1 真分數槽集中繞組永磁電機

目前，國內外學者對真分數槽集中繞組的研究主要在繞組性能分析、新型控制和設計方法的創新等方面。真分數槽集中繞組的缺陷是增大了電感值，導致電機最大輸出功率嚴重降低，因此多用于風力發電系統，而對電機過載能力要求較高的場合應用很少。

沈陽工業大學研制一臺用于精密數控機床的80極96槽低速大轉矩永磁直驅電機，采用真分數槽集中繞組和不等厚定子齒寬相結合的結構設計。令寬齒的齒部寬度等于極距，集中式繞組的繞組節距即等于極距，短距系數為1，不等厚齒寬結構提高了電機的繞組系數和齒部磁通。

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

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最大轉矩密度是目前熱門的研究課題。

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的轉矩密度比傳統永磁電機提高80%，可以達到80～120kN·m/m3；永磁游標電機也具有結構緊湊、轉矩密度高的特點，兩類電機以優良的低速大轉矩特性被廣泛應用于發電設備、起重機械和船只驅動等系統。

兩類電機特別是磁齒輪永磁復合電機結構復雜，生產加工難度大，限制了其發展應用。另外，磁場調制作用利用定子中有效諧波磁場傳遞轉矩和能量，存在功率因數和效率偏低的缺點。因此，拓撲結構和設計理論的創新仍是發展的趨勢。

用定子齒實現調磁環的作用能簡化機械結構，在傳統磁齒輪結構的基礎上，文獻[32]中提出一種新型同軸磁齒輪永磁無刷直驅電機。電機的定子齒即為調磁齒，外轉子的極靴也起到磁場調制的作用，此時電機可看作是定子與外轉子構成的游標電機和定子與內轉子構成的永磁無刷電機的合成。

由于磁齒輪的作用，外轉子的轉速為120r/min，并且輸出轉矩等于兩部分轉矩的疊加。此外，外轉子的4次諧波磁動勢感生的感應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。

雙邊永磁體勵磁電機也是一類結構較為簡單的磁場調制型電機。文獻[47]中提出的電機拓撲如圖4所示，定子齒部和轉子軛部各插入一組永磁體，由于雙向磁場調制效應，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合電機結構簡單，兩組永磁體使其轉矩密度高于普通永磁游標電機。

圖4 雙邊永磁體勵磁電機

聚磁效應能夠改善氣隙磁通密度使電機磁負荷提高。程明教授提出一種應用于風力發電的新型聚磁式永磁游標電機，其結構如圖5所示，該電機轉速為214r/min，采用輪輻式永磁體結構的外轉子設計，定子槽的開口設計使空間利用率提高。通過有限元分析和樣機試驗，驗證了該電機轉矩密度高、外特性硬的優點。

圖5 聚磁式永磁游標電機

3 永磁盤式電機

永磁盤式電機以其高轉矩密度、高效率、結構緊湊等優點，在車用電機、家用電器、發電設備等領域有廣泛的應用前景。目前，學者對永磁盤式電機拓撲結構和設計理論的優化進行探究，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勢，并且簡化了電機結構，被越來越多地應用于永磁盤式電機。Sanjida Moury提出一種采用PCB定子繞組的新型永磁盤式發電機，轉速為72r/min柔性PCB繞組線圈呈楔形纏繞。該電機消除了集電環，并且具有效率高、零鐵耗、零齒槽轉矩等優點，成為船舶用直驅式海流發電機的良好選擇。

Metin Aydin提出一種新型無鐵心永磁盤式電機如圖6所示，采用輪輻式分瓣轉子，結合內置式磁路結構和可調節氣隙，反電動勢波形近似正弦波。與常規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矩密度。

圖6 輪輻式無鐵心軸向磁通電機的正弦分段轉子

日本學者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電機，在相同電機外徑、軸向長度、永磁體用量和極對數的條件下，效率更高，功率密度達到219kW/m3，為商業化產品的9.4倍。

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

4 橫向磁通電機

橫向磁通電機解決了傳統電機定子齒部和定子槽之間的相互約束，具有更高的轉矩密度，繞組結構簡單。近年來，在船只推進、新能源汽車和風力發電等場合，已有嘗試性應用。橫向磁通電機存在功率因數偏低、漏磁較大、結構工藝復雜和生產成本高等缺點，為解決上述問題，國內外學者對電機拓撲的改進和優化做了大量嘗試。

聚磁式結構能夠提高永磁體利用率，在橫向磁通電機中也有廣泛應用。文獻[34]中提出一種聚磁式發電機如圖7所示，內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構緊湊性，有利于轉矩密度提高。

圖7 聚磁式橫向磁通永磁盤式發電機

文獻[56]提出將橫向磁通電機的上下凸極轉子錯開半個極距，并且用環形鐵心連接。這種結構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。有限元仿真結果表明，電機的永磁體利用率比原有結構提高近一倍。

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

5 雙定子/雙轉子電機

憑借結構優勢，雙定子/雙轉子電機受到很多學者青睞，在風力發電、新能源汽車、精密機器人等應用領域發展很快。雙定子/雙轉子電機的缺點是結構復雜，存在兩個氣隙，內外電機之間存在磁耦合，增加了設計與仿真分析的復雜度。

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、定子軛部厚度、繞組結構等因素對電機磁耦合的影響，進而給出磁解耦設計方法，對其他結構雙定子/雙轉子電機的分析、設計具有借鑒意義。

近幾年，許多國內外學者將兩種或多種類型的電機相結合進行拓撲創新，揚長避短并充分發揮出各種電機結構優勢。雙定子/雙轉子電機的結構特點非常適合永磁盤式電機、橫向磁通電機、開關磁阻電機等相結合。文獻[62]提出一種新型輪輻式雙定子軸向磁通永磁游標電機，提高了電機的轉矩密度（達38kN·m/m3），改善了功率因數（0.89），轉速為300r/min，在風力發電、電動汽車等低速大轉矩直驅系統有良好的應用前景。

文獻[63]中結合分數槽集中繞組和游標電機的優點，提出一種新型雙定子低速大轉矩永磁直驅電機如圖8所示，轉速為270r/min。外定子采用分數槽集中繞組，減少槽數和定子軛部厚度；內定子采用游標結構以減少定子槽數。該結構進一步發揮雙定子電機的結構優勢，提高了轉矩密度（達50kN·m/m3），并且有效削弱了齒槽轉矩。

圖8 新型雙定子永磁直驅電機

（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