【摘 要】
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现今社会对低速大转矩电机的需求逐渐增多,学者和工程师们提出的低速大转矩电机拓扑设计及优化也越来越多。传统大转矩电机一般采用机械齿轮的结构来实现减速从而达到输出大转矩的目的,然而机械齿轮具有齿轮磨损、振动噪音等一系列固有问题,使得电机的可靠性下降,尤其是在过载的运行状态下更容易出现机械齿轮断裂的问题。低速大转矩电机除采用机械齿轮或直驱等结构外,还可以采用磁齿轮的结构来实现。磁齿轮能通过磁场调制效应实
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现今社会对低速大转矩电机的需求逐渐增多,学者和工程师们提出的低速大转矩电机拓扑设计及优化也越来越多。传统大转矩电机一般采用机械齿轮的结构来实现减速从而达到输出大转矩的目的,然而机械齿轮具有齿轮磨损、振动噪音等一系列固有问题,使得电机的可靠性下降,尤其是在过载的运行状态下更容易出现机械齿轮断裂的问题。低速大转矩电机除采用机械齿轮或直驱等结构外,还可以采用磁齿轮的结构来实现。磁齿轮能通过磁场调制效应实现变速和大转矩输出,其无接触式结构避免了机械齿轮的一系列问题。游标电机也具有“磁齿轮”效应,但其功率因数过低限制了推广。结合磁齿轮和游标电机的游标伪直驱永磁电机（Vernier pseudo-direct-drive permanent-magnet machine,简称VPDD）能输出更高的转矩密度和拥有更高的功率因数。然而实际上,以往文献中提出的VPDD采用了分布绕组的绕组排布,因而端部绕组长度较长,会增大电机占用体积,严重影响转矩密度大小。在此研究背景下,本文以游标伪直驱永磁电机为研究对象,以提升转矩密度为主要目标,开展了以下几个方面的工作:1)对磁场调制原理和游标电机的工作原理进行了介绍,并由此引出了VPDD的拓扑结构和工作原理介绍,为下文新拓扑结构的提出和设计优化提供了理论基础。2)基于原VPDD,提出了定子分裂齿式的新型游标伪直驱永磁电机（Split-teeth VPDD,简称ST-VPDD）。为了输出较高的转矩密度,对于磁场调制型电机而言,应使电枢绕组的极对数较小从而保证较大的齿轮比。该新型拓扑结构的槽数较少,在电枢绕组极对数较小的情况下依然能够应用集中绕组且保证较高的绕组系数。集中绕组因其端部绕组长度较短,能减小电机体积从而大幅提升电机的转矩密度。为了定量研究集中绕组对转矩密度带来的提升,提出了绕组的几何模型,并将其引入转矩密度的计算,从而更加真实地反映电机的实际转矩密度大小。3)对ST-VPDD进行以最大输出转矩密度为目标的设计与优化。以ST-VPDD的基本工作原理为基础,提出了计算速度极快但精度较差的转矩密度计算数学模型,对STVPDD的槽极配合进行了初步设计筛选。随后依次利用速度较快但无法考虑磁饱和问题的线性有限元仿真和精度高但速度慢的非线性有限元仿真对ST-VPDD进行进一步优化,并结合电流密度优化策略对优化速度进行进一步提升。最后对优化得到的ST-VPDD进行了退磁校核和性能分析及对比。在限定相同的定子外半径、有效轴向长度和达到最大磁齿轮传输转矩的条件下,结果显示,在考虑端部绕组的体积效应后,最优ST-VPDD能输出77.4 Nm/L的最大转矩密度,相较于VPDD所能输出的40.3 Nm/L最大转矩密度提升了92%;ST-VPDD的功率因数为0.96,略高于VPDD（0.94）。在加入3 mm的非导磁不锈钢套筒的情况下,ST-VPDD能输出60.3 Nm/L的转矩密度,相较于VPDD依然有49.6%的提升。
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