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前言
近年来国家积极倡导新能源理念，极大地促进了风力发电、新能源汽车、船舶和航空航天等领域的发展，由于永磁电机效率高、转矩密度大等优点成为了发展中重要的一环，这些领域对永磁电机的要求也日益提高。
例如直驱式风力发电机组，一方面对于大批量生产而言，要降低电机自重、制造难度及成本，另一方面，提高性能和可靠性也至关重要，为满足这些要求，拼块式永磁电机应运而生，拼块式结构种类很多，一部分是由于机械上留存的装配间隙而构成。
例如T型拼块结构，提高了槽满率，进而提高了电机效率，但该分段方式只能采用齿部绕线工艺，装配过程较复杂，因此提出一种将定子轭部和齿部分段的拼块式结构，并探究装配间隙对该结构电机齿槽转矩和磁密的影响，找到了最佳的装配间隙。
还有一部分，是由研究学者在一体式定子的不同位置插入间隙来构成不同的拼块式结构。
科研人员分析了拼块永磁风力发电机的发电原理和控制策略，表明拼块间较小的磁耦合使电机具有优良的容错性能，虽然上述文献总结了拼块式结构的许多突出优点，但所研究拼块式电机种类单一，未深入探究定子间隙对电机电磁性能的影响。
文中以一体式永磁电机为参量，探究了定子间隙宽度对多极少槽和少极多槽的E型、C型两种定子拼块式永磁电机的性能影响，以此期望对不同性能要求的永磁电机寻求到最佳的拼块式定子结构及间隙宽度。
拼块式永磁电机的设计及建模
单层分数槽集中绕组的采用将定子齿分为了缠绕齿和非缠绕齿，E型定子是在非缠绕齿中插入了定子间隙，而C型定子的缠绕齿和非缠绕齿均插入了定子间隙，如图1所示：
采取分数槽单层集中绕组的三相电机的槽极数需满足以下几点要求：①槽数为偶数，且每个槽只有1/2个线圈，②总线圈数应为3的倍数，③为避免不平衡磁拉力，每相包含的线圈数为偶数，因此槽数应为12的倍数，文中选取最小槽数12，为使绕组因数最大，采用12槽10极和12槽14极两种槽极配置进行后续研究，电机建模流程如图2所示：
文章所建立的E型和C型拼块式永磁电机的模型如图2所示。
在E型拼块电机中，W0为定子间隙宽度，Wtip为定子齿尖宽度，为消除齿尖宽度造成的各类电机的性能差别，E型电机采取缠绕齿和非缠绕齿相等的齿尖宽度，故非缠绕齿的齿尖包含了定子间隙，从而使各类电机槽开口相等，Wt为缠绕齿齿宽。
为维持定子铁芯的磁饱和水平，各齿铁芯截面积应相等，故非缠绕齿齿宽为Wt+W0，因此对比一体式定子电机，拼块式定子压缩了槽面积，但拼块式定子结构可提升槽满率，因此可忽略槽面积对绕组带来的影响。
中C型拼块电机的缠绕齿和非缠绕齿齿尖均包含定子间隙，且齿宽均为Wt+W0，其余结构参数与E型定子拼块相同，二者相比，由于C型定子槽两侧均被压缩，因此槽面积会进一步缩小。
空载磁力线分布可以检验永磁电机结构尺寸及永磁体充磁设计的合理性，分析各电机模型空载磁力线分布图，永磁体对外提供磁通，一部分磁通匝链定子绕组成为主磁通，还有一小部分磁通不匝链定子绕组而构成回路，此为漏磁通，各电机磁力线分布合理，永磁体充磁无误。
定子间隙宽度对电机的电磁性能影响
永磁电机定子的齿槽效应会导致磁路中磁导发生变化，影响永磁体磁场的分布，导致空载气隙磁密波形发生畸变，谐波含量增加，当电机转动时会引起相绕组磁链、反电势和电磁转矩的波动，进而产生振动和噪声。
因此有必要探究拼块式永磁电机的磁场分布，为一体式电机和不同定子间隙宽度的E型、C型拼块式电机的空载气隙磁密仿真波形，拼块式电机的空载气隙磁密产生了新的波形畸变。
根据空载气隙磁密的谐波分析，采用拼块式结构使得电机的非工作谐波有所增加，而工作波有所减小，其中C型减小的更多，注：气隙磁密分析时将转子旋转1圈作为1周期，故12槽10极电机的工作波为5次波。
12槽14极电机的工作波为7次波，气隙内永磁体径向磁密分布可由开槽时气隙的相对磁导乘以忽略开槽时的磁密分布函数求得。
电机的开槽磁导是随转子位置变化的，因此空载气隙磁密波形也随转子位置变化，理论上拼块式永磁电机定子中插入的间隙增加了等效开槽宽度，减小了定子内圆与气隙的接触面积，使定子间隙处的相对气隙磁导λ减小。
因此产生了新的波形畸变，造成拼块式电机的气隙磁密非工作谐波增加而工作谐波减小，由于C型拼块式电机插入的定子间隙数为E型拼块式电机的2倍，因此C型拼块式电机的气隙磁密最小，为定子间隙宽度与空载气隙磁密有效值及主波含量的关系。
随着定子间隙宽度的增大，相对磁导率进一步减小，所有拼块式电机的空载气隙磁密有效值和主波含量都在逐渐减小，由于定子间隙数较少，E型电机的气隙磁密较高，同时结果显示12槽14极电机的空载气隙磁密小于12槽10极电机。
这是由于当转子直径一定时，气隙磁密幅值会受充磁极数的影响，当极数大于10时，充磁极数越多，气隙磁密幅值越小，同一拼块式结构下的两种槽极配置电机的主波含量差距比有效值差距更小。
因此12槽10极电机的空载气隙磁密含有更多的非工作谐波，气隙磁密波形畸变率能够体现非工作谐波的含量，由公式计算的结果列于表2，12槽10极电机的畸变率整体高于12槽14极电机。
空载反电势与磁链分析
除12槽14极E型拼块式电机，随着定子铁芯间隙宽度的增大，所有电机的空载反电势有效值在逐渐减小。
只有12槽14极E型拼块式电机的反电势先呈增大趋势，4mm时至最大，之后开始呈减小趋势，这是因为4mm时绕组因数达到最大1，对相反电势进行傅里叶分解。
只有12槽14极E型拼块式电机使得基波反电势幅值增加，与上述结论相同，结果显示12槽10极电机的磁链均大于12槽14极电机，这是因为即使12槽14极E型电机的反电势比12槽10极E型电机的反电势大。
但由于12槽14极电角频率ωp更大，导致磁链减小，对于相同槽极配置电机而言，由于电角频率相等，磁链的结论与前述反电势相同，即除12槽14极E型电机的磁链比一体式电机大外，其余所有拼块式电机的磁链均比一体式电机小。
齿槽转矩的存在会使电机产生一定的振动和噪声，在电机设计中必须要考虑，齿槽转矩的频率越大，其幅值越小。
这是由于拼块式定子的对称性发生了变化，例如12槽E型拼块式电机的定子分为了6个拼块，而C型拼块式电机的定子分为了12个拼块，因此电机每转一圈，E型拼块式电机的齿槽转矩频率为6p。
而C型拼块式电机的齿槽转矩频率为12p，与一体式电机相等，可以认为定子拼块式电机的齿槽转矩频率等于定子拼块数与极数的最小公倍数，注意当W0=1mm时，由于间隙太小，对于拼块式定子的对称性和磁路的影响不大，因此齿槽转矩的频率和幅值未发生明显变化，定子间隙宽度与齿槽转矩大小的关系图如下所示：
由于C型电机频率为E型2倍，因此C型电机齿槽转矩的幅值更小，通过合理选取定子铁芯间隙宽度，可以优化齿槽转矩，当定子间隙宽度为2mm时，C型拼块式电机的齿槽转矩最小，若采用12槽10极配置。
对比一体式电机可降低近79%的齿槽转矩，采用12槽14极配置，可降低近66%的齿槽转矩，当定子间隙宽度大于1mm后，C型拼块式电机的齿槽转矩远小于E型拼块式电机。
平均输出转矩是永磁电机的重要性能指标之一，给电机施加额定电流，其输出转矩大小受磁链和反电势影响，平均输出转矩与其二者趋势基本相同。
由于齿槽转矩的存在是产生电机转矩脉动的主要因素，因此二者趋势基本一致，通过合理的选取定子间隙宽度，可以优化电机转矩性能。
总结
针对不同电磁性能，选取出12槽10极和12槽14极电机最佳的定子拼块式结构和宽度，并将该结构电机性能与一体式电机进行了对比。
结果显示，对于12槽10极电机，更适合采用C型2mm/4mm拼块式结构降低齿槽转矩和转矩脉动，当采取2mm时，齿槽转矩降低78.84%、转矩脉动降低53.34%；当采取4mm时，齿槽转矩降低57.31%、转矩脉动降低58.66%。
而12槽14极电机，更适合采用E型4mm拼块式结构提高输出转矩，可提高10.06%，或采用C型2mm降低降低齿槽转矩和转矩脉动，齿槽转矩降低66.03%、转矩脉动降低37.57%。
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