本文档属于类型a，即单篇原创研究的学术报告。以下是针对该研究的详细报告：
研究作者及单位
本研究的主要作者包括Muhammad Bilal、Junaid Ikram、Adnan Fida、Syed Sabir Hussain Bukhari、Nadeem Haider以及Jong-Suk Ro。他们分别来自巴基斯坦的COMSATS University Islamabad、Sukkur IBA University以及韩国Chung-Ang University。该研究于2021年4月27日发表在期刊《IEEE Access》上，DOI为10.1109/ACCESS.2021.3076111。
学术背景
本研究的科学领域为电机工程，特别是永磁电机（Permanent Magnet Machines, PM）的设计与优化。近年来，永磁电机因其高效率、高功率密度和低损耗等优势，在直接驱动系统（Direct Drive Systems）中得到了广泛应用。然而，传统的机械齿轮系统存在磨损、传输损耗以及维护成本高等问题，因此研究人员致力于开发无需机械齿轮的直接驱动电机。永磁游标电机（Permanent Magnet Vernier Machine, PMVM）因其在高扭矩、低转速下的优异表现，成为直接驱动系统的理想选择。然而，PMVM的功率因数较低，限制了其应用。本研究旨在通过改进双定子轴向磁通辐条型永磁游标电机（Dual Stator Axial-Flux Spoke Type Permanent Magnet Vernier Machine, DSAFST-PMVM）的设计，提升其性能，尤其是降低齿槽转矩（cogging torque）和转矩脉动（torque ripples），并提高功率因数。
研究流程
本研究分为三个主要步骤：基础模型分析、提出新型磁体形状以及磁体形状优化。以下是每个步骤的详细描述：
基础模型分析
首先，研究人员对DSAFST-PMVM的基础模型进行了全面分析。该模型采用双定子单转子拓扑结构，通过辐条型永磁体实现磁通聚焦效应（flux focusing effect）。通过三维有限元法（3D Finite Element Method, 3D-FEM）对模型进行了仿真，评估了其主要性能参数，包括反电动势（back EMF）、齿槽转矩、转矩脉动、电磁转矩、电压总谐波畸变（VTHD）、气隙磁通密度分布以及功率因数等。
提出新型磁体形状
在基础模型的基础上，研究人员提出了一种带有缺口的磁体形状（notched shape magnet）。这种设计通过引入离散的斜槽效应（discrete skew effect）来减少齿槽转矩和转矩脉动。研究人员通过3D-FEM对新型磁体形状进行了仿真，并与基础模型进行了对比分析。结果显示，新型磁体形状在保持反电动势基本不变的情况下，显著降低了齿槽转矩和转矩脉动。
磁体形状优化
在提出新型磁体形状后，研究人员进一步对其进行了优化。优化过程采用拉丁超立方采样（Latin Hyper Cube, LHC）和克里金法（Kriging Method）进行实验设计，并通过遗传算法（Genetic Algorithm, GA）寻找最优参数。优化后的模型在反电动势和齿槽转矩方面均表现出进一步的提升，同时保持了较低的转矩脉动。
主要结果
1. 基础模型分析结果
基础模型的平均转矩为188.76 N·m，齿槽转矩的峰峰值为11.1 N·m，转矩脉动为8.82%。功率因数为0.88，显著高于传统PMVM的功率因数（通常为0.3-0.5）。
新型磁体形状结果
采用新型磁体形状后，齿槽转矩的峰峰值降至7.03 N·m，减少了36.67%。转矩脉动降至4.22%，而反电动势仅略有下降（从84.56 Vrms降至84.02 Vrms）。
优化模型结果
优化后的模型进一步提升了性能，反电动势增至87.31 Vrms，齿槽转矩进一步减少8.53%，转矩脉动降至3.93%。功率因数保持在0.88的较高水平。
结论
本研究通过改进DSAFST-PMVM的设计，显著降低了齿槽转矩和转矩脉动，同时保持了较高的功率因数和输出转矩。优化后的模型在性能上优于基础模型和提出模型，为高精度工业应用（如伺服电机、机器人手臂、风能发电、电动汽车和电梯系统）提供了更高效的解决方案。
研究亮点
1. 提出了一种新型的缺口磁体形状，通过离散斜槽效应显著降低了齿槽转矩和转矩脉动。
2. 采用优化算法（如遗传算法）对磁体形状进行了进一步优化，提升了电机的整体性能。
3. 通过双定子单转子拓扑结构和辐条型永磁体设计，实现了磁通聚焦效应，提高了功率因数和输出转矩。
其他有价值的内容
本研究还详细分析了电机的气隙磁通密度分布、反电动势波形和谐波成分，为未来永磁游标电机的设计和优化提供了重要的参考数据。此外，研究还讨论了磁体形状对电机性能的影响，为相关领域的研究提供了新的思路。
以上是对该研究的全面报告，涵盖了其背景、流程、结果、结论及亮点，为相关领域的研究人员提供了详细的信息和参考。