Design of E-Core Double Mechanical Rotor Double Stator Flux Switching Permanent Magnet Synchronous Machine by Analytical Model
本文提出了一种利用子区域法对新型E型铁芯双机械转子双定子开关磁通永磁同步电机进行解析设计的方法，旨在缓解高齿槽转矩和饱和问题，并结合有限元分析进行了结果验证。
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在追求驱动未来车辆的过程中，工程师们不断寻找比我们今天使用的电机更小、更强、更高效的电机。在这场探索中，一种被称为磁通开关永磁机的电机类型成为了关键角色。想象一下，这样一种电机：沉重且发热的铜线和强大的磁铁都被紧凑地布置在静止的外壳中，而不是在内部旋转。这种设计使电机极其坚固且易于冷却，这对于需要处理高功率且必须防止过热的混合动力电动汽车来说是一个巨大的优势。然而，这些机器有一个持久的缺陷：它们往往会产生一种被称为“齿槽转矩”的粗糙、顿挫的振动，这是因为磁铁与电机的金属齿在旋转时产生的拉力不均匀所致。这种振动会产生噪音并可能磨损机器。为了解决这个问题，研究人员一直在尝试改变电机的铁芯形状，从简单的设计转向更复杂的结构，以平滑这些力量。
一位研究人员现在取得了重大进展，他们设计了一种高度复杂的版本，并创建了一种全新的、更快速的预测其行为的方法。与其仅仅依赖于每改变一点形状就需要运行数小时的缓慢且耗费计算资源的计算机模拟，他们开发了一个数学模型，可以几乎瞬间计算出电机的性能。这种新机器是一个“双层奇迹”，它拥有两个独立的旋转转子和两个像三明治一样排列的静止定子，全部围绕着一个特定的“E形”铁芯结构构建。其目标是将这类电机的高功率与消除粗糙振动的设计相结合，使其适用于要求苛刻的混合动力汽车环境。
研究人员首先将电机分解为一系列不同的区域，将每个区域中的磁场视为可以相互衔接的拼图碎片。他们绘制了内、外转子、导线槽以及永磁体的图谱，构建了一个描述电力与磁力在设备内如何相互作用的完整数学图像。通过求解一组描述磁场如何在不同区域流动的方程，他们能够预测电机内部每一点的磁力强度。这种解析方法使他们能够精确观察磁力在负载下的表现，包括当磁铁与电流协同工作时电机的反应。为了确保数学模型的准确性，他们将这种快速计算结果与一种被称为“有限元分析”的、详细且耗时的工业标准计算机模拟进行了对比。结果显示，他们的快速方法与沉重的模拟计算结果非常接近，证明了该新模型在设计工作中是值得信赖的。
有了可靠的模型后，研究人员将注意力转向了电机最棘手的问题：齿槽转矩。他们系统地测试了改变电机的物理尺寸如何影响这种振动。他们改变了槽宽、磁铁大小以及转子的齿数，密切观察哪些变化能让电机运行得更平稳。他们发现，转子的齿数是最关键的因素。通过调整这些齿的数量，他们可以显著降低那种顿挫的拉力。具体而言，他们发现使用内外转子均为11个齿的配置，可以创造出一种磁力相互抵消的效果，其效果远优于其他齿数。这一简单的齿数调整使电机内部部分的振动减少了约84%，并几乎消除了外部部分的振动，将力量从超过3牛顿·米降至极微小的数值。
经过优化后的最终设计（采用了这11个齿和精心选择的槽宽）证明是成功的。研究人员确认，该电机能够处理车辆所需的剧烈电流，而不会导致金属部件发生“磁饱和”——即电机效率下降并过热的状态。磁场保持在安全范围内，内部部分的最大值约为1.42特斯拉，外部部分约为1.38特斯拉，远低于所用钢材的临界点。电机还产生了稳定且强大的扭转力（即转矩），足以驱动车辆，其中外部部分产生约5.2牛顿·米，内部部分产生约2.8牛顿·米。虽然电机复杂的形状确实产生了一些会对轴产生推力和拉力的不均匀磁力，但这些力量是可预测的，可以通过适当的工程手段进行管理。
这项工作表明，无需等待数天的计算机模拟完成，就可以实现对这些先进双转子电机进行高精度的设计。这种新的数学模型为工程师提供了一个实用的工具，让他们能够快速探索不同的形状并找到适合特定任务的最佳配置。通过证明简单的齿数变化几乎可以完全消除粗糙的振动，这项研究为制造下一代混合动力汽车所需更安静、更平稳、更强力的电机指明了清晰的道路。这种方法平衡了速度与精度，表明只要拥有正确的数学框架，复杂的机器也可以被高效地理解和改进。
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