齿槽转矩是永磁电机特有的问题，其存在会使电机产生振动和噪声，出现转速波动，使电机不能平稳运行，影响电机的性能。

哈尔滨理工大学的艾萌萌、宋兴宇、刘文辉、沈涛，在2025年第12期《电工技术学报》 上撰文，提出一种从谐波的角度，建立齿槽转矩与谐波之间的关系；在永磁体最大磁能积不变的前提下，通过多目标粒子群算法，综合设计对不同的设计电机核心参数，以减少齿槽转矩。

研究背景

异步起动永磁同步电机（LSPMSM）因其转子安装启动导条，具有自起动特性，常应用于煤矿及油田等场合。然而与单边开槽永磁电机不同，其定转子双边开槽结构显著增加了齿槽转矩分析的复杂性。

图1 电机三维结构

论文所解决的问题及意义

现有文献系统阐述了异步起动永磁同步电机齿槽转矩抑制方法及多参数协同优化策略，为异步起动永磁同步电机研究提供了关键理论支撑与设计参考。但对LSPMSM的复杂齿槽转矩原理进行深度剖析较少，且在抑制齿槽转矩性能时仅考虑单一目标，未协同考虑铁心饱和程度、效率等电机电磁性能。因此，本研究团队提出了一种在优化齿槽转矩的同时，兼顾电机电磁性能的综合设计方法。

论文方法及创新点

1、齿槽转矩与谐波的动态解析关系模型建立

从谐波角度构建了齿槽转矩与定转子磁导谐波、永磁体剩磁谐波的动态函数关系：

（1）

经仿真与实验证实，转子槽数增加可显著降低齿槽转矩幅值，如图2所示。

图2 优化前后齿槽转矩对比

2、提出基于饱和状态分类的多工况协同优化方法

将电机铁心饱和程度作为核心约束，结合永磁体最大磁能积条件，定义三种饱和状态（未饱和、饱和峰值、过饱和），并与定子斜槽组合形成六种设计工况。针对六种工况分别优化，避免单一设计工况的局限性。

图3 永磁体宽度与厚度对其饱和程度的影响

根据最大磁能积关系，逐步增大永磁体厚度，减小其宽度，观察图中气隙磁通密度幅值随永磁体厚度变化曲线即可准确定位最优尺寸。可以在不改变材料成本的同时，提升电机性能以及材料利用率。

3、融合响应面法（RSM）与改进多目标粒子群算法（MOPSO）

响应面法根据可设计的采样点组建立目标与多变量的函数去逐渐逼近一个隐函数。而多目标粒子群优化算法则是将粒子群算法与多目标相结合，建立多维空间，在粒子群所在区域搜索最优解。响应面法与粒子群算法的结合可以确保电机性能在多个关键指标上均能达到最优水平。

其优点在于响应面算法将数群分类，MOPSO基于分区特性自适应调整，缩短算法计算时间，实现全域Pareto前沿的高效探索。

图4 优化目标Tcog关于Bs0、q及饱和状态与定子是否斜槽的响应面

图5 优化目标η关于Bs0、q及饱和状态与定子是否斜槽的响应面

结论

1）根据齿槽转矩与谐波的动态解析关系模型与有限元仿真同时验证了通过优化气隙磁通密度和谐波含量可以间接改善电机齿槽转矩大小。

2）异步起动永磁同步电机其他参数不变，在不同饱和状态下，饱和峰值设计方案的性能最优。

3）通过响应面法与多目标粒子群算法并加以工艺约束，得到了电机不同设计方案下所对应的最优参数。定子是否斜槽对电机齿槽转矩、转矩脉动和空载反电动势影响较大。而通过细小调整槽口宽度，电机性能如齿槽转矩和效率能够有所上升，但并不明显。

团队介绍

本团队依托大型电机电气与传热技术国家地方联合工程研究中心，由5名教授、3名副教授及4名讲师组成。团队所在的数字化电机综合实验室，具备同步电机、感应电机、直流电机、永磁电机及其他特种电机的研发与实验能力。近年来，团队主持完成了包括国家重点攻关项目、国家科技重大专项、国家科技支撑计划项目、国家自然科学基金项目、国家科技部国际合作项目、黑龙江省自然科学基金项目及企业委托项目在内的各类科研项目50余项。发表学术论文200余篇，其中150余篇被SCI/EI收录。

艾萌萌，副教授，博士，硕士研究生导师，研究方向为特种电机设计、电机内综合物理场数值计算。

宋兴宇，硕士研究生，研究方向为永磁电机设计、高速电机多物理场耦合研究。

刘文辉，正高级工程师，博士研究生，研究方向为永磁电机设计、高速电机多物理场耦合研究。

沈涛，教授，博士，博士研究生导师，研究方向为光纤传感物联网器件设计与制备、高压电力设备绝缘检测、二维材料光电特性与应用。

本工作成果发表在2025年第12期《电工技术学报》，论文标题为“基于多目标粒子群算法考虑饱和情况异步起动永磁同步电机转子设计“。本课题为国家自然科学基金和黑龙江省自然基金资助项目。