永磁电机设计与优化：从模型到性能的全方位解析

一、电机模型的核心设置

永磁电机的运行基础在于磁场的相互作用。在永磁电机内部，转子产生的磁场与定子电流形成的磁场会保持同步转动，二者的相互作用形成净转矩，这一转矩正是电机将电能转化为机械能的核心动力。由于励磁具有同步特性，永磁电机的瞬时转矩受转子角位置影响显著，而转子角位置又与定子电流保持同步。

与之不同的是异步电机（又称感应电机），其定子绕组感应出的转子磁场，取决于转子与定子之间的速度滞后情况，这是两类电机在磁场特性上的本质区别。

线圈励磁的形式可表示为： ，其中 代表峰值电流， 是与极数相关的比例因子， 为转子角， 则是相位角。以三相激励为例，其表达式分别为：, , 。

为确保定子与转子磁极间的吸引力和斥力能形成单向转矩，比例系数需满足特定条件：当转子移动一个磁体的角度跨度（磁体极性交替排列）时，定子线圈的磁场会反向。该系数的计算公式为 ，这里 是转子极数，分母对应单个转子磁极的角跨度。

二、磁场分布的研究与优化

磁场分布 是电机设计中不可忽视的重要因素。对于同步旋转电机，研究感应电压时，气隙磁通（即转子与定子间交换的磁通）的空间分布是关键参数。只有当径向磁通沿转子外围呈正弦分布时，定子相电压才会呈现正弦特性，这种空间波形也被称为气隙磁动势（MMF）波。若磁动势波非正弦，感应电压中就会出现高次谐波。

在模型研究中，通过评估连续性边界上磁通密度的径向分量，可得到气隙磁动势波。随着转子旋转，能清晰观察到磁动势波随时间的变化规律。仅从直观观察就能发现，感应电压难以达到理想的正弦波状态。后续系列文章将详细介绍气隙磁动量的时空傅立叶变换获取方法，以及其与串联磁通、电压谐波失真的关联。

三、机械转矩的优化策略

针对永磁电机特定的槽 / 极组合，定子绕组的激励方式多种多样。例如，某永磁电机模型示意图（本文首图）展示的模式，即可驱动 12 槽 10 极永磁电机运行。

要让转子获得最大转矩，需调整定子线圈的励磁状态或初始转子位置。具体做法是：给转子设定初始角位移，让转子角度 在单个转子磁铁的角跨度内变化，同时计算平均转矩，选择与最大平均转矩对应的初始角位移作为转子初始位置。通过这种方式，能更直观地呈现定子与转子相对位置如何产生最大转矩。

在实际运行中，可观察到两个转矩最大值：

• 电动模式下的正最大值，此时电机将电能转化为机械能；
• 发电模式下的负最大值，此时电机将机械能转化为电能