轴向永磁电机及其研究发展综述.pdf

1、第 35 卷 第 1 期中国电 机 工 程 学报Vol.35 No.1 Jan.5, 2015192 2015 年 1 月 5 日Proceedings of the CSEE©2015 Chin.Soc.for Elec.Eng.DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2015.01.024文章编号：0258-8013(2015) 01-0192-14中图分类号：TM 351轴向永磁电机及其研究发展综述黄允凯，周涛，董剑宁，郭保成，张莉(东南大学伺服控制技术教育部工程研究中心，江苏省 南京市 210096)An Overview on Developments

2、 and Researches of Axial Flux Permanent Magnet MachinesHUANG Yunkai, ZHOU Tao, DONG Jianning, GUO Baocheng, ZHANG Li(Engineering Research Center for Motion Control of MOE, Southeast University, Nanjing 210096, Jiangsu Province, China)ABSTRACT: In recent years, axial flux permanent magnet (AFPM) mach

3、ines with pancake shape, compact construction, high efficiency and high power density have gained increasing interests of many researchers. Extensive literatures which involving a variety of AFPM machines topologies in different areas have appeared. This paper describes various conventional stator a

4、nd rotor structures and several special ones of the AFPM machines, compares performance characteristics of the AFPM machines and the traditional radial flux permanent magnet (RFPM) machines, analyses the AFPM machine design and analysis methods and discusses the AFPM machines for different areas res

5、earches and applications. Finally, development trends of the AFPM machine related technologies are summarized and prospected.KEY WORDS: axial flux; permanent magnet machine; topology; analysis method; development prospect摘要：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，已有大量文献 对多种结构的轴向永磁电机在不同领域的应用进行了深入

6、 研究。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。关键词：轴向磁场；永磁电机；拓扑结构；分析方法；发展 展望0引言轴向永磁电机(axial flux permanent magnet machine，AFPMM)也称盘式永磁电机，因其结构紧 凑、效率高、功率密度大等优点获得越来越多的关基金项目：国家自然科学基金项目(51377019)。Project Supported by Nationa

7、l Natural Science Foundation of China注。AFPMM 尤其适合应用于电动车辆、可再生能 源系统、飞轮储能系统和工业设备等要求高转矩密 度和空间紧凑的场合1-2。轴向永磁电机气隙呈平面型，气隙磁场沿轴向 分布。法拉第发明的世界上第一台电机就是轴向电 机，受材料和工艺水平的限制，轴向永磁电机在此 后相当长的一段时间未能得到进一步的发展2。随 着科学技术的进步，新型材料的涌现和工艺水平的 改善，为了克服传统圆柱式电机存在的铁心利用率 低和冷却困难等问题，轴向永磁电机重新获得重 视。目前，轴向永磁电机凭借其在功率密度和效率 等方面的优势，已成为电机领域的研究热点。本

8、文 回顾并总结了近年来国内外学者在轴向永磁电机 方面所进行的研究工作，首先从定转子角度出发， 介绍了轴向永磁电机的不同拓扑结构，然后分别从 性能与特征、特殊结构、设计分析方法、应用领域 等角度归纳与总结了国内外轴向永磁电机的研究 现状和关键问题，最后探讨了轴向永磁电机未来发 展的主要方向。1定子结构1.1 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-sided structure，SS)、双定子中间转子结构 (double-sided internal rotor structure，AFIR)、双转子 中间定子结构(double

9、-sided internal stator structure， TORUS)和多盘式结构(multi-disk structure，MS)1-4。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。(51377019).依据磁通闭合路径的不同，定子可采用有铁心第 1 期黄允凯等：轴向永磁电机及其研究发展综述193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

10、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5-6、软磁复合材料6-8、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。此外，还可设计成模块化结构9,11-13， 简化电机的制造与装配过程；维修时，只替换故障转子定子线圈永磁体(a) 定子有铁心结构(b)

11、定子无铁心结构图 1轴向永磁电机定子铁心结构Fig. 1Structure of the AFPMM stator core周向分布轴向分布鼓形绕组环形绕组(a) 鼓形绕组(b) 环形绕组图 2轴向永磁电机绕组类型Fig. 2Winding type of AFPMM线圈铁心(a) 无轭结构(b) 软磁复合材料定子结构图 3无磁轭定子铁心结构Fig. 3Structure of yokeless stator core模块即可，降低了电机检修与维护的难度。这种结 构可看作具有大槽口的有槽铁心，因此，会在永磁 体和转子磁轭中引起较大的涡流。为了解决这样的 问题，Andriollo 等14提出采用

12、软磁复合材料作为铁 心，设计了如图 3(b)所示的电机结构，可以有效减 小转子损耗。1.2无铁心结构定子无铁心轴向永磁电机通常采用如图 4 所示 的中间定子结构。无铁心结构的优点是电机效率 高；而缺点是电机等效气隙长度增大，相比同等情 况下的有铁心电机，永磁材料的使用量会有所增加。机壳线圈填料图 4无铁心轴向永磁电机Fig. 4Coreless AFPMM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

13、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15-18。 定子无铁心轴向永磁电机采用非叠绕组，不需要考 虑齿槽转矩和绕组在齿槽中的绕制等问题，因而在 绕组布局和装配上选择空间很大，存在如图 5 所示 的两种形式17-18，通过适当的变化，在不同的使用 条件下还可以衍生出多种不同的绕线方式。绕组中的涡流是无铁心电机设计中特别需要 关注的问题，如图 6 所示。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(a) 三相相邻分布(b) 三相相组分布图 5轴向永磁电机非叠绕组布局Fig. 5AFPMM non-overlapping winding layou

14、t194中国电机工程学报第 35 卷轴向磁通NS周向磁通绕组单个导体局部涡流SN并联导体间轴向磁通循环涡流(a) 磁路结构(b) 导体涡流图 6无铁心轴向永磁电机绕组涡流Fig. 6Winding eddy current of coreless AFPMM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。因而， 需要采取必要的措施降低绕组中的涡流损耗1,19-20， 例如，采取截面积较小的导体并联；绕组使用单根 直径很小的 Litz 线绕制；通过绞合导体抑制导体间 的循环涡流等。另一方面，能够准确的计算和预

15、估 绕组中的涡流损耗同样重要，文献21-23采用二维 有限元和损耗计算公式相结合的方法有效、精确地 计算了定子无铁心轴向永磁电机的绕组涡流损耗。在一些小功率应用场合，定子绕组可以使用 PCB 电路板来代替。如图 7 所示，直接将绕组的导 体印制在 PCB 板上24-26，不涉及到绕线以及线圈环 氧固化等问题，极大地简化了轴向永磁电机定子的 制造工艺，还可以通过模块化和轴向多块堆叠来提 高电机容量。图 7PCB 绕组Fig. 7PCB winding2转子结构电机中的齿槽转矩，轴向永磁电机通常采用永磁体 倾斜、偏移等方法减小齿槽转矩，相比定子斜槽， 这些方法简单而有效。AFIR 电机由两个定子盘

16、中间夹一个转子盘组 成双气隙结构27-29，如图 8 所示。磁通从永磁体的 N 极出发经过气隙进入定子，沿定子轭部周向经一 个极距后穿过气隙，进入相邻永磁体的 S 极，再通 过一个对称路径回到出发的磁极形成闭合磁路。主 磁通直接沿轴向穿过永磁体，在转子上没有周向的 路径，转子部分不需要使用铁磁材料，因而转子质 量轻，电机具有较小的转动惯量。线圈永磁体非导磁材料定子(a) 电机模型(b) 磁路结构图 8中间转子轴向永磁电机Fig. 8AFPMM with the middle rotorTORUS 电机中的永磁体最常见的排列方式是 NS 和 NN 形式，如图 9 所示。图 9(a)中永磁体 NS

17、 排列，磁通沿轴向通过定子；图 9(b)中永磁体 NN 排列，磁通经定子轭周向路径形成回路。NS 结构 定子轭可以很薄，也可以采用无磁轭结构，而 NN 结构需要一定的轴向长度避免轭部的磁路饱和。两 个转子盘对称外置，中间夹一个定子盘构成双气 隙，永磁体多直接表贴在转子铁心上，也可以采用 如图 10 所示内嵌式结构，转子由铁心材料、周向 充磁的永磁体以及外围支撑圆盘组成1,4。内嵌式轴 向永磁电机等效气隙长度较短，控制定子电感(Ld、 Lq)，可以在弱磁区获得较高的转矩；而且永磁体深 埋在铁心中，结构坚固，适合在高速应用场合使用。定子定子转子转子2.1 一般形式为了克服单边磁拉力等问题，中间定子

18、或转子转子转子的双边结构是应用最为广泛的轴向永磁电机结构。 永磁体的排列方式与径向永磁电机类似，可以是表 贴式、内嵌式或 Halbach 形式。为了有效抑制有槽(a) NS 结构(b) NN 结构图 9双边结构轴向永磁电机永磁体排列Fig. 9Double side AFPMM PM arrangement第 1 期黄允凯等：轴向永磁电机及其研究发展综述195非导磁盘永磁体定子转子铁心图 10内嵌式轴向永磁电机Fig. 10Axial flux interior permanent magnet machine2.2Halbach 结构将不同充磁方向的永磁体陈列在一起，使永磁 体磁化矢量方向随

19、阵列呈函数变化，相邻的永磁体 磁化方向夹角为 45°、60° 或者 90°。这种永磁体排 列方式能够使磁场如图 11 所示在一侧增强而在另 一侧削弱，得到空间理想分布的正弦磁场，减小因 气隙磁密谐波所造成的附加损耗和转矩脉动。45°磁场削弱磁场增强磁场增强磁场削弱图 11Halbach 永磁体磁密分布Fig. 11Flux density distribution of Halbach PM采用 Halbach 型永磁体阵列，可以使得转子背 铁中磁通密度大幅度降低，甚至不需要背铁也可完 成磁路的闭合，转子可以做成无铁心结构14,30-31。 图 12 是

20、一台定转子均无铁心的轴向永磁电机结构 示意图32，其具有质量轻、效率高、转动惯量小的 优势，尤其适合在高性能的伺服系统中应用。1 12 233456461绕组；2永磁体；3转子；4轴；5轴承；6护套。图 12定转子无铁心轴向永磁电机Fig. 12Stator and rotor coreless AFPMM2.3 斜极有槽电机中，由于永磁体和定子齿槽之间的相 互作用，不可避免地产生齿槽转矩，引起转矩波动， 带来振动和噪声。因而，在高性能的永磁电机分析 设计中，齿槽转矩的抑制必须予以高度重视。从轴向电机转子结构来考虑，抑制齿槽转矩的 主要方法有永磁体斜极、极弧系数优化、永磁磁极 偏移、永磁体极距

21、调整等，如图 13 所示。对于表 贴式轴向永磁电机，改变永磁体结构形式较为容易 实现，因此应用最为广泛。(a) 永磁体外倾斜(b) 永磁体内倾斜(c) 永磁体偏移(d) 永磁体极距调整图 13齿槽转矩抑制方法Fig. 13Cogging torque suppression method文献33-34详细分析了极弧系数优化、永磁体 斜极、永磁磁极偏移等方法对于齿槽转矩的影响， 通过选取合适的偏移、倾斜角度以及相关参数优化 能够在很大程度上实现对齿槽转矩的抑制，结果表 明，齿槽转矩可以被削弱 60%以上；但同时反电动 势和平均转矩会有一定程度的减小。杨玉波等35 研究了永磁电机磁极偏移对齿槽转矩

22、的影响，发现 当每极槽数不为整数时，磁极偏移可能会引入新的 齿槽转矩谐波，文中推导了磁极偏移时齿槽转矩的 表达式，并采取措施减小新引入的低次谐波。3性能比较轴向永磁电机与传统径向永磁电机在结构上 有较大的差异。从拓扑结构来看，轴向永磁电机存 在上文所述的多种结构形式。因此，通过与传统永 磁电机以及不同拓扑结构轴向永磁电机间的对比 分析，揭示轴向永磁电机的关键共性问题、优劣势 所在，无疑是轴向永磁电机研究的基础条件和重点 方向。文献36在 5 种额定功率下，对多种拓扑结构196中国电机工程学报第 35 卷轴向永磁电机和传统径向永磁电机做出了包括功率密度、转矩转动惯量比、材料使用量以及损耗在 内的

23、定量性能对比研究，如图 14 所示。由图 14 可 以看出，轴向永磁电机相比传统径向永磁电机具有 较高的功率密度，但传统径向永磁电机转动惯量)93/(MW/m6功率密度30135100.25输出功率/kW(a) 功率密度)6002m s)/(Nm)/(kg400转动惯量2000/转矩0.2513510(输出功率/kW(b) 转矩/转动惯量/kg96永磁体使用量30135100.25输出功率/kW(c) 永磁体使用量/W总损耗6004002000135100.25输出功率/kW(d) 总损耗 径向永磁电机； 单边轴向永磁电机； 双边轴向永磁电机； 单边无槽永磁电机； 双边无槽永磁电机。图 14 不同拓扑结构轴向永磁电机与 传统径向永磁电机性