本文的研究由马启凯在西安电子科技大学完成，其导师为赵亦工教授和赵羽剑高级工程师。该研究作为硕士学位论文的一部分，于2021年4月提交。论文的领域为电子与通信工程，学位类别为工程硕士。
直流永磁无刷力矩电机（Direct-Current Permanent Magnet Brushless Torque Motor, DC PMBLTM）因其宽调速范围、软机械特性以及能够在堵转条件下长时间工作等优点，广泛应用于军工、现代工业生产和日常生活等领域。然而，由于国外对华政策的限制，国内高端直流永磁无刷力矩电机产品高度依赖进口，军用产品更是直接禁运。因此，自主设计一款以输出转矩为主且能够高精度控制的直流永磁无刷力矩电机成为必要。
本文的研究旨在掌握直流永磁无刷力矩电机的自主设计流程，重点探讨电机的多物理场仿真和齿槽转矩的削弱方法，以提高电机的输出性能和稳定性。
本文的研究流程主要包括以下几个步骤：
电机性能指标与技术要求：首先，论文明确了直流永磁无刷力矩电机的主要性能指标和技术要求，包括额定功率、额定转矩、额定转速等。电机的设计目标是短时工作制，工作在最大功率点。
电机电磁与结构设计：论文介绍了电机设计的三种常用方法：等效磁路法、有限元法和场路结合方法。通过初始设计和电磁设计两个环节，计算出电机的主要尺寸，并选择电机的极槽配合、绕组形式和材料等。论文还比较了方波驱动与正弦波驱动两种电机的工作原理及其电磁功率和电磁转矩的优劣。
多物理场仿真：论文对电机进行了多物理场仿真，包括电磁场、温度场和振动场的分析。在电磁场仿真中，论文介绍了麦克斯韦方程在电机电磁场中的应用，并通过有限元分析得到了电机的输出性能。在温度场仿真中，论文计算了电机的铜损和铁损，并将其作为热源输入到有限元软件中进行仿真，得到了电机的温度场分布。在振动场仿真中，论文分析了电机振动的产生原因，并通过有限元仿真得到了电机的振动位移云图和频率响应波形图。
齿槽转矩的削弱方法研究：论文详细推导了齿槽转矩的数学表达式，并列举了常用的齿槽转矩分析方法，包括能量法、麦克斯韦张量法、有限元法和磁通-磁动势法。基于能量法，论文提出了削弱齿槽转矩的方法，并通过有限元仿真验证了这些方法的有效性。
通过多物理场仿真和齿槽转矩的削弱方法研究，论文得出了以下主要结果：
电磁场仿真结果：通过有限元分析，论文得到了电机的输出性能，并比较了永磁体各参数对电机气隙磁场和输出性能的影响。仿真结果表明，电机的输出特性与设计要求相匹配，电机负载下的额定转矩为1.3128 N·m，与初始设计输入的1.3 N·m仅相差0.9%，验证了设计方法的有效性。
温度场仿真结果：论文计算了电机的铜损和铁损，并通过有限元仿真得到了电机的温度场分布。仿真结果表明，电机的温度场分布合理，能够满足短时工作制的要求。
振动场仿真结果：论文分析了电机振动的产生原因，并通过有限元仿真得到了电机的振动位移云图和频率响应波形图。仿真结果表明，电机的振动特性符合设计要求。
齿槽转矩削弱方法验证：论文通过有限元仿真验证了削弱齿槽转矩方法的有效性。仿真结果表明，通过改变定子参数、磁极参数和合理选择极槽配合，可以有效削弱电机的齿槽转矩。
本文的研究具有重要的科学价值和应用价值。首先，论文通过多物理场仿真和齿槽转矩的削弱方法研究，提出了一套完整的直流永磁无刷力矩电机设计流程，为国内自主设计高端直流永磁无刷力矩电机提供了理论支持。其次，论文的研究成果可以应用于军工、现代工业生产和日常生活等领域，提高电机的输出性能和稳定性，降低对国外产品的依赖。
本文的研究亮点主要体现在以下几个方面：
多物理场仿真：论文对电机进行了电磁场、温度场和振动场的多物理场仿真，全面分析了电机的输出性能和稳定性。
齿槽转矩削弱方法：论文详细推导了齿槽转矩的数学表达式，并提出了有效的削弱方法，通过有限元仿真验证了这些方法的有效性。
工程可行性：论文在设计过程中考虑了资源的有效组合，仿真结果具备后期加工生产的可行性，为电机的实际生产提供了理论支持。
论文还详细介绍了电机设计中的材料选择、极槽配合和绕组形式等内容，为电机设计提供了全面的理论支持。此外，论文还比较了方波驱动与正弦波驱动两种电机的工作原理及其性能优劣，为电机的驱动方式选择提供了参考。
本文通过多物理场仿真和齿槽转矩的削弱方法研究，提出了一套完整的直流永磁无刷力矩电机设计流程，为国内自主设计高端直流永磁无刷力矩电机提供了理论支持。论文的研究成果具有重要的科学价值和应用价值，可以广泛应用于军工、现代工业生产和日常生活等领域。