1 真分?jǐn)?shù)槽集中繞組永磁電機

目前，國內(nèi)外學(xué)者對真分?jǐn)?shù)槽集中繞組的研究主要在繞組性能分析、新型控制和設(shè)計方法的創(chuàng)新等方面。真分?jǐn)?shù)槽集中繞組的缺陷是增大了電感值，導(dǎo)致電機最大輸出功率嚴(yán)重降低，因此多用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，而對電機過載能力要求較高的場合應(yīng)用很少。

沈陽工業(yè)大學(xué)研制一臺用于精密數(shù)控機床的80極96槽低速大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電機，采用真分?jǐn)?shù)槽集中繞組和不等厚定子齒寬相結(jié)合的結(jié)構(gòu)設(shè)計。令寬齒的齒部寬度等于極距，集中式繞組的繞組節(jié)距即等于極距，短距系數(shù)為1，不等厚齒寬結(jié)構(gòu)提高了電機的繞組系數(shù)和齒部磁通。

有限元仿真和樣機試驗的結(jié)果表明，該電機與相同參數(shù)的等厚定子齒電機相比平均輸出轉(zhuǎn)矩提高了5.26%，提高了電機的過載能力和轉(zhuǎn)矩密度，并且齒槽轉(zhuǎn)矩僅為額定轉(zhuǎn)矩的1.05%，性能滿足精密數(shù)控機床的直驅(qū)要求。

通過控制策略如電流諧波注入法，使集中繞組永磁同步電機實現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩密度是目前熱門的研究課題。

2 磁齒輪永磁復(fù)合電機和永磁游標(biāo)電機

磁齒輪永磁復(fù)合電機的轉(zhuǎn)矩密度比傳統(tǒng)永磁電機提高80%，可以達到80～120kN·m/m3；永磁游標(biāo)電機也具有結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)矩密度高的特點，兩類電機以優(yōu)良的低速大轉(zhuǎn)矩特性被廣泛應(yīng)用于發(fā)電設(shè)備、起重機械和船只驅(qū)動等系統(tǒng)。

兩類電機特別是磁齒輪永磁復(fù)合電機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)加工難度大，限制了其發(fā)展應(yīng)用。另外，磁場調(diào)制作用利用定子中有效諧波磁場傳遞轉(zhuǎn)矩和能量，存在功率因數(shù)和效率偏低的缺點。因此，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)計理論的創(chuàng)新仍是發(fā)展的趨勢。

用定子齒實現(xiàn)調(diào)磁環(huán)的作用能簡化機械結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)磁齒輪結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，文獻[32]中提出一種新型同軸磁齒輪永磁無刷直驅(qū)電機。電機的定子齒即為調(diào)磁齒，外轉(zhuǎn)子的極靴也起到磁場調(diào)制的作用，此時電機可看作是定子與外轉(zhuǎn)子構(gòu)成的游標(biāo)電機和定子與內(nèi)轉(zhuǎn)子構(gòu)成的永磁無刷電機的合成。

由于磁齒輪的作用，外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為120r/min，并且輸出轉(zhuǎn)矩等于兩部分轉(zhuǎn)矩的疊加。此外，外轉(zhuǎn)子的4次諧波磁動勢感生的感應(yīng)電壓補償了相電壓與電流之間的相位差，該電機有0.95的高功率因數(shù)。

雙邊永磁體勵磁電機也是一類結(jié)構(gòu)較為簡單的磁場調(diào)制型電機。文獻[47]中提出的電機拓?fù)淙鐖D4所示，定子齒部和轉(zhuǎn)子軛部各插入一組永磁體，由于雙向磁場調(diào)制效應(yīng)，電樞繞組激勵的磁場和兩組永磁體激勵的磁場都有效耦合。雙邊永磁體勵磁電機比磁齒輪永磁復(fù)合電機結(jié)構(gòu)簡單，兩組永磁體使其轉(zhuǎn)矩密度高于普通永磁游標(biāo)電機。

圖4 雙邊永磁體勵磁電機

聚磁效應(yīng)能夠改善氣隙磁通密度使電機磁負(fù)荷提高。程明教授提出一種應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電的新型聚磁式永磁游標(biāo)電機，其結(jié)構(gòu)如圖5所示，該電機轉(zhuǎn)速為214r/min，采用輪輻式永磁體結(jié)構(gòu)的外轉(zhuǎn)子設(shè)計，定子槽的開口設(shè)計使空間利用率提高。通過有限元分析和樣機試驗，驗證了該電機轉(zhuǎn)矩密度高、外特性硬的優(yōu)點。

圖5 聚磁式永磁游標(biāo)電機

3 永磁盤式電機

永磁盤式電機以其高轉(zhuǎn)矩密度、高效率、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，在車用電機、家用電器、發(fā)電設(shè)備等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。目前，學(xué)者對永磁盤式電機拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)計理論的優(yōu)化進行探究，以進一步提升電機性能。

印制電路板（Printed Circuit Board, PCB）定子繞組具有機械強度和加工精度高的優(yōu)勢，并且簡化了電機結(jié)構(gòu)，被越來越多地應(yīng)用于永磁盤式電機。Sanjida Moury提出一種采用PCB定子繞組的新型永磁盤式發(fā)電機，轉(zhuǎn)速為72r/min柔性PCB繞組線圈呈楔形纏繞。該電機消除了集電環(huán)，并且具有效率高、零鐵耗、零齒槽轉(zhuǎn)矩等優(yōu)點，成為船舶用直驅(qū)式海流發(fā)電機的良好選擇。

Metin Aydin提出一種新型無鐵心永磁盤式電機如圖6所示，采用輪輻式分瓣轉(zhuǎn)子，結(jié)合內(nèi)置式磁路結(jié)構(gòu)和可調(diào)節(jié)氣隙，反電動勢波形近似正弦波。與常規(guī)表貼式永磁盤式電機相比，該電機具有更高的氣隙磁通密度和轉(zhuǎn)矩密度。

圖6 輪輻式無鐵心軸向磁通電機的正弦分段轉(zhuǎn)子

日本學(xué)者Takeo Ishikawa提出一種兼有軸向磁通和徑向磁通的混合磁通永磁發(fā)電機，在相同電機外徑、軸向長度、永磁體用量和極對數(shù)的條件下，效率更高，功率密度達到219kW/m3，為商業(yè)化產(chǎn)品的9.4倍。

不使用昂貴的功率變換器，為使發(fā)電機在不同風(fēng)速下保持輸出電壓恒定，有印度學(xué)者針對永磁盤式發(fā)電機提出一種新方法，采用多組定子繞組設(shè)計，并根據(jù)風(fēng)速改變繞組的連接方式，樣機的轉(zhuǎn)速為300r/min。該方法有效實現(xiàn)電機恒壓輸出，使電機獲得更寬的工作范圍（額定轉(zhuǎn)速的25%～125%），并且在低風(fēng)速時能量轉(zhuǎn)換效率大大提升。

4 橫向磁通電機

橫向磁通電機解決了傳統(tǒng)電機定子齒部和定子槽之間的相互約束，具有更高的轉(zhuǎn)矩密度，繞組結(jié)構(gòu)簡單。近年來，在船只推進、新能源汽車和風(fēng)力發(fā)電等場合，已有嘗試性應(yīng)用。橫向磁通電機存在功率因數(shù)偏低、漏磁較大、結(jié)構(gòu)工藝復(fù)雜和生產(chǎn)成本高等缺點，為解決上述問題，國內(nèi)外學(xué)者對電機拓?fù)涞母倪M和優(yōu)化做了大量嘗試。

聚磁式結(jié)構(gòu)能夠提高永磁體利用率，在橫向磁通電機中也有廣泛應(yīng)用。文獻[34]中提出一種聚磁式發(fā)電機如圖7所示，內(nèi)外定子的齒部交錯排布，每相有兩套繞組，提升了電機氣隙磁通密度和結(jié)構(gòu)緊湊性，有利于轉(zhuǎn)矩密度提高。

圖7 聚磁式橫向磁通永磁盤式發(fā)電機

文獻[56]提出將橫向磁通電機的上下凸極轉(zhuǎn)子錯開半個極距，并且用環(huán)形鐵心連接。這種結(jié)構(gòu)保證了永磁體始終存在有效的磁路，相鄰極間漏磁大大減少。有限元仿真結(jié)果表明，電機的永磁體利用率比原有結(jié)構(gòu)提高近一倍。

寇寶泉教授指出，橫向磁通永磁同步電機轉(zhuǎn)矩密度比橫向磁通磁阻電機的更高，但前者結(jié)構(gòu)復(fù)雜，永磁體用量大。為節(jié)約成本提出一種新型結(jié)構(gòu)，永磁體和電樞繞組均安裝在定子側(cè)，轉(zhuǎn)子僅是鐵心。制造轉(zhuǎn)速為125r/min的樣機，經(jīng)過有限元仿真和試驗驗證，新型結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩密度（8.22kN·m/m3）降低24%，但是永磁體用量僅為傳統(tǒng)橫向磁通永磁同步電機的33%，永磁體利用率提高，滿足實際應(yīng)用需求。

5 雙定子/雙轉(zhuǎn)子電機

憑借結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，雙定子/雙轉(zhuǎn)子電機受到很多學(xué)者青睞，在風(fēng)力發(fā)電、新能源汽車、精密機器人等應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展很快。雙定子/雙轉(zhuǎn)子電機的缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在兩個氣隙，內(nèi)外電機之間存在磁耦合，增加了設(shè)計與仿真分析的復(fù)雜度。

文獻[61]中基于等效磁路和有限元法，對一種用于電動汽車的雙轉(zhuǎn)子五相永磁同步電機的電磁特性進行研究。分析了極槽配合、永磁體磁化類型、電樞反應(yīng)、定子軛部厚度、繞組結(jié)構(gòu)等因素對電機磁耦合的影響，進而給出磁解耦設(shè)計方法，對其他結(jié)構(gòu)雙定子/雙轉(zhuǎn)子電機的分析、設(shè)計具有借鑒意義。

近幾年，許多國內(nèi)外學(xué)者將兩種或多種類型的電機相結(jié)合進行拓?fù)鋭?chuàng)新，揚長避短并充分發(fā)揮出各種電機結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。雙定子/雙轉(zhuǎn)子電機的結(jié)構(gòu)特點非常適合永磁盤式電機、橫向磁通電機、開關(guān)磁阻電機等相結(jié)合。文獻[62]提出一種新型輪輻式雙定子軸向磁通永磁游標(biāo)電機，提高了電機的轉(zhuǎn)矩密度（達38kN·m/m3），改善了功率因數(shù)（0.89），轉(zhuǎn)速為300r/min，在風(fēng)力發(fā)電、電動汽車等低速大轉(zhuǎn)矩直驅(qū)系統(tǒng)有良好的應(yīng)用前景。

文獻[63]中結(jié)合分?jǐn)?shù)槽集中繞組和游標(biāo)電機的優(yōu)點，提出一種新型雙定子低速大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電機如圖8所示，轉(zhuǎn)速為270r/min。外定子采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組，減少槽數(shù)和定子軛部厚度；內(nèi)定子采用游標(biāo)結(jié)構(gòu)以減少定子槽數(shù)。該結(jié)構(gòu)進一步發(fā)揮雙定子電機的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，提高了轉(zhuǎn)矩密度（達50kN·m/m3），并且有效削弱了齒槽轉(zhuǎn)矩。

圖8 新型雙定子永磁直驅(qū)電機

（摘編自《電工技術(shù)學(xué)報》，原文標(biāo)題為“低速大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電機研究綜述與展望”，作者為鮑曉華、劉佶煒等。）低速大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電機研究綜述與展望