永磁電機是低速大轉矩直驅傳動系統的理想選擇，異步感應電機在低速大轉矩直驅系統中應用較少。如何提高轉矩密度，進一步減小體積，是促進低速大轉矩直驅電機推廣應用的關鍵。

1 真分數槽集中繞組永磁電機

分數槽繞組（即電機的每極每相槽數q=b+c/d，b是整數，c/d是最簡分數）廣泛應用于永磁電機，能夠有效削弱永磁電機固有的齒槽轉矩。分數槽繞組分為假分數槽（q＞1）和真分數槽（q＜1）兩類，真分數槽繞組的繞組節距y1=1，每套線圈集中繞制在一個定子齒上，又稱為真分數槽集中繞組。

當電機的極數較多時，采用真分數槽集中繞組可以顯著減少定子槽數，使結構簡化，有效解決了低速大轉矩永磁直驅電機極數、槽數較多的難點。真分數槽集中繞組還具有便于自動嵌線，繞組端部短、定子銅耗降低等優點。

真分數槽集中繞組永磁同步電機由于高轉矩密度、高效率和低轉矩脈動等優點，在風力發電系統中得到了廣泛的關注和應用。為控制質量和成本，同時兼顧電機性能，文獻[15]中曲榮海教授以采用真分數槽集中繞組的7MW大型直驅風力發電機為對象，對表貼式和內置式兩種轉子磁路結構的優劣進行研究。兩臺電機的轉速都是7r/min，按質量和成本最低作最優設計并進行性能對比。

結果表明兩臺電機性能良好，轉矩密度均大于108kN·m/m3。采用表貼式結構，電機的總質量和成本更低，轉矩脈動更小，抗退磁性能更好；內置式結構的優勢在于更高的轉矩密度和低磁損耗。

在上述研究的基礎上，Kazi Ahsanullah采用轉速為143r/min的內置式永磁同步電機，對集中式繞組和分布式繞組進行對比研究。研究表明，相比分布式繞組，集中式繞組使電機的齒槽轉矩、定子銅耗顯著降低，轉矩密度提高；但是凸極率降低使磁阻轉矩減小和弱磁調速能力減弱，具體見表1。

文獻[16]還以齒槽轉矩和效率為設計目標，提出一種永磁直驅風力發電機的優化設計方法，通過樣機試制驗證了方法可行性。

表1 分布式繞組電機與集中式繞組電機相關性能對比

2 磁齒輪永磁復合電機和永磁游標電機

磁齒輪永磁復合電機是指將傳統永磁無刷直流電機或永磁同步電機和磁性齒輪相結合的一類直驅電機。在磁齒輪結構的基礎上，近年來國內外學者提出很多新型拓撲結構的永磁游標電機。磁齒輪永磁復合電機和永磁游標電機的運行原理都是基于“磁場調制效應”：由轉子永磁體激勵的多極對數旋轉磁場在調制環（或調制齒）的作用下，轉換成定子中的少極對數旋轉磁場，有效諧波磁場用于機電能量轉換和轉矩傳遞。

利用磁場“自增速”效果，定子繞組可按電機高速諧波磁場的極對數進行設計，使得電機的結構簡化，定子槽數大大減少，繞組繞制簡便，整機體積和質量降低，轉矩密度得到較大提升。

文獻[22]中浙江大學王利利博士提出如圖1所示的磁齒輪永磁無刷直驅電機，結構上可看作一臺外轉子永磁無刷電機與磁齒輪的結合。電機定子繞組按4對極設計，采用三相工頻電源供電時，同步旋轉磁場的轉速為750r/min，保持調磁環固定，在磁場調制作用下，轉子轉速為130r/min，且旋轉方向與磁場方向相反。采用變頻器供電時，該電機表現出良好的調速性能。

圖1 磁齒輪永磁無刷直驅電機

磁齒輪永磁復合電機通常包含多層氣隙，由兩個旋轉部分和1～2個固定部分組成，機械結構復雜。在磁齒輪結構的基礎上，永磁游標電機的研究發展得很快。

Byungtaek Kim教授對永磁游標電機的工作原理和設計方法進行研究，推導了反電動勢和功率的表達式，在此基礎上計算電機的最大功率密度，進而確定轉矩與氣隙容積的對應關系，得出的游標電機的功率密度隨氣隙長度的增加而增大。此外，根據所推導表達式給出一種選取極槽配合的新方法，可以進一步提高功率密度。

文獻[24]中提出一種采用集中繞組的表貼式永磁游標電機，拓撲結構如圖2所示。

圖2 真分數槽永磁游標電機

曲榮海教授提出一種高轉矩密度多諧波永磁游標電機，采用疊繞組，結合特殊設計的定子輔助齒，具有多個不同磁通密度的工作諧波。使調磁塊的間距不等于平均槽距，可以引入附加工作諧波，該電機比常規非疊繞組永磁游標電機的轉矩密度提高20%以上。

3 永磁盤式電機

相比于傳統的永磁同步低速大轉矩永磁直驅電機體積較大的特點，永磁盤式電機整機構造更加緊湊，有利于轉矩密度的提高。永磁盤式電機有時也被稱為軸向磁通電機，采用可調節平面式氣隙，氣隙磁場呈軸向式，軸向尺寸短，電機外徑大，比轉矩高。

其結構特點使電機易設計成多極對數，符合低速大轉矩直驅電機的應用需求，且電機軸向尺寸短，適用于軸向安裝尺寸受限制的場合。Andrea Cavagnino對軸向磁通永磁電機和徑向磁通永磁電機進行系統對比研究，得出當電機極數較多（10極以上）且電機主要尺寸比小（◆＜0.3）時，軸向磁通永磁電機的轉矩密度更高。

盧琴芬教授提出一種適用于游梁式抽油機的永磁盤式電機，轉速為15r/min。用兩臺背靠背對稱安裝的盤式電機替代原有三相異步感應電動機和減速機構，電機直接驅動抽油桿。利用三維有限元仿真分析氣隙磁場，計算電機轉矩和軸向吸力，并試制樣機進行試驗驗證。結果表明抽油機系統運行平穩，振動噪聲小，整體效率高，滿足實際應用要求。

4 橫向磁通電機

橫向磁通電機磁場呈三維空間分布，電路和磁路自然解耦，有效克服繞組截面積與定子齒部截面積相互制約的缺點，可以增加極對數實現電機低速運行。在一定范圍內增加極對數，橫向磁通電機的轉矩密度隨之提升。

傳統的爪極橫向磁通電機如圖3所示，在較低的轉速下，轉矩密度優于普通的異步感應電機和無刷直流伺服電機。橫向磁通電機各相獨立，繞組結構簡單，便于下線，且不存在傳統電機的端部繞組。

圖3 爪極橫向磁通電機

在傳統爪極橫向磁通電機基礎上，文獻[31]中提出一種外轉子橫向磁通輪轂電機，采用新型爪極結構，并且設計環形磁鐵便于放置在轉子鐵心，新結構大大減少了永磁體用量。樣機試驗的結果表明，電機在100r/min的轉速下滿載運行平穩可靠，適用于輕型電動汽車的直接驅動。

5 雙定子/雙轉子電機

雙定子/雙轉子電機是指電機有兩個定子或轉子，以及兩個氣隙，分為同心式結構和并行式結構兩類。嚴格意義上，雙定子/雙轉子電機不是與永磁游標電機、永磁盤式電機、橫向磁通電機等并列的電機分類，而是一種電機結構。

文獻[22,32]中的磁齒輪永磁復合電機，文獻[33]中的永磁盤式電機、文獻[34]中的橫向磁通電機都是雙定子/雙轉子結構。磁齒輪永磁復合電機的特殊工作原理決定其必然存在兩個轉子。曲榮海教授較早開展了相關研究，指出多氣隙電機比傳統的單氣隙電機具有更高的轉矩密度。文獻[33-34]采用雙定子/雙轉子結構的永磁盤式電機和橫向磁通電機，氣隙磁通密度和轉矩密度都有提高。

雙定子/雙轉子結構的永磁無刷電機和永磁同步電機，憑借良好的調速性能最早用作汽車、摩托車的驅動電機。通過改變兩套繞組的聯結方式，使得電機在更寬的工作范圍內保持良好運行特性。永磁同步電機或永磁無刷直流電機用于低速大轉矩直驅系統時，電機內徑較大，沖片利用率偏低，限制了轉矩密度的提升。低轉速時，采用雙定子/雙轉子結構能夠有效提高電機內部空間利用率，使電機具有更高轉矩密度，同時提高了效率和最大輸出功率。

（摘編自《電工技術學報》，原文標題為“低速大轉矩永磁直驅電機研究綜述與展望”，作者為鮑曉華、劉佶煒等。）低速大轉矩永磁直驅電機研究綜述與展望