电机电磁仿真中斜极参数对电磁力特性的影响分析

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1 引语

目前各大汽车主机厂或电机厂为抑制电机的电磁力脉动，在工程领域广泛采用斜极技术——通过将转子磁极沿轴向设置一定倾斜角度，改变气隙磁场的空间谐波分布，从而削弱特定次数的力波分量，这一技术因成本低、效果显著，已成为高性能NVH电机设计的核心优化手段之一。

然而，斜极角度的选择并非简单的 “越大越好”：过小的斜极角度难以有效抑制高次谐波力波，无法达到预期的减振降噪效果；过大的斜极角度则可能导致气隙磁密基波分量衰减，引发电机转矩下降、铜耗增加，甚至产生额外的轴向电磁力，反而加剧设备运行风险。

在日常中也经常碰到小伙伴问我们如何在Maxwell当中进行斜极仿真，其设置参数都是些什么含义，在此分享一些关于如何进行斜极仿真方面的知识，希望为大家实际的工作中带来一些帮助。

2 分析对象

本次分析对象为8极48槽永磁同步电机，采用双V型转子磁钢拓扑结构，平均转矩为280Nm，分段斜极5段，斜极角度7.5deg，其断面结构如下所示；

电机断面示意图

3 电机斜极介绍

转子斜极是指将永磁体或磁极沿轴向分段并错开一定角度（≥定子槽角度），通过改变磁场分布来削弱空间谐波。其核心作用体现在四方面：

（1）降低齿槽转矩：

斜极使定转子磁阻变化趋于平滑，齿槽转矩可减少30%-50%。

（2）降低振动噪声：

斜极方式和斜极角度的大小会影响电机的径向电磁力，从而影响电机的振动和噪声。

（3）改善转矩均匀性：

通过抵消各段磁极的转矩脉动相位差，斜极电机转矩波动系数可控制在3%以内，而传统结构通常超过8%。

（4）改善电机性能：

改善磁场均匀性，提高电机效率和性能，但对平均转矩有所牺牲。

3.1 连续斜极

连续斜极（Continuous Skewed Pole）是指转子磁极的极性边界（或磁极中心线）沿电机轴向呈现连续、平滑的螺旋式倾斜，而非传统直极结构的轴向平行分布。其核心目的是通过优化气隙磁场分布，削弱电机运行中的谐波分量，从而改善电机的电磁性能、降低振动噪声，并提升运行稳定性。

从结构本质来看，连续斜极可理解为 “磁极在轴向的渐进式扭转”—— 以电机转轴为中心，磁极的起始端与末端在轴向形成固定的扭转角度（即 “斜极角”），且扭转过程无明显分段，呈连续的螺旋线型过渡。

连续斜极

3.2 分段斜极

分段斜极（Segmented Skewed Pole）是指转子磁极沿电机轴向被划分为多个独立的分段，各分段磁极中心线（或极性边界）按固定角度依次错开，形成 “阶梯式” 的倾斜结构，而非连续斜极的螺旋式平滑过渡。其核心目标与连续斜极一致 —— 通过优化气隙磁场分布，削弱谐波分量，改善电机电磁性能，但在结构形式与工艺实现上更侧重 “分段化” 与 “低成本化”。

分段斜极可理解为 “磁极在轴向的阶梯式扭转”：以电机转轴为中心，将转子铁芯（或永磁体）沿轴向分为N段（常见分段数为 4~8 段），相邻两段磁极的扭转角度相同（即 “分段斜极角”），整体形成类似 “多节错位磁极” 的结构。与连续斜极的 “无接缝平滑过渡” 相比，分段斜极存在明确的分段边界，磁场过渡呈 “阶梯式”，虽谐波抑制效果略逊于连续斜极，但工艺复杂度与制造成本显著降低。

分段斜极

3.3 V型斜极

V 型斜极（V-Type Skewed Pole）是指转子磁极沿电机轴向呈现 “V” 字形（或 “倒 V” 字形）的对称倾斜结构 —— 以转子轴向中点为对称轴，两侧磁极分别向相反方向倾斜，形成 “中间对齐、两端错开” 的对称式斜极形态，而非连续斜极的单向螺旋倾斜或分段斜极的阶梯式错位。其目标是在优化气隙磁场、削弱谐波的基础上，进一步解决传统斜极（单向倾斜）可能产生的 “轴向力不平衡” 问题，提升电机高速运行稳定性。V 型斜极可理解为 “两段反向倾斜的分段斜极组合”：以转子轴向中点为界，左侧磁极沿顺时针方向倾斜（假设视角为从电机轴端观察），右侧磁极沿逆时针方向倾斜，两侧斜极角大小相等、方向相反，整体在轴向截面呈现 “V” 字轮廓。

V型斜极

3.4 交错斜极

交错斜极（Staggered Skewed Pole）是电机转子磁极设计的特色技术，指转子相邻磁极沿电机轴向按固定角度交替倾斜，形成 “相邻磁极反向或异向错位” 的结构形态，而非传统斜极技术中 “所有磁极同向倾斜” 的模式。其核心目标是通过相邻磁极的交错布局，在削弱齿谐波、降低转矩脉动的同时，进一步优化气隙磁场的空间分布均匀性，减少磁极间的磁场干扰，尤其适配多极电机及高转矩密度场景。

交错斜极

4 Maxwell的内置斜极设置方法

在 Maxwell 中，如何正确的设置斜极是大家较为关注的问题，右键点击Model，在弹出的清单中选择设置斜极模型，选择斜极的部分，比如转子斜或者定子斜槽，选择斜极类型后输入斜极段数和斜极角度即可，具体设置界面如下所示：

Maxwell斜极设置示意图

比如我们分析的是8极48槽的永磁同步电机，为了降低齿槽转矩，需斜7.5deg，对于内嵌式的磁钢很难做连续斜极，这里一般使用的是step分段类型的斜极种类，如果转子斜5段，那么斜极角度这一栏需要填写6deg而不是7.5deg，斜极角度指的是第一段与最后一段的角度差，而不是相邻两端的角度差，具体过程为：360/48=7.5，7.5/5=1.5，1.5*4=6；因此此处的斜极角度为6deg。

对于Maxwell的官方解释是指分段斜极与连续斜极可以等效，但等效的角度是不一致的，当Skew Type=step时，Skew Angle指首尾磁钢偏移角度，采用分段斜极设计时，最佳磁钢偏移角度=等效斜极角度/磁钢分段数；当已知两块磁钢之间的偏移角度offsetangle、磁钢分段数N，计算skewAngleSkew Angle= offsetangle*(N-1)

分段斜极说明示意图

5 不同斜极角度对电磁力的影响分析

由于案例为永磁同步电机，因此考虑工艺上的因素大多采用分段斜极作为首选，因此在Step斜极类型下，针对5段斜极的不同斜极角度利用公司自研电磁力计算软件进行电磁力分析对比，主要以斜极0.5倍槽距、0.75倍槽距、1倍槽距、1.25倍槽距做对比分析，具体如下所示：

主要结论：

1）若斜极角度小于1个培槽距角，其对定子齿槽与转子磁极“空间耦合谐波”的抵消作用会大幅减弱具体表现为24 阶、48 阶等低阶谐波分量显著升高，带来的负面影响，如磁极与定子齿槽的 “吸引力 - 排斥力” 交替频率会与低阶谐波共振，导致转矩波动幅度增大（通常波动值会超过额定转矩的 5%），直接影响电机运行的平稳性，而斜极角度过大虽然能进一步抑制 24 阶、48 阶低阶谐波，但会破坏转子磁场的轴向连续性，导致96 阶及以上的高阶谐波分量异常增大；

2）不同斜极角度对于空间0阶的径向电磁力48阶和24阶的影响较小；

3）综上所述，在工程实际应用当中通常采用1倍槽距来大幅降低电机的齿谐波的转矩脉动。