東南大學汪波教授團隊：面向高轉矩密度永磁游標電機的多自由度磁場調制器設計

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導語

永磁游標電機具有高轉矩密度優勢，在低速大轉矩驅動領域展現出良好的應用前景。然而，這類電機的性能在很大程度上取決于磁場調制器的設計。傳統裂齒結構設計自由度有限，往往難以兼顧磁場調制能力、漏磁抑制與轉矩提升。針對這一問題，東南大學汪波教授團隊提出了多自由度磁場調制器設計方法，并進一步構建了等效裂齒結構，在提高設計靈活性的同時兼顧工程實現。研究表明，所設計的永磁游標電機相比傳統均勻裂齒結構平均轉矩提升37.53%，樣機實驗也驗證了所提方法的有效性。

研究背景

永磁游標電機兼具永磁電機與磁場調制電機的特點，具有結構緊湊、轉矩密度高等優勢，在風力發電、船舶推進、液壓鍛造等低速大轉矩場景中具有較好的應用潛力。近年來，圍繞裂齒數優化、非對稱調制器、混合定子結構以及磁場編輯等方向，國內外學者已開展了大量研究，這也表明磁場調制器是影響永磁游標電機性能的關鍵環節。

然而，現有設計大多基于固定齒形展開，調制器可調參數較少，難以充分挖掘磁場調制潛力。尤其對于多裂齒結構，僅依靠經驗試湊，往往難以同時兼顧工作諧波增強、漏磁抑制與轉矩提升。因此，構建一種更加靈活、更加系統的磁場調制器設計方法，成為進一步提升永磁游標電機性能的重要問題。

論文所解決的問題及意義

本文主要解決的問題是：傳統裂齒結構設計自由度有限，難以同時兼顧磁場調制能力、漏磁抑制和高轉矩輸出。

針對這一問題，論文首先提出了磁場調制器多自由度設計方法，將原本固定的裂齒結構轉化為多個調制因子的組合設計問題，使磁場調制器設計更加靈活、更加系統。進一步地，通過對不同調制比結構的比較分析，指出永磁游標電機的調制比設計與漏磁影響之間存在權衡關系。最終，論文提出了更易實現的等效裂齒結構，在保持較優電磁性能的同時降低了設計復雜度，為相關電機結構的工程應用提供了新的思路。

論文方法及創新點

1、提出多自由度磁場調制器設計方法

針對傳統裂齒結構設計自由度有限的問題，論文將磁場調制器齒槽區域分解為多個獨立調制因子，把原本較為固定的齒形設計轉化為可參數化、可優化的設計問題，從而提升了磁場調制器的設計靈活性，為高性能永磁游標電機設計提供了新思路，見圖1。

圖1 多自由度磁場調制器設計

2、基于多自由度設計方法篩選優選拓撲

在此基礎上，論文設計并比較了不同調制比的多種永磁游標電機結構，分析了相對氣隙磁導、反電動勢和電磁轉矩等特性。研究發現，調制比提高并不必然帶來更優性能，而是需要在磁場調制增強與漏磁增大之間進行平衡，最終確定了綜合性能更優的結構方案。

3、提出等效裂齒結構并完成實驗驗證

為了兼顧設計效果與工程實現，論文進一步提出等效裂齒結構，并將其與多自由度裂齒結構及傳統均勻裂齒結構進行對比。結果表明，等效裂齒結構在明顯減少設計自由度、降低優化復雜度的同時，仍能保持與多自由度裂齒結構相近的電磁性能，并較均勻裂齒結構實現更高的轉矩輸出。最終，樣機實驗結果與仿真分析基本一致，驗證了所提方法和結構設計的有效性。

圖2 等效裂齒設計以及轉矩對比

圖3 樣機實物圖以及測試轉矩電流曲線

結論

本文圍繞永磁游標電機磁場調制器設計問題，提出了多自由度磁場調制器設計方法，并建立了從優選拓撲篩選、等效裂齒設計到樣機驗證的完整研究思路。研究表明，永磁游標電機性能提升并不是單純追求更高調制比，而是需要統籌考慮磁場調制效果與漏磁影響之間的平衡。所提出的多自由度設計方法提高了裂齒結構優化的靈活性，等效裂齒結構則在降低設計復雜度的同時保持了較優的電磁性能。樣機實驗進一步驗證了理論分析和仿真結果的正確性，也為永磁游標電機的工程設計提供了新的參考。

團隊介紹

東南大學電氣工程學院汪波教授，隸屬于JEMPEL課題組，長期從事于高性能永磁電機、容錯電機驅動系統等方向研究。主持國家自然科學基金重大項目子課題、面上項目青年基金、等重要項目，參與國家自然科學基金重點項目、國家重點研發計劃、裝發預研、江蘇省雙碳項目等重要課題，與長城汽車、格力電器、南瑞集團等龍頭企業長期保持合作關系。發表SCI/EI期刊會議論文四十余篇，入選2020年度東南大學“至善青年學者”A層次支持計劃，2019年度“香江學者”，江蘇省“雙創博士”。

汪波

教授、博士生導師，研究方向為高性能永磁電機、容錯電機驅動系統、高轉矩密度電機優化設計等。

王榮鑫

博士研究生，研究方向為永磁游標電機電磁性能優化設計等。

本工作成果發表在2026年第4期《電工技術學報》，論文標題為“永磁游標電機多自由度磁場調制器設計“。本課題為國家自然科學基金和江蘇省雙碳科技創新專項基金資助項目。

引用本文

王榮鑫, 汪波, 蔡海維, 趙文俊, 程明. 永磁游標電機多自由度磁場調制器設計[J]. 電工技術學報, 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.

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