內置式永磁同步電機憑藉卓越性能在多個領域廣泛應用，然而齒槽轉矩大、轉矩波動嚴重的問題會對電機平穩運行造成不良影響。
依託瀋陽工業大學國家稀土永磁電機工程技術研究中心、國家新型電力系統與電工裝備學科創新引智基地等多個科研平台，電氣工程學院吳勝男教授、佟文明教授、及導師培養學者佟越揚共同提出一種轉子鐵心外圓開梯形槽結構，並通過理論解析，仿真模擬及實驗驗證充分證實了該創新方法的有效性。
研究背景
內置式永磁同步電機（IPMSM）憑藉高功率 / 轉矩密度、強弱磁能力，廣泛應用於電動汽車、電助力單車等領域。內置切向式轉子結構比徑向式更易容納永磁體、提升轉矩密度，但存在轉子磁路複雜、齒槽轉矩及轉矩波動大的缺陷，影響運行平穩性。現有齒槽轉矩抑制方法多存在實現難、伴隨氣隙諧波增加等負面影響，亟需開發兼顧抑制效果、工程可行性與電機性能的優化方案。
論文所解決的問題及意義
論文解決問題
- 內置切向式永磁同步電機齒槽轉矩過大的核心問題。
- 電機空載反電動勢諧波佔比高、轉矩波動劇烈的難題。
- 現有抑制方法在效果與電機輸出性能、工藝複雜度之間的平衡問題。
研究意義
學術意義：完善了內置切向式永磁電機齒槽轉矩抑制的理論體系，提出了通過轉子開梯形槽調整極弧係數的創新思路，為同類電機的優化設計提供了理論支撐。
圖1 電機結構及轉子開槽示意圖
工程意義：所提方法工藝簡單、成本可控，能在不降低電機輸出轉矩的前提下，顯著改善電機運行平穩性，推動永磁同步電機在高端裝備領域的應用升級。
論文方法及創新點
採用理論解析-有限元仿真-實驗驗證三位一體的研究方法，首先推導計及轉子開槽改變極弧係數的齒槽轉矩計算公式，明確極弧係數與齒槽轉矩的關聯規律；然後建立14極12槽內置切向式永磁電機參數化模型，對比無槽、矩形槽、梯形槽三種轉子結構的電磁性能；採用控制變量法，分析梯形槽高度、長邊開口角度、短邊開口角度對齒槽轉矩的影響，並拓展研究10極12槽、16極 18槽兩種極槽配合下的優化效果；最後製作優化後梯形槽轉子結構樣機，通過空載反電動勢測試、靜態齒槽轉矩測試、負載性能測試，驗證仿真模型的準確性與方法有效性。
圖2 14極12槽、10極12槽及16極18槽電機齒槽轉矩仿真結果
圖3 樣機實物圖
圖4 樣機試驗平台
圖5 電機空載反電動勢、不同結構齒槽轉矩對比及額定工況下輸出轉矩
創新點：
- 結構創新：提出轉子鐵心外圓開梯形槽的新型結構，通過調整梯形槽尺寸改變極弧係數與氣隙形狀，實現齒槽轉矩抑制，兼顧磁路優化與機械強度。
- 參數優化：明確了梯形槽高度、長邊開口角度（β）、短邊開口角度（α）的優化範圍，給出了適用於不同極槽配合的梯形槽尺寸選取公式，提升方法的通用性。
- 性能均衡：在抑制齒槽轉矩的同時，有效降低反電動勢諧波佔比，且不降低電機輸出轉矩，實現“抑制效果-輸出性能-工藝可行性”的三維平衡。
結論
1）隨梯形槽高度增加，電機齒槽轉矩減小，但減小幅度較小；隨着梯形槽短邊開口角度的增加，電機齒槽轉矩為波動變化；隨着梯形槽長邊開口角度的增加，電機齒槽轉矩先降低後增加。
2）新型梯形槽轉子結構能降低電機漏磁、齒槽轉矩及轉矩波動，齒槽轉矩降低90.9%，轉矩波動降低54%。
3）實驗結果表明，電機空載反電動勢為7.75V，誤差為3.85%；齒槽轉矩6mN·m，誤差為2.92%，驗證了本方法的有效性。
團隊介紹
新型電驅動系統研究團隊依託國家稀土永磁電機工程技術研究中心、國家級技術轉移示範基地、教育部特種電機與高壓電器重點實驗室、教育部工程研究中心、國家市場監管總局技術創新中心、111引智基地等高水平創新平台，主要從事高效能輕量化低振動高速永磁電機系統、重型裝備低速大轉矩直驅式永磁電機系統、新型超高效非晶合金永磁電機等領域的科研工作。
團隊負責人為佟文明教授，主持了國家優秀青年科學基金、教育部高校青年教師科研創新能力支持項目（U40項目）、國家科技重大專項（科技創新2030）課題、中央軍委裝備部預研課題、國家重點研發計划子課題等國家級項目，發表SCI、EI期刊發表學術論文60篇，獲授權國家發明專利27項、美國專利2項。
吳勝男，工學博士，教授，博士生導師，主要從事高品質永磁電機和特種電機等方面的研究工作。
佟越揚，碩士研究生，研究方向為特種電機及其控制。
佟文明，工學博士，教授，博士生導師，瀋陽工業大學電氣工程學院執行院長，國家稀土永磁電機工程技術研究中心常務副主任，兼任中國電工技術學會永磁電機專委會副主任委員、全國非晶節能材料產業技術創新戰略聯盟副理事長、全國微電機標準化技術委員會副主任委員等職務，國家優秀青年科學基金獲得者，長期從事高品質永磁電機研究與應用開發工作。
本工作成果發表在2025年第22期《電工技術學報》，論文標題為“基於轉子開梯形槽的內置切向式永磁同步電機齒槽轉矩抑制“。本課題得到中央軍委裝備發展部預研項目、國家優秀青年科學基金項目、國家自然科學基金項目和遼寧省教育廳面上項目資助。