知识贴：游标永磁电机及相关科研问题的研究进展为了解决传统永磁电机转矩密

为了解决传统永磁电机转矩密度的提升越来越缓慢，跟不上新能源汽车、新能源发电等新兴行业需求的问题，研究人员从电机基础理论和拓扑结构出发，提出了一种新型电机，即游标永磁电机，它翻译自英文“Vernier motor” 。
【知识贴：游标永磁电机及相关科研问题的研究进展】游标永磁电机的定子极对数ps与转子极对数pr不相等， (pr/ps)个转子极对应1个定子极，这种现象类似于游标卡尺上下刻度的对应关系，因此命名为游标电机。
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游标永磁电机基于磁场调制原理产生稳态转矩，其电磁转矩除了与电、磁负荷有关外，还要乘以一个转矩放大系数PR（即极比），因此从外特性看，游标永磁电机相当于一台普通永磁电机加一台变比为PR的电磁齿轮的组合。因此，从原理上游标永磁电机具有较传统永磁电机更高的转矩密度，并已经得到了相关分析、仿真和实验的证明。
根据励磁方式的不同，游标永磁电机主要包括径向励磁游标永磁电机、海尔贝克磁钢游标永磁电机和切向励磁游标永磁（Spoke-Array Vernier Permanent Magnet, SA-VPM）电机三种。切向励磁方式具有聚磁效应，气隙磁通密度更高。因此，在相同的电机体积和散热条件下， SA-VPM电机的反电动势更高、转矩密度也更高。
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图1 切向励磁游标永磁电机拓扑结构
然而，研究人员发现高极比SA-VPM电机存在严重的“磁障效应” ，造成定子轭部磁通密度反而下降，严重限制了SA-VPM电机的转矩性能。
为了解决传统SA-VPM电机存在“磁障效应”的问题，强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学）的研究人员在2020年第15期《电工技术学报》上撰文，提出了一种新型带连接桥交替极切向励磁游标永磁电机。
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图2 空载时磁通密度分布对比
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图3 负载时磁通密度分布对比
该新型电机磁钢极性相同，用量仅为传统拓扑的一半。与永磁体相邻的连接桥和转子轭部为主磁场提供通路，从而减小气隙磁阻，增加少极工作磁通密度并提升反电动势和转矩密度。
有限元分析可知极比越高，新型SA-VPM电机优势越明显。极比为11的新型SA-VPM电机的空载反电动势比传统SA-VPM电机高87.3% ，平均转矩高23.6%且转矩脉动更低。同时，新型SA-VPM电机的永磁体用量减少了56.28% ，因此转矩/永磁体用量的值约是传统SA-VPM电机的2.83倍，电机成本大幅下降。
本文编自2020年第15期《电工技术学报》，原文标题为“一种交替极切向励磁游标永磁电机的分析与设计” ，作者为梁子漪、曲荣海等。