用于直接驱动应用的双定子混合无刷维尼尔电机的设计与分析

为日常机械打造更聪明的电机

从洗衣机到工厂机器人，许多现代设备需要低速但大扭矩的电机。工程师们正通过设计能够在低速下直接输出高扭矩的电机，来替代体积庞大的齿轮箱。本文探讨了一种新的电机设计，旨在以更少的运动部件和更低的长期成本提供强劲、高效且可靠的驱动。

齿轮箱为何成为阻碍

传统的直接驱动系统通过依赖永磁电机来避免齿轮，这类电机体积小、效率高且功率密度大。然而，它们常常依赖昂贵的稀土磁体，并且在高速时可能面临散热和机械应力问题。绕线转子电机通过线圈而非磁体产生磁场，避免了稀土材料的使用，但需要会磨损且有能量损耗的电刷和滑环。挑战在于在不引入各自弱点的前提下，结合两种方案的优点。

两个壳体与同一个核心的电机

研究人员提出了一种双定子混合无刷维尼尔电机，该电机在一个夹芯转子周围包裹两个静止的壳体（定子）。内定子同时承载常规三相绕组和一组额外的单相绕组，外定子仅带有三相绕组。转子本身具有两个功能面：一面装有表现为无刷绕线转子的绕组，另一面布置永磁体。通过将这些部件合理布置并采用特殊的电流激励方式，电机能够在无需物理电刷或滑环的情况下建立强磁场，同时每单位转矩所需的磁体比许多传统设计更少。

磁性齿轮效应如何起作用

在电机内部，内定子上的不同绕组在气隙中产生两种磁场模式：一种为四极，另一种为两极。两极场为转子上的小型励磁绕组供能，该励磁绕组再驱动一个绕制更多极对的大电场绕组。与此同时，外定子与转子上的一圈磁体相互作用。这些相互作用共同产生维尼尔（Vernier）或磁性齿轮效应：定子上的低极数场与转子上的高极数场发生耦合。结果是电机低速旋转但能输出高转矩，适合直接驱动洗衣桶或传送带等应用。

比较两种磁体布置方式

团队研究了两种仅在磁体嵌入方式上不同的双定子电机版本。在表面贴装版本中，磁体置于转子表面，形成跨越气隙的平滑均匀磁场。在内嵌版本中，磁体埋入转子铁芯内部，这样能提供更好的机械强度并有助于塑造磁场以实现更平稳的运行。通过详细的计算机仿真，在相同的尺寸和材料限制下，对两种设计在低速洗涤和高速甩干条件下进行了测试，以便公平比较它们的优点与权衡。

仿真结果

表面贴装设计在低速时提供了最高的转矩，约为44牛·米，在高速时仍超过20牛·米，同时效率保持在90%以上。这使其在需要紧凑电机提供强大拉力的重负荷任务中具有吸引力。内嵌磁体设计的转矩较低，低速约为32牛·米，但在转矩波动方面有显著下降，尤其是在高速下，转矩波动减少了近89%。更低的波动意味着运动更平顺、噪声和振动更小，这对精密设备和安静的家电非常重要。两种版本通过内侧无刷绕组在不增加磁体质量的情况下叠加转矩，相较参考机型都更有效地利用了磁体。

对未来机械的意义

对非专业读者来说，关键结论是这种双定子混合电机可以像内置的磁性齿轮箱一样工作，在不使用机械齿轮的情况下于低速产生强劲、平滑的转矩。若以原始拉力为首要考虑，表面贴装磁体版本更优；而若优先考虑更安静、更稳定的运动，则内嵌磁体版本是折衷选择。由于转子实现了无刷励磁，维护需求降低，同时通过谨慎使用磁体可以减轻对昂贵稀土材料的依赖。作者指出，未来工作仍需解决散热和电能质量等问题，但其结果展示了通向更高效、更可靠的日常设备直接驱动电机的可行路径。

引用: Kumar, K., Akbar, G., Ahmed, S. et al. Design and analysis of dual-stator hybrid brushless vernier motor for direct-drive applications. Sci Rep 16, 15635 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46998-6

关键词: 直接驱动电机, 永磁电机, 双定子电机, 无刷励磁, 转矩密度