1 真分?jǐn)?shù)槽集中繞組永磁電機(jī)

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)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(jì)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(jī)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(duì)電機(jī)過載能力要求較高的場(chǎng)合應(yīng)用很少。

沈陽工業(yè)大學(xué)研制一臺(tái)用于精密數(shù)控機(jī)床的80極96槽低速大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電機(jī)，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(jì)。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(jī)的繞組系數(shù)和齒部磁通。

有限元仿真和樣機(jī)試驗(yàn)的結(jié)果表明，該電機(jī)與相同參數(shù)的等厚定子齒電機(jī)相比平均輸出轉(zhuǎn)矩提高了5.26%，提高了電機(jī)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(jī)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(jī)實(shí)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(jī)和永磁游標(biāo)電機(jī)

磁齒輪永磁復(fù)合電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度比傳統(tǒng)永磁電機(jī)提高80%，可以達(dá)到80～120kN·m/m3；永磁游標(biāo)電機(jī)也具有結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)矩密度高的特點(diǎn)，兩類電機(jī)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(jī)械和船只驅(qū)動(dòng)等系統(tǒng)。

兩類電機(jī)特別是磁齒輪永磁復(fù)合電機(jī)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(chǎng)調(diào)制作用利用定子中有效諧波磁場(chǎng)傳遞轉(zhuǎn)矩和能量，存在功率因數(shù)和效率偏低的缺點(diǎn)。因此，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)理論的創(chuàng)新仍是發(fā)展的趨勢(shì)。

用定子齒實(shí)現(xiàn)調(diào)磁環(huán)的作用能簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)磁齒輪結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[32]中提出一種新型同軸磁齒輪永磁無刷直驅(qū)電機(jī)。電機(jī)的定子齒即為調(diào)磁齒，外轉(zhuǎn)子的極靴也起到磁場(chǎng)調(diào)制的作用，此時(shí)電機(jī)可看作是定子與外轉(zhuǎn)子構(gòu)成的游標(biāo)電機(jī)和定子與內(nèi)轉(zhuǎn)子構(gòu)成的永磁無刷電機(jī)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(dòng)勢(shì)感生的感應(yīng)電壓補(bǔ)償了相電壓與電流之間的相位差，該電機(jī)有0.95的高功率因數(shù)。

雙邊永磁體勵(lì)磁電機(jī)也是一類結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的磁場(chǎng)調(diào)制型電機(jī)。文獻(xiàn)[47]中提出的電機(jī)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(chǎng)調(diào)制效應(yīng)，電樞繞組激勵(lì)的磁場(chǎng)和兩組永磁體激勵(lì)的磁場(chǎng)都有效耦合。雙邊永磁體勵(lì)磁電機(jī)比磁齒輪永磁復(fù)合電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，兩組永磁體使其轉(zhuǎn)矩密度高于普通永磁游標(biāo)電機(jī)。

圖4 雙邊永磁體勵(lì)磁電機(jī)

聚磁效應(yīng)能夠改善氣隙磁通密度使電機(jī)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(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示，該電機(jī)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(jì)，定子槽的開口設(shè)計(jì)使空間利用率提高。通過有限元分析和樣機(jī)試驗(yàn)，驗(yàn)證了該電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度高、外特性硬的優(yōu)點(diǎn)。

圖5 聚磁式永磁游標(biāo)電機(jī)

3 永磁盤式電機(jī)

永磁盤式電機(jī)以其高轉(zhuǎn)矩密度、高效率、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，在車用電機(jī)、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(duì)永磁盤式電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)理論的優(yōu)化進(jìn)行探究，以進(jìn)一步提升電機(jī)性能。

印制電路板（Printed Circuit Board, PCB）定子繞組具有機(jī)械強(qiáng)度和加工精度高的優(yōu)勢(shì)，并且簡(jiǎn)化了電機(jī)結(jié)構(gòu)，被越來越多地應(yīng)用于永磁盤式電機(jī)。Sanjida Moury提出一種采用PCB定子繞組的新型永磁盤式發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)速為72r/min柔性PCB繞組線圈呈楔形纏繞。該電機(jī)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(diǎn)，成為船舶用直驅(qū)式海流發(fā)電機(jī)的良好選擇。

Metin Aydin提出一種新型無鐵心永磁盤式電機(jī)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(dòng)勢(shì)波形近似正弦波。與常規(guī)表貼式永磁盤式電機(jī)相比，該電機(jī)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(jī)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(jī)，在相同電機(jī)外徑、軸向長(zhǎng)度、永磁體用量和極對(duì)數(shù)的條件下，效率更高，功率密度達(dá)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(jī)在不同風(fēng)速下保持輸出電壓恒定，有印度學(xué)者針對(duì)永磁盤式發(fā)電機(jī)提出一種新方法，采用多組定子繞組設(shè)計(jì)，并根據(jù)風(fēng)速改變繞組的連接方式，樣機(jī)的轉(zhuǎn)速為300r/min。該方法有效實(shí)現(xiàn)電機(jī)恒壓輸出，使電機(jī)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(shí)能量轉(zhuǎn)換效率大大提升。

4 橫向磁通電機(jī)

橫向磁通電機(jī)解決了傳統(tǒng)電機(jī)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(jiǎn)單。近年來，在船只推進(jìn)、新能源汽車和風(fēng)力發(fā)電等場(chǎng)合，已有嘗試性應(yīng)用。橫向磁通電機(jī)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(diǎn)，為解決上述問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電機(jī)拓?fù)涞母倪M(jìn)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(jī)中也有廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)[34]中提出一種聚磁式發(fā)電機(jī)如圖7所示，內(nèi)外定子的齒部交錯(cuò)排布，每相有兩套繞組，提升了電機(jī)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(jī)

文獻(xiàn)[56]提出將橫向磁通電機(jī)的上下凸極轉(zhuǎn)子錯(cuò)開半個(gè)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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)矩密度比橫向磁通磁阻電機(jī)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(jī)，經(jīng)過有限元仿真和試驗(yàn)驗(yàn)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?jī)H為傳統(tǒng)橫向磁通永磁同步電機(jī)的33%，永磁體利用率提高，滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

5 雙定子/雙轉(zhuǎn)子電機(jī)

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

文獻(xiàn)[61]中基于等效磁路和有限元法，對(duì)一種用于電動(dòng)汽車的雙轉(zhuǎn)子五相永磁同步電機(jī)的電磁特性進(jìn)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(duì)電機(jī)磁耦合的影響，進(jìn)而給出磁解耦設(shè)計(jì)方法，對(duì)其他結(jié)構(gòu)雙定子/雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的分析、設(shè)計(jì)具有借鑒意義。

近幾年，許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者將兩種或多種類型的電機(jī)相結(jié)合進(jìn)行拓?fù)鋭?chuàng)新，揚(yáng)長(zhǎng)避短并充分發(fā)揮出各種電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)。雙定子/雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)非常適合永磁盤式電機(jī)、橫向磁通電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)等相結(jié)合。文獻(xiàn)[62]提出一種新型輪輻式雙定子軸向磁通永磁游標(biāo)電機(jī)，提高了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度（達(dá)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(dòng)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(xiàn)[63]中結(jié)合分?jǐn)?shù)槽集中繞組和游標(biāo)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，提出一種新型雙定子低速大轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電機(jī)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(jìn)一步發(fā)揮雙定子電機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，提高了轉(zhuǎn)矩密度（達(dá)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(jī)

（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