The paper presents an accurate analytical subdomain model for computation of the open-circuit magnetic field in surface-mounted permanent-magnet machines with any pole and slot combinations, including fractional slot machines, accounting for stator slotting effect. It is derived by solving the field governing equations in each simple and regular subdomain, i.e., magnet, air-gap and stator slots, and applying the boundary conditions to the interfaces between these subdomains. The model accurately accounts for the influence of interaction between slots, radial/parallel magnetization, internal/external rotor topologies, relative recoil permeability of magnets, and odd/even periodic boundary conditions. The back-electromotive force, electromagnetic torque, cogging torque, and unbalanced magnetic force are obtained based on the field model. The relationship between this accurate subdomain model and the conventional subdomain model, which is based on the simplified one slot per pole machine model, is also discussed. The investigation shows that the proposed accurate subdomain model has better accuracy than the subdomain model based on one slot/pole machine model. The finite element and experimental results validate the analytical prediction.

An analytical model has been developed for analyzing the radial vibration force in fractional-slot permanent-magnet machines. It is compared extensively by finite-element analyses and used to investigate the influence of the following: 1) stator slotting; 2) tangential field component; 3) radius in the air gap for computation; 4) load condition, etc. The major findings include the following: 1) even on an open circuit, the low harmonic component (e.g., the second for a 10-pole/12-slot machine) of the radial force exists due to the slotting effect, although the amplitude is relatively low, while the slotless analytical model cannot predict this phenomenon; 2) on a load, the slotless analytical model is accurate enough for the radial force analysis since the low-order harmonic component of the radial force is mainly due to the interaction between the magnet field and the armature-reaction field and is largely determined by the combination of the pole and slot numbers; 3) it is much more reliable to calculate the radial force in the middle of the air gap rather than close to the stator bore; and 4) the simple formula accounting only for the radial field component in the middle of the air gap is accurate enough for the radial force calculation.

In large-scale surface-mounted permanent-magnet wind power generators, the concentrated electromagnetic force (CEF) can be utilized to immobilize magnet modules. This means that the CEF on each module should ensure module stability across various operational scenarios. In integral-slot generators, the module typically experiences a smooth CEF due to relatively simple CEF harmonic components. However, this article reveals that the armature field variation results in a fluctuating CEF when one or more three phases are open in multi-three-phase integral-slot generators. During such faulty operations, the fluctuating radial CEF fails to consistently generate a tangential friction force sufficient to counteract the fluctuating tangential CEF. This mismatch can lead to undesirable reciprocation of modules in the tangential direction. For generality, this article performs a quantitively analytical derivation to investigate the characteristics of fault-induced CEF and pinpoint the main contributors among armature field harmonics. To prevent the module from potential movements, a slotting technique on the baseplate is further employed, which can enhance the overall radial CEF. The effectiveness of this approach is validated through experiments.

This paper presents an active harmonic current injection scheme for permanent-magnet synchronous machines (PMSMs) considering resistance asymmetry. Conventional control methods suppress the negative-sequence current caused by the parameter asymmetry to mitigate the undesired torque ripple in PMSM with resistance asymmetry. However, the use of additional harmonic voltages for harmonic current reduction can result in the increased voltage amplitude and decreased dc-link voltage utilization. To address this issue, an active harmonic injection scheme is proposed to suppress voltage fluctuation by injecting appropriate d -axis harmonics. The key principle involves injecting appropriate d -axis harmonics to counteract the fluctuations in stator voltage amplitude caused by q -axis harmonic regulation. A cascade structure of resonant controllers is employed to simultaneously regulate both the harmonic voltage and harmonic current. Comparative simulations and experiments are carried out to verify the correctness of the presented analysis and the effectiveness of the proposed scheme. It is verified that the proposed scheme can effectively reduce the torque ripple while achieving higher dc-link voltage utilization than existing methods. Consequently, the proposed solution is effective even under conditions with limited dc-link voltage margin.