机最大输出功率的关键。David A. Howey针对横向磁通电机直流通风构建几何模型，研究定子对流换热，与三维计算流体动力学结果对比，该模型对电机定子热传导效果作保守估计，在此基础上给出多种提高冷却效果的方案。

（摘编自《电工技术学报》，原文标题为“低速大转矩永磁直驱电机研究综述与展望”，作者为鲍晓华、刘佶炜等。）低速大转矩永磁直驱电机研究综述与展望