摘要：近年来，在许多工业应用场合中，往往需要机械齿轮与电机配合完成低速大转矩输出，这样的传动机构体积庞大且损耗较高。作为时下研究热点的直驱式电机减少了机械损耗、消除了机械齿轮的振动噪声，提高了能量传递效率。但常规直驱式电机为了在低速运行时获得大转矩输出，一般极数较多、体积较大且负载运行电流高，对控制器的要求大大增加，不仅提高了制造成本且加大了运行风险。
关键词：新型永磁；游标电机；设计与研究
1电机结构与原理
1.1电机结构
图1为所提出电机的结构示意图，表1为其设计数据。图2为此游标电机的装配示意图。绕有电枢绕组的内定子安置于端盖延伸出的基座上，基座内侧空间放置输出转轴，外定子置于机壳的内侧壁上。转子如图3所示，其为磁钢与笼条的复合结构。其中，笼条使用的是具有一定机械强度的非导磁材料，既承担固定磁钢组成传动构件又起到隔磁的作用。笼条的轴向长度长于磁钢，两端由端环固定，端环上开有螺孔，以便与转轴固定连接。图4为该电机拆分图，为便于清晰的体现电机结构，图中没有给出转轴及端环，笼条轴向尺寸也仅取与磁钢长度相同的部分。
图1游标电机二维模型 图2游标电机剖面示意图
表1游标电机参数参数
图3游标电机转子结构示意图
1.2工作原理
游标电机与永磁齿轮都是基于磁通调制原理而工作的，其设计原则也相似。永磁齿轮由高速内转子、调磁环、低速外转子组成，游标电机用高速旋转的电枢磁场代替高速内转子，经定子齿的磁通调制作用，完成低速大转矩输出。由文献可知，游标电机中转子磁极对数、定子磁极对数、定子齿数和转速之间的关系为:
(1)
其中:p是内定子电枢绕组产生的磁极对数，ns是游标电机定子齿数。磁密空间谐波的旋转角速度为：
（2）
当m=1，k=－1时经由定子齿调制后的气隙谐波磁场最强，电枢磁场与转子磁场具有相同的电角速度，二者转速按照一定的比例运转。因此，可得转速比为:
(3)
这里，选择内定子极对数为2对极，定子齿数为24个，转子磁极为22对，调速比为－11/1，负号表示电机转向与定子磁场转向相反。
2参数影响及优化设计
在电机设计的发展过程中，磁路法一直受到设计者的青睐，但对于游标电机来说，其结构相对复杂，使用传统的磁路分析十分困难，而采用有限元法进行分析与优化设计是解决这一问题很好的途径。由于定子齿是引起定转子不同极的原因，其结构参数对电机性能影响较大，这里对定子齿进行优化。
2.1定子齿宽优化
游标电机中，具有磁通调制作用的定子齿的周向宽度对电机的转矩等运行性能等有较大的影响。如图5所示，以内定子为例，定义一个齿槽为一个磁通调制单元，其中定子槽周向宽度对应的圆心角为θ1，定子齿对应的圆心角为θ2。因此，定子齿宽度在周向所占比例可由下式计算:
（4）
取内外定子齿宽度在周向所占比例为控制变量，维持其余结构参数不变进行优化分析，游标电机的输出转矩随该比例变化关系如图6所示。从图中可以看出，在内定子齿周向所占比例为45%、外定子齿周向所占比例为35%时，得到的稳态输出转矩最大。
2.2定子齿高的优化
确定定子齿宽度后，以内外定子齿径向高度为变量进行优化，所得输出转矩随该变量变化关系如图7所示。
图4游标电机拆分图 图5游标电机调制单元示意图
图6输出转矩随定子齿宽度变化曲线 图7输出转矩随定子齿高度变化曲线
由图中可以看出，在内定子齿高为11mm，外定子齿高为6mm时，电机转矩输出最大，其值为77N•m。
3结语
本文提出了一台新型永磁游标电机，利用有限元软件建立了该电机二维模型，对影响电机性能较大的结构参数进行了优化设计，并对优化后的电机进行了电磁分析，得到以下结论:37第2期谢颖等:新型永磁游标电机的设计与研究1)本文所提出电机转子为22对极，定子齿为24个，通过磁通调制作用，在内外定子处均产生了4极磁场，证明了理论分析的正确性。2)对电机定子齿的宽度、高度及其配比进行优化设计，发现在内定子齿宽为45%、齿高为11mm;外定子齿宽为35%、齿高为6mm时电机输出转矩最大。3)对电机A相空载反电势进行谐波分析，结果显示其基波含量大，谐波总畸变率低，反电势正弦度高，有利于降低电机的转矩波动，使其稳定运行。4)该电机齿槽转矩进行了分析，发现其齿槽转矩较小，周期为同条件下12槽电机的一半，证明由于游标电机特殊定子齿槽结构，减小了转矩周期，对齿槽转矩幅值有所削弱。5)电机输出端的转速为电枢磁场转速
的1/11，不需要额外的减速传动机构，相对于常规直驱电机在同转矩情况下体积大幅减小，十分适用于电动汽车等直接驱动场合。
参考文献
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论文作者:刘庆超
论文发表刊物:《基层建设》2019年第2期
论文发表时间:2019/4/11
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