深探永磁同步电机设计：反电势差异、涡流损耗与定子槽数的优化之道

在进行永磁同步电机的测试与仿真时，工程师们时常会面临反电势测试值与仿真值不匹配的问题。针对这一现象，我们梳理了以下几个可能的原因：

永磁同步电机磁钢装配到磁钢槽时，上下两个面之间存在一定间隙，这间隙根据电机大小的不同，通常在0.15到0.3mm之间。对于小型电机，这个间隙可能占气隙长度的10%或更多，对反电势的影响也相应达到10%左右。因此，在仿真建模时，必须充分考虑这一间隙的影响。

测试反电势时通常是在冷态条件下进行，但在实际电机运行过程中，磁钢的温度可能随负载和工作时间而变化。因此，在仿真反电势时，必须确保正确设置温度条件，特别是当进行负载分析时，应使用正常额定运行温度。

磁铁的剩磁值是一个范围，但在仿真中往往被设定为固定值。为了提高仿真的准确性，应将永磁体的剩磁值设置为一个参数化变量，并在磁钢厂家提供的剩磁上下限范围内进行扫描。只要测试出的反电势在仿真扫描范围内，即可认为剩磁对反电势的影响已被合理考虑。

仿真中的网格和步长设置对结果也有重要影响。对于气隙部分，建议至少设置两层以上的网格。步长方面，推荐每个电周期至少采用100个以上的仿真周期，以确保仿真的精度。

当采用二维有限元模拟时，通常会忽略电机的端部效应。然而，在实际电机中，特别是当电机模型较为扁平时，这种简化会导致较大的误差，使得实测结果偏小。此外，永磁同步电机中磁钢和转子铁芯可能存在不等长的情况，这需要在仿真中对磁化曲线进行修正，以更准确地模拟实际情况。

永磁体由于具有一定的电导率（通常处于10^5量级），以及电机中不可避免的谐波影响，会在其表面感应出涡流并产生损耗。这种损耗主要源于涡流，而非磁滞。

虽然永磁体的涡流损耗对电机效率的影响不是首要因素，但它会直接导致永磁体温度升高。在极端情况下，过高的温度甚至可能引起永磁体的不可逆退磁。

那么，在什么情况下我们应特别关注永磁体的涡流损耗呢？

当定子槽口宽度与气隙长度的比值超过2.5时，需要特别留意。因为较宽的定子槽口更容易产生涡流损耗，特别是在扁线电机中，由于定子槽口尺寸通常较宽，这种情况尤为明显。

由于其定子磁势谐波含量较大，当电机功率较高或转速较快时，涡流损耗也会相应增加。因此，在这些情况下，需要更加关注涡流损耗，并采取措施加以控制。

为了确保电机的稳定运行和永磁体的安全性，通常建议将永磁体的涡流损耗控制在电机功率的0.5%以内（有效的措施是磁钢分段）。如果需要准确计算涡流损耗，可以采用有限元法；若只是进行初步估算，则可以采用解析法。

 永磁体不同分割方式转子总涡流损耗

在电机设计中，定子槽数的选择至关重要，因为它直接影响到电机的电磁性能、散热能力、工艺、成本以及NVH（噪声、振动和声振粗糙度）等多个方面。不同的定子槽数会导致不同的极槽配合，进而产生不同的电机性能。

以8极永磁同步电机为例，我们将分别探讨8极48槽、8极72槽、8极9槽和8极12槽这四种常见的极槽配合，以期为大家在选择时提供启发。

这两种极槽配合主要用于功率电机，也就是驱动电机或动力电机，它们的主要任务是将电能转化为机械能来驱动设备或机械运转。

▶   8极48槽 ：这是一种常见的极槽配合。在相同的转子冲片或同等优化的前提下，它的性能表现相对均衡。

▶  8极72槽 ：相比于8极48槽，72槽电机的反电势波形THD、齿槽转矩、转矩脉动、永磁体涡流损耗以及振动噪声都会更小。此外，绕组分散的布局增加了绕组与铁芯的接触面积，有利于散热。然而，72槽电机也有其缺点，如槽的绝缘材料用量增加导致工时和电机制造成本上升，以及定子齿变窄对冲模制造和使用的不利影响。

这两种极槽配合主要用于控制电机，即用于精确控制转速和位置的电机，如伺服电机。

▶  8极9槽 ：在相同的转子冲片或同等优化的前提下，9槽电机的反电势波形THD、齿槽转矩和转矩脉动都会比12槽电机小。此外，它的扭矩密度和效率也相对较高。但是，9槽电机的永磁体涡流损耗和振动噪声较大，明显超过12槽电机。

▶ 8极12槽 ：虽然它在某些指标上不如9槽电机，但它在永磁体涡流损耗和振动噪声方面表现更优。

综上所述，在选择定子槽数时，需要根据电机的具体应用场景、性能要求和成本预算来综合考虑。˙