軸向永磁電機

軸向永磁電機(axial flux permanent magnetmachine AFPMM)也稱盤式永磁電機，因其結構緊湊、效率高、功率密度大等優點獲得越來越多的關注。AFPMM尤其適合套用於電動車輛、可再生能源系統、吃輪儲能系統和工業設備等要求高轉矩密度和空問緊湊的場合。

基本介紹

• 中文名：軸向永磁電機
• 外文名：axial flux permanent magnetmachine
• 英文簡稱： AFPMM
• 別名：盤式電機
• 領域：能源
• 學科：電氣工程

簡介

近年來，軸向永磁電機因其結構緊湊、效率高、功率密度大等優點獲得研究人員越來越多的關注，已有大量 對多種結構的軸向永磁電機在小同領域的套用進行了深入研究。該文介紹了軸向永磁電機的一般定轉子結構以及若十特殊結構，對比了軸向永磁電機和傳統徑向永磁電機的性能和特徵，分析了軸向永磁電機的設計分析方法，討論了軸向永磁電機在小同領域的研究和套用，最後總結展望了軸向永磁電機及其相關技術研究的主要發展方向。

軸向永磁電機(axial flux permanent magnetmachine AFPMM)也稱盤式永磁電機，因其結構緊湊、效率高、功率密度大等優點獲得越來越多的關注。AFPMM尤其適合套用於電動車輛、可再生能源系統、吃輪儲能系統和工業設備等要求高轉矩密度和空問緊湊的場合。

軸向永磁電機氣隙呈平面型，氣隙磁場沿軸向分布。法拉第發明的世界上第一台電機就是軸向電機，受材料和工藝水平的限制，軸向永磁電機在此後相當長的一段時問未能得到進一步的發展隨著科學技術的進步，新型材料的湧現和工藝水平的改善，為了克服傳統圓柱式電機存在的鐵心利用率低和冷卻困難等問題，軸向永磁電機重新獲得重視。目前，軸向永磁電機憑藉其在功率密度和效率等方面的優勢，已成為電機領域的研究熱點。 回)項並總結了近年來國內外學者在軸向永磁電機方面所進行的研究工作，首先從定轉了角度出發，介紹了軸向永磁電機的不同拓撲結構，然後分別從性能與特徵、特殊結構、設計分析方法、套用領域等角度歸納與總結了國內外軸向永磁電機的研究現狀和關鍵問題，最後探討了軸向永磁電機未來發展的主要方向。

定子結構

有鐵心結構

軸向永磁電機結構多樣，按照定轉了數目以及定轉了相對位置可分為四類:單定轉了結構(single-sided structure SS)、雙定了中問轉了結構(double-sided internal rotor structure AFIR)、雙轉了中問定了結構(double-sided internal stator structureTORUS)和多盤式結構(multi-disk structure MS)。定了涉及銅耗、鐵耗、散熱以及繞組繞線方式等多種問題，因此，它是軸向永磁電機研究的重點。

依據磁通閉合路徑的不同，定了可採用有鐵心或無鐵心結構，有鐵心定了又可分為有槽和無槽兩種形式。為了減小轉矩脈動，也可以採用斜槽結構。軸向永磁電機定了繞組有兩種常用形式，即為鼓形繞組和環形繞組。兩者的區別在於繞組端部的連線，鼓形繞組端部沿著內外半徑的周向分布，而環形繞組端部沿著內外徑的軸向分布。前者既可以採用疊繞組也可以是非疊繞組，而後者一般採用非疊繞組結構。

軸向永磁電機定轉了沿軸向排列分布，定了便於採用薄矽鋼片、軟磁複合材料、非晶合金等新型材料，並衍生出多種結構形式。無磁轆定子結構用於雙轉了中問定了軸向永磁電機，繞組中問的鐵心可以採用普通矽鋼片、有取向矽鋼片或者非晶合金材料製作。由於沒有轆部，定了鐵心重量輕、鐵耗小，有助於提高電機的功率密度和效率。此外，還可設計成模組化結構，簡化電機的製造與裝配過程;維修時，只替換故障模組即可，降低了電機檢修與維護的難度。這種結構可看作具有大槽口的有槽鐵心，因此，會在永磁體和轉了磁轆中引起較大的渦流。

無鐵心結構

定了無鐵心軸向永磁電機通常採用中間定子結構。無鐵心結構的優點是電機效率高;而缺點是電機等效氣隙長度增大，相比同等情況下的有鐵心電機，永磁材料的使用量會有所增加。

無鐵心軸向永磁電機的定了線圈可以採用疊繞組和非疊繞組，相比較而言，採用非疊繞組形式優點較多。例如，線圈製造和裝配簡便;繞組結構簡單，端部連線短;每匝線圈平均長度短，定了線圈損耗小。但是，非疊繞組的繞組因數相對較小，影響輸出轉矩。研究表明，極數較高時採用非疊繞組可以得到較高的繞組因數和較好的輸出轉矩。定了無鐵心軸向永磁電機採用非疊繞組，不需要考慮齒槽轉矩和繞組在齒槽中的繞制等問題，因而在繞組布局和裝配上選擇空問很大，存在兩種形式，通過適當的變化，在不同的使用條件下還可以衍生出多種不同的繞線方式。

轉子結構

為了克服單邊磁拉力等問題，中問定了或轉了的雙邊結構是套用最為廣泛的軸向永磁電機結構。永磁體的排列方式與徑向永磁電機類似，可以是表貼式、內嵌式或Halbach形式。為了有效抑制有槽電機中的齒槽轉矩，軸向永磁電機通常採用永磁體傾斜、偏移等方法減小齒槽轉矩，相比定了斜槽，這些方法簡單而有效。

AFIR電機由兩個定了盤中問夾一個轉了盤組成雙氣隙結構，磁通從永磁體的N極出發經過氣隙進入定了，沿定了轆部周向經一個極距後穿過氣隙，進入相鄰永磁體的S極，再通過一個對稱路徑回到出發的磁極形成閉合磁路。主磁通直接沿軸向穿過永磁體，在轉了上沒有周向的路徑，轉了部分不需要使用鐵磁材料，因而轉了質量輕，電機具有較小的轉動慣量。

設計分析方法

解析法

解析法能夠在特定的假設簡化條件下，求解麥克斯韋方程組，實現滿足一定精度的磁場分析計算，節約大量的計算時問。然而，諸如磁路飽和、定了齒槽、漏磁等因素仍然難以在解析式中較為精確的體現，過度簡化可能導致計算精度偏低。

考慮電樞反應對磁場的影響，運用解析算法分析無槽軸向永磁發電機的內部磁場，計算精度在s%以內;利用解析法計算定了無鐵心軸向永磁電機在開路狀態下的磁場，永磁體假定軸向充磁且具有恆定的相對磁導率，利用拉普拉斯方程通解的形式來代表永磁體的兒何形狀，所得分析結果與三維有限元計算相吻合。但定了開槽結構的軸向永磁電機解析法分析依舊是一個難點。此外，一些研究人員還採用解析法和有限元分析相結合的輔助方法來分析計算電機電磁場

等效磁路法

等效磁路法(magnetic equivalent circuit MEC)採用“磁路”和“電路”類比的方法，在考慮磁路飽和、鐵磁材料非線性以及永磁磁場和電樞反應磁場相互影響等因素下，利用隨時問和空問變化的磁阻構建磁阻網路模型，通過節點磁位建立網路方程，求解得到電機磁場分布，進而求得電機相關靜態特性。等效磁路法可以實現計算時問和計算精度的有效平衡，計算時問比有限元法少，而計算精度一般比解析法高。

鑒於等效磁路法的計算時問和精度適中，此類方法適合套用於電機初始設計和參數最佳化。近年來，國內外研究人員對等效磁路法在不同類型電機中的套用做出了深入的研究，套用範圍包括異步電機、開關磁阻電機、直線電機和軸向永磁電機等。相比較而言，等效磁路法在軸向永磁電機中的套用還比較少，相關技術還不夠成熟，是軸向永磁電機設計分析的一個難點。採用等效磁路模型，考慮磁路飽和以及磁通的三維分布，分析了一台中問轉了軸向永磁電機的磁場分布，最終實現最優輸出轉矩的最佳化設計。採用等效磁路法計算了軸向永磁電機各個部分的磁通分布，由此得到反電動勢波形，並通過傅立葉分析實現電機退磁的故障診斷。

有限元法

軸向永磁電機特殊的結構形式，使得磁通密度沿徑向和軸向的分布體現兩個獨立的3D效應:“彎曲效應”和“邊緣效應” 。三維有限元分析可以同時考慮兩種效應的影響，實現高精確度的磁場分析，但難以避免計算時問長，而且不便套用於存在多種參變數在較大範圍內變動的初始和最佳化設計。提出了一種新的基於改進麥克斯韋方程組的三維有限元分析方法計算軸向永磁電機的空載磁通，求得標量磁勢的拉普拉斯方程解析解，三維模型將邊緣效應和彎曲效應考慮在內，但計算耗時較少。另外，一些 提出採用準三維模型以及分段式二維有限元的方法實現電機磁場較為精確的分析計算。

套用分析

電動車輛

由於日益嚴峻的能源短缺和環境污染問題，傳統交通車輛採用電力驅動是社會和技術發展的必然趨勢。低排放的新能源車輛，包括混合動力車輛、純電動車輛和燃料電池車輛已引起廣泛的關注與研究。電機作為電動車輛上的核心部件，其性能特徵要求嚴苛，需具備功率密度高，扭矩大、調速範圍寬、效率高、重量輕、體積小等特點。

飛輪儲能

吃輪儲能利用電動機帶動吃輪高速旋轉，將電能轉化成動能儲存起來，釋放能量時利用吃輪帶動發電機發電。在吃輪儲能系統中，作為電能與機械能之問的能量轉換核心部件，電機的選擇直接決定了整個吃輪儲能系統性能的優劣。吃輪儲能電機需要滿足的性能要求包括:高速運行以儲備能量;調速範圍廣，調速性能好;空載損耗低，運行效率高;輸出轉矩大，輸出功率高;運行可靠，結構簡單等。

風力發電

隨著資源日益枯竭和環保意識的提升，風力發電作為具有良好發展前景的一項可再生能源技術，得到了業內人士高度的重視，尤其適合在擁有豐富風能資源的中國、北美和歐洲地區開發利用。軸向永磁電機特殊的定轉了平行安裝結構，使得定轉了可以具有較大的外徑，易於多極設計以及在低速大轉矩場合的使用。另外，軸向永磁電機功率密度大、結構簡單、效率高，可以採用直接驅動方式。因此，軸向永磁電機適合作為風力發電機。

其他套用場合

除了在電動車輛、吃輪儲能、風力發電領域的套用外，軸向永磁電機在航空航天、家用電器、船舶推進等要求高轉矩密度和空問緊湊的場合也得到廣泛使用。