轴向永磁电机及其研究发展综述

轴向永磁电机及其研究发展综述

王锦涵

（南阳市成达中学河南南阳473000）

摘要：轴向永磁电机的运用范围已经扩展到了多个科学领域，比如电能驱动车、风力发电、飞轮储能、航空航天等。这些高科技领域都要求电机不仅要具有以往高效率、高功率密度等优点，还要有强大的容错能力和安全可靠的特性。所以在轴向永磁电机的研究中，一定要加强对电机容错性能的研究，使电机的故障运行能力大大提高。这是发展永磁电机向轴向发展的关键，也是科学技术进步的重要体现。

关键词：轴向；永磁电机；研究发展

1永磁电机的轴向概念及优越性

永磁电机的轴向，就是通过对电子的磁场进行转变，促进一种平行方式的电流流转，进而运营发电机制运作。这种电机虽然结构简单，制造方便，但是性能一点也不比传统电机差。伴随永磁电机向轴向改革的转变，主要依靠的是更高性质的永磁材质的开发和利用。

轴向永磁电机的尺寸很小，外形像扁平的圆盘一样。外壳是用钢板压制而成，里面的永磁体则是用铁氧体或者钕铁硼材料制成。不同于传统的电机，轴向永磁电机的转子没有铁芯、换向火花小、电感小。如果是需要使用薄型电机的场合，轴向永磁电机是非常好的选择。

由于永磁电机的磁场靠永磁体来生成，不需要励磁线圈和励磁电流，所以从结构上来讲要比传统电机简单很多。在过去，永磁材料的发展还没有这么先进，永磁体产生的磁力很弱，也很容易消失，所以永磁电机只能应用于一些小型的发电场合。当人类开发出钕铁硼材料做为磁极之后，轴向永磁电机开始得到快速发展。

2永磁电机的轴向结构

为了防止单边磁拉力的问题，永磁电机一般都会选用双边结构。电机的转子由铁芯材料、永磁体和外围支撑圆盘三部分组成。转子的结构一般有表贴式、内嵌式和Halbach式]。前两种结构区别很小，如果永磁体直接贴在转子铁芯上就是表贴式；如果永磁体嵌入在转子铁芯中间则是内嵌式。Halbach结构与这两者都不一样。这种结构是将不同充磁方向的永磁体排列在一起，通过相邻永磁体的不同方向夹角，来调整某个方向上磁场的增强或削弱。这种结构形成的是损耗小、转矩脉动小的理想磁场，优势在于不需要背铁也能完成磁路闭合，适合应用在高性能的发电系统中。

3定子结构

轴向永磁电机可以按照定转子的数目和定转子的相对位置进行分类。主要有四种结构形式：单定转子结构、双定子中间转子结构、双转子中间定子结构和多盘式结构。定子是研究轴向永磁电机的重点，因为定子的结构决定着永磁电机的铁损耗多少、散热性能好坏、绕组绕线采取怎样的方式。定性的配件子体通过缠绕的方式进行组织构建，在实际的使用过程中存在环绕性质的组件，还涉及到凸出的鼓型组件。环形绕组的端部是沿着内外径的轴向分布，采用的是非叠绕组结构。而鼓形绕组的端部是沿着内外径的周向进行分布，既可以采用叠绕组结构，也可以采用非叠绕组结构。定子的制作材料一般采用薄硅钢片、软磁复合材料、非晶合金等。选用的制作材料决定了定子和铁芯重量轻的特点，这有利于电机提高工作效率。

3.1有铁心结构

轴向永磁电机结构多样，按照定转子数目以及定转子相对位置可分为四类：单定转子结构（single-sidedstructure，SS）、双定子中间转子结构（double-sidedinternalrotorstructure，AFIR）、双转子中间定子结构（double-sidedinternalstatorstructure，TORUS）和多盘式结构（multi-diskstructure，MS。定子涉及铜耗、铁耗、散热以及绕组绕线方式等多种问题，因此，它是轴向永磁电机研究的重点。

依据磁通闭合路径的不同，定子可采用有铁心或无铁心结构，有铁心定子又可分为有槽和无槽两种形式，如图1所示。为了减小转矩脉动，也可以采用斜槽结构。轴向永磁电机定子绕组有如图2所示两种常用形式，即为鼓形绕组和环形绕组。两者的区别在于绕组端部的连接，鼓形绕组端部沿着内外半径的周向分布，而环形绕组端部沿着内外径的轴向分布。前者既可以采用叠绕组也可以是非叠绕组，而后者一般采用非叠绕组结构。轴向永磁电机定转子沿轴向排列分布，定子便于采用薄硅钢片、软磁复合材料、非晶合金[9-10]等新型材料，并衍生出多种结构形式。图3（a）是一种无磁轭定子结构用于双转子中间定子轴向永磁电机，绕组中间的铁心可以采用普通硅钢片、有取向硅钢片或者非晶合金材料制作。由于没有轭部，定子铁心重量轻、铁耗小，有助于提高电机的功率密度和效率。

无铁心轴向永磁电机的定子线圈可以采用叠绕组和非叠绕组，相比较而言，采用非叠绕组形式优点较多。例如，线圈制造和装配简便；绕组结构简单，端部连接短；每匝线圈平均长度短，定子线圈损耗小。但是，非叠绕组的绕组因数相对较小，影响输出转矩。研究表明，极数较高时采用非叠绕组可以得到较高的绕组因数和较好的输出转矩。

绕组中的涡流是无铁心电机设计中特别需要关注的问题，永磁体在气隙中产生轴向和周向的气隙磁通，永磁体随转子盘转动时，交变的气隙磁场使导体以及并联的导体间感应产生涡流。当交变磁场频率较高时，这些感应出的涡流导致电机损耗增大，绕组温升提高，电机效率降低。

4结论

近年来，轴向永磁电机因其结构紧凑、效率高、功率密度大等优点获得研究人员越来越多的关注，该文介绍了轴向永磁电机的一般定转子结构以及若干特殊结构，对比了轴向永磁电机和传统径向永磁电机的性能和特征，分析了轴向永磁电机的设计分析方法，讨论了轴向永磁电机在不同领域的研究和应用，最后总结展望了轴向永磁电机及其相关技术研究的主要发展方向。

参考文献：

[1]黄允凯，周涛，董剑宁，等.轴向永磁电机及其研究发展综述[J].中国电机工程学报，2015，35（1）：192-205.

[2]魏续彪.多盘式轴向磁通永磁电机研究[D].华中科技大学，2015.

[3]邵利.轴向磁通盘式永磁直流无刷电机的设计及控制[D].北京交通大学，2006.