永磁電機(jī)是低速大轉(zhuǎn)矩直驅(qū)傳動(dòng)系統(tǒng)的理想選擇，異步感應(yīng)電機(jī)在低速大轉(zhuǎn)矩直驅(qū)系統(tǒng)中應(yīng)用較少。如何提高轉(zhuǎn)矩密度，進(jìn)一步減小體積，是促進(jìn)低速大轉(zhuǎn)矩直驅(qū)電機(jī)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。

1 真分?jǐn)?shù)槽集中繞組永磁電機(jī)

分?jǐn)?shù)槽繞組（即電機(jī)的每極每相槽數(shù)q=b+c/d，b是整數(shù)，c/d是最簡(jiǎn)分?jǐn)?shù)）廣泛應(yīng)用于永磁電機(jī)，能夠有效削弱永磁電機(jī)固有的齒槽轉(zhuǎn)矩。分?jǐn)?shù)槽繞組分為假分?jǐn)?shù)槽（q＞1）和真分?jǐn)?shù)槽（q＜1）兩類，真分?jǐn)?shù)槽繞組的繞組節(jié)距y1=1，每套線圈集中繞制在一個(gè)定子齒上，又稱為真分?jǐn)?shù)槽集中繞組。

當(dāng)電機(jī)的極數(shù)較多時(shí)，采用真分?jǐn)?shù)槽集中繞組可以顯著減少定子槽數(shù)，使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，有效解決了低速大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電機(jī)極數(shù)、槽數(shù)較多的難點(diǎn)。真分?jǐn)?shù)槽集中繞組還具有便于自動(dòng)嵌線，繞組端部短、定子銅耗降低等優(yōu)點(diǎn)。

真分?jǐn)?shù)槽集中繞組永磁同步電機(jī)由于高轉(zhuǎn)矩密度、高效率和低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。為控制質(zhì)量和成本，同時(shí)兼顧電機(jī)性能，文獻(xiàn)[15]中曲榮海教授以采用真分?jǐn)?shù)槽集中繞組的7MW大型直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)為對(duì)象，對(duì)表貼式和內(nèi)置式兩種轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣進(jìn)行研究。兩臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速都是7r/min，按質(zhì)量和成本最低作最優(yōu)設(shè)計(jì)并進(jìn)行性能對(duì)比。

結(jié)果表明兩臺(tái)電機(jī)性能良好，轉(zhuǎn)矩密度均大于108kN·m/m3。采用表貼式結(jié)構(gòu)，電機(jī)的總質(zhì)量和成本更低，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)更小，抗退磁性能更好；內(nèi)置式結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于更高的轉(zhuǎn)矩密度和低磁損耗。

在上述研究的基礎(chǔ)上，Kazi Ahsanullah采用轉(zhuǎn)速為143r/min的內(nèi)置式永磁同步電機(jī)，對(duì)集中式繞組和分布式繞組進(jìn)行對(duì)比研究。研究表明，相比分布式繞組，集中式繞組使電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩、定子銅耗顯著降低，轉(zhuǎn)矩密度提高；但是凸極率降低使磁阻轉(zhuǎn)矩減小和弱磁調(diào)速能力減弱，具體見表1。

文獻(xiàn)[16]還以齒槽轉(zhuǎn)矩和效率為設(shè)計(jì)目標(biāo)，提出一種永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，通過樣機(jī)試制驗(yàn)證了方法可行性。

表1 分布式繞組電機(jī)與集中式繞組電機(jī)相關(guān)性能對(duì)比

2 磁齒輪永磁復(fù)合電機(jī)和永磁游標(biāo)電機(jī)

磁齒輪永磁復(fù)合電機(jī)是指將傳統(tǒng)永磁無(wú)刷直流電機(jī)或永磁同步電機(jī)和磁性齒輪相結(jié)合的一類直驅(qū)電機(jī)。在磁齒輪結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出很多新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的永磁游標(biāo)電機(jī)。磁齒輪永磁復(fù)合電機(jī)和永磁游標(biāo)電機(jī)的運(yùn)行原理都是基于“磁場(chǎng)調(diào)制效應(yīng)”：由轉(zhuǎn)子永磁體激勵(lì)的多極對(duì)數(shù)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在調(diào)制環(huán)（或調(diào)制齒）的作用下，轉(zhuǎn)換成定子中的少極對(duì)數(shù)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，有效諧波磁場(chǎng)用于機(jī)電能量轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)矩傳遞。

利用磁場(chǎng)“自增速”效果，定子繞組可按電機(jī)高速諧波磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，定子槽數(shù)大大減少，繞組繞制簡(jiǎn)便，整機(jī)體積和質(zhì)量降低，轉(zhuǎn)矩密度得到較大提升。

文獻(xiàn)[22]中浙江大學(xué)王利利博士提出如圖1所示的磁齒輪永磁無(wú)刷直驅(qū)電機(jī)，結(jié)構(gòu)上可看作一臺(tái)外轉(zhuǎn)子永磁無(wú)刷電機(jī)與磁齒輪的結(jié)合。電機(jī)定子繞組按4對(duì)極設(shè)計(jì)，采用三相工頻電源供電時(shí)，同步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速為750r/min，保持調(diào)磁環(huán)固定，在磁場(chǎng)調(diào)制作用下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為130r/min，且旋轉(zhuǎn)方向與磁場(chǎng)方向相反。采用變頻器供電時(shí)，該電機(jī)表現(xiàn)出良好的調(diào)速性能。

圖1 磁齒輪永磁無(wú)刷直驅(qū)電機(jī)

磁齒輪永磁復(fù)合電機(jī)通常包含多層氣隙，由兩個(gè)旋轉(zhuǎn)部分和1～2個(gè)固定部分組成，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在磁齒輪結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，永磁游標(biāo)電機(jī)的研究發(fā)展得很快。

Byungtaek Kim教授對(duì)永磁游標(biāo)電機(jī)的工作原理和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，推導(dǎo)了反電動(dòng)勢(shì)和功率的表達(dá)式，在此基礎(chǔ)上計(jì)算電機(jī)的最大功率密度，進(jìn)而確定轉(zhuǎn)矩與氣隙容積的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得出的游標(biāo)電機(jī)的功率密度隨氣隙長(zhǎng)度的增加而增大。此外，根據(jù)所推導(dǎo)表達(dá)式給出一種選取極槽配合的新方法，可以進(jìn)一步提高功率密度。

文獻(xiàn)[24]中提出一種采用集中繞組的表貼式永磁游標(biāo)電機(jī)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 真分?jǐn)?shù)槽永磁游標(biāo)電機(jī)

曲榮海教授提出一種高轉(zhuǎn)矩密度多諧波永磁游標(biāo)電機(jī)，采用疊繞組，結(jié)合特殊設(shè)計(jì)的定子輔助齒，具有多個(gè)不同磁通密度的工作諧波。使調(diào)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(jī)比常規(guī)非疊繞組永磁游標(biāo)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度提高20%以上。

3 永磁盤式電機(jī)

相比于傳統(tǒng)的永磁同步低速大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電機(jī)體積較大的特點(diǎn)，永磁盤式電機(jī)整機(jī)構(gòu)造更加緊湊，有利于轉(zhuǎn)矩密度的提高。永磁盤式電機(jī)有時(shí)也被稱為軸向磁通電機(jī)，采用可調(diào)節(jié)平面式氣隙，氣隙磁場(chǎng)呈軸向式，軸向尺寸短，電機(jī)外徑大，比轉(zhuǎn)矩高。

其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使電機(jī)易設(shè)計(jì)成多極對(duì)數(shù)，符合低速大轉(zhuǎn)矩直驅(qū)電機(jī)的應(yīng)用需求，且電機(jī)軸向尺寸短，適用于軸向安裝尺寸受限制的場(chǎng)合。Andrea Cavagnino對(duì)軸向磁通永磁電機(jī)和徑向磁通永磁電機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)對(duì)比研究，得出當(dāng)電機(jī)極數(shù)較多（10極以上）且電機(jī)主要尺寸比小（◆＜0.3）時(shí)，軸向磁通永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度更高。

盧琴芬教授提出一種適用于游梁式抽油機(jī)的永磁盤式電機(jī)，轉(zhuǎn)速為15r/min。用兩臺(tái)背靠背對(duì)稱安裝的盤式電機(jī)替代原有三相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)構(gòu)，電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)抽油桿。利用三維有限元仿真分析氣隙磁場(chǎng)，計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)矩和軸向吸力，并試制樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明抽油機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，振動(dòng)噪聲小，整體效率高，滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

4 橫向磁通電機(jī)

橫向磁通電機(jī)磁場(chǎng)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(diǎn)，可以增加極對(duì)數(shù)實(shí)現(xiàn)電機(jī)低速運(yùn)行。在一定范圍內(nèi)增加極對(duì)數(shù)，橫向磁通電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度隨之提升。

傳統(tǒng)的爪極橫向磁通電機(jī)如圖3所示，在較低的轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)矩密度優(yōu)于普通的異步感應(yīng)電機(jī)和無(wú)刷直流伺服電機(jī)。橫向磁通電機(jī)各相獨(dú)立，繞組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于下線，且不存在傳統(tǒng)電機(jī)的端部繞組。

圖3 爪極橫向磁通電機(jī)

在傳統(tǒng)爪極橫向磁通電機(jī)基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[31]中提出一種外轉(zhuǎn)子橫向磁通輪轂電機(jī)，采用新型爪極結(jié)構(gòu)，并且設(shè)計(jì)環(huán)形磁鐵便于放置在轉(zhuǎn)子鐵心，新結(jié)構(gòu)大大減少了永磁體用量。樣機(jī)試驗(yàn)的結(jié)果表明，電機(jī)在100r/min的轉(zhuǎn)速下滿載運(yùn)行平穩(wěn)可靠，適用于輕型電動(dòng)汽車的直接驅(qū)動(dòng)。

5 雙定子/雙轉(zhuǎn)子電機(jī)

雙定子/雙轉(zhuǎn)子電機(jī)是指電機(jī)有兩個(gè)定子或轉(zhuǎn)子，以及兩個(gè)氣隙，分為同心式結(jié)構(gòu)和并行式結(jié)構(gòu)兩類。嚴(yán)格意義上，雙定子/雙轉(zhuǎn)子電機(jī)不是與永磁游標(biāo)電機(jī)、永磁盤式電機(jī)、橫向磁通電機(jī)等并列的電機(jī)分類，而是一種電機(jī)結(jié)構(gòu)。

文獻(xiàn)[22,32]中的磁齒輪永磁復(fù)合電機(jī)，文獻(xiàn)[33]中的永磁盤式電機(jī)、文獻(xiàn)[34]中的橫向磁通電機(jī)都是雙定子/雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。磁齒輪永磁復(fù)合電機(jī)的特殊工作原理決定其必然存在兩個(gè)轉(zhuǎn)子。曲榮海教授較早開展了相關(guān)研究，指出多氣隙電機(jī)比傳統(tǒng)的單氣隙電機(jī)具有更高的轉(zhuǎn)矩密度。文獻(xiàn)[33-34]采用雙定子/雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁盤式電機(jī)和橫向磁通電機(jī)，氣隙磁通密度和轉(zhuǎn)矩密度都有提高。

雙定子/雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁無(wú)刷電機(jī)和永磁同步電機(jī)，憑借良好的調(diào)速性能最早用作汽車、摩托車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。通過改變兩套繞組的聯(lián)結(jié)方式，使得電機(jī)在更寬的工作范圍內(nèi)保持良好運(yùn)行特性。永磁同步電機(jī)或永磁無(wú)刷直流電機(jī)用于低速大轉(zhuǎn)矩直驅(qū)系統(tǒng)時(shí)，電機(jī)內(nèi)徑較大，沖片利用率偏低，限制了轉(zhuǎn)矩密度的提升。低轉(zhuǎn)速時(shí)，采用雙定子/雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)能夠有效提高電機(jī)內(nèi)部空間利用率，使電機(jī)具有更高轉(zhuǎn)矩密度，同時(shí)提高了效率和最大輸出功率。

（摘編自《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，原文標(biāo)題為“低速大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電機(jī)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(jī)研究綜述與展望