东南大学汪波教授团队：面向高转矩密度永磁游标电机的多自由度磁场调制器设计

阅读提示：本文约 2400 字

导语

永磁游标电机具有高转矩密度优势，在低速大转矩驱动领域展现出良好的应用前景。然而，这类电机的性能在很大程度上取决于磁场调制器的设计。传统裂齿结构设计自由度有限，往往难以兼顾磁场调制能力、漏磁抑制与转矩提升。针对这一问题，东南大学汪波教授团队提出了多自由度磁场调制器设计方法，并进一步构建了等效裂齿结构，在提高设计灵活性的同时兼顾工程实现。研究表明，所设计的永磁游标电机相比传统均匀裂齿结构平均转矩提升37.53%，样机实验也验证了所提方法的有效性。

研究背景

永磁游标电机兼具永磁电机与磁场调制电机的特点，具有结构紧凑、转矩密度高等优势，在风力发电、船舶推进、液压锻造等低速大转矩场景中具有较好的应用潜力。近年来，围绕裂齿数优化、非对称调制器、混合定子结构以及磁场编辑等方向，国内外学者已开展了大量研究，这也表明磁场调制器是影响永磁游标电机性能的关键环节。

然而，现有设计大多基于固定齿形展开，调制器可调参数较少，难以充分挖掘磁场调制潜力。尤其对于多裂齿结构，仅依靠经验试凑，往往难以同时兼顾工作谐波增强、漏磁抑制与转矩提升。因此，构建一种更加灵活、更加系统的磁场调制器设计方法，成为进一步提升永磁游标电机性能的重要问题。

论文所解决的问题及意义

本文主要解决的问题是：传统裂齿结构设计自由度有限，难以同时兼顾磁场调制能力、漏磁抑制和高转矩输出。

针对这一问题，论文首先提出了磁场调制器多自由度设计方法，将原本固定的裂齿结构转化为多个调制因子的组合设计问题，使磁场调制器设计更加灵活、更加系统。进一步地，通过对不同调制比结构的比较分析，指出永磁游标电机的调制比设计与漏磁影响之间存在权衡关系。最终，论文提出了更易实现的等效裂齿结构，在保持较优电磁性能的同时降低了设计复杂度，为相关电机结构的工程应用提供了新的思路。

论文方法及创新点

1、提出多自由度磁场调制器设计方法

针对传统裂齿结构设计自由度有限的问题，论文将磁场调制器齿槽区域分解为多个独立调制因子，把原本较为固定的齿形设计转化为可参数化、可优化的设计问题，从而提升了磁场调制器的设计灵活性，为高性能永磁游标电机设计提供了新思路，见图1。

图1 多自由度磁场调制器设计

2、基于多自由度设计方法筛选优选拓扑

在此基础上，论文设计并比较了不同调制比的多种永磁游标电机结构，分析了相对气隙磁导、反电动势和电磁转矩等特性。研究发现，调制比提高并不必然带来更优性能，而是需要在磁场调制增强与漏磁增大之间进行平衡，最终确定了综合性能更优的结构方案。

3、提出等效裂齿结构并完成实验验证

为了兼顾设计效果与工程实现，论文进一步提出等效裂齿结构，并将其与多自由度裂齿结构及传统均匀裂齿结构进行对比。结果表明，等效裂齿结构在明显减少设计自由度、降低优化复杂度的同时，仍能保持与多自由度裂齿结构相近的电磁性能，并较均匀裂齿结构实现更高的转矩输出。最终，样机实验结果与仿真分析基本一致，验证了所提方法和结构设计的有效性。

图2 等效裂齿设计以及转矩对比

图3 样机实物图以及测试转矩电流曲线

结论

本文围绕永磁游标电机磁场调制器设计问题，提出了多自由度磁场调制器设计方法，并建立了从优选拓扑筛选、等效裂齿设计到样机验证的完整研究思路。研究表明，永磁游标电机性能提升并不是单纯追求更高调制比，而是需要统筹考虑磁场调制效果与漏磁影响之间的平衡。所提出的多自由度设计方法提高了裂齿结构优化的灵活性，等效裂齿结构则在降低设计复杂度的同时保持了较优的电磁性能。样机实验进一步验证了理论分析和仿真结果的正确性，也为永磁游标电机的工程设计提供了新的参考。

团队介绍

东南大学电气工程学院汪波教授，隶属于JEMPEL课题组，长期从事于高性能永磁电机、容错电机驱动系统等方向研究。主持国家自然科学基金重大项目子课题、面上项目青年基金、等重要项目，参与国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划、装发预研、江苏省双碳项目等重要课题，与长城汽车、格力电器、南瑞集团等龙头企业长期保持合作关系。发表SCI/EI期刊会议论文四十余篇，入选2020年度东南大学“至善青年学者”A层次支持计划，2019年度“香江学者”，江苏省“双创博士”。

汪波

教授、博士生导师，研究方向为高性能永磁电机、容错电机驱动系统、高转矩密度电机优化设计等。

王荣鑫

博士研究生，研究方向为永磁游标电机电磁性能优化设计等。

本工作成果发表在2026年第4期《电工技术学报》，论文标题为“永磁游标电机多自由度磁场调制器设计“。本课题为国家自然科学基金和江苏省双碳科技创新专项基金资助项目。

引用本文

王荣鑫, 汪波, 蔡海维, 赵文俊, 程明. 永磁游标电机多自由度磁场调制器设计[J]. 电工技术学报, 2026, 41(4): 1169-1180. Wang Rongxin, Wang Bo, Cai Haiwei, Zhao Wenjun, Cheng Ming. Design of Multi Degree of Freedom Magnetic Field Modulator for Permanent Magnet Vernier Machine. Transactions of China Electrotechnical Society, 2026, 41(4): 1169-1180.

阅读全文