近年来,随着产业的升级和工业发展的需求,智能制造及工业机器人行业蓬勃发展。伺服电机是工业机器人的核心部件之一,受到机器人各关节安装空间、重量等因素的限制,如何进一步减小伺服电机的体积、重量,提高功率密度和转矩密度成为了新的研究方向。相较于目前常见的径向磁通永磁无刷电机,轴向磁通永磁(Axial-flux Permanent Magnet,AFPM)电机具有轴向长度短、重量轻、体积小、高转矩密度和高转矩/转动惯量比的特点,适合应用于高端伺服场合。目前市场上常见的轴向磁通盘式永磁电机的定子铁心多为硅钢片卷绕而成,由于硅钢片的二维磁路结构,其绕组端部在径向上相对于定子突出,占用电机空间却不产生能量转换,阻碍了轴向磁通电机转矩密度的进一步提升。软磁复合材料(Soft magnetic composite,SMC)是一种粉末冶金技术制造的新型材料,是由铁粉颗粒外裹绝缘层形成,可以根据具体的使用情况模压成复杂的电机铁心形状。SMC相较于硅钢片具有磁热各向同性的特点,并且由于其独特的制造工艺,适合应用于具有三维磁路结构的电机中,有利于创新电机结构,提高电机转矩密度。但同时SMC材料相比于硅钢片,也存在导磁率低、正常工作频率下铁耗大、机械强度低等缺点。本文基于SMC材料和叠压硅钢片材料在铁磁和机械性能上的互补性,研究分析SMC-Si钢组合铁心的双定子盘式轴向磁通永磁无刷伺服电机,创新了电机的装配工艺,提高了电机的性能,具有理论意义和实用价值。本文主要研究内容如下:(1)简述本课题的研究背景和意义。包括工业机器人和智能制造的发展背景、国内外轴向磁通永磁电机研究现状、SMC材料永磁电机研究现状和本文设计的SMC-Si钢组合铁心AFPM电机的主要内容;(2)对SMC-Si钢组合铁心盘式永磁无刷伺服电机的原理结构、性能表现和初步设计进行了研究。首先介绍了 SMC-Si钢组合铁心盘式轴向磁通永磁无刷伺服电机的原理结构,然后对作为参考的商用径向磁通永磁无刷伺服电机进行了电磁方案的分析。基于这一商用伺服电机,对SMC-Si钢组合铁心AFPM电机进行了电磁设计的研究,最后对SMC-Si钢组合铁心AFPM电机和硅钢AFPM电机的性能进行对比分析;(3)针对设计的SMC-Si钢组合铁心AFPM电机进行齿槽转矩的分析和优化,以达到降低额定运行时的转矩脉动的目的。内容主要包括对于转矩脉动和齿槽转矩的分析、提出三个影响齿槽转矩的设计变量并利用仿真分析其对于齿槽转矩和反电动势的影响、利用响应面模型和遗传算法相结合的方法对所提出的三个设计变量进行整体优化,得出优化结果并进行仿真验证;(4)根据之前的分析和优化设计,进行样机的制作和测试。包括样机的装配、空载发电实验、负载实验、温升实验以及与仿真结果的对比总结。验证了设计方案的可行性和优越性。