轴向永磁电机及其研究发展综述

第35卷第1期中国电机工程学报Vol.35No.1Jan.5,20151922015年1月5日ProceedingsoftheCSEE©2015Chin.Soc.forElec.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：TM351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)AnOverviewonDevelopmentsandResearchesofAxialFluxPermanentMagnetMachinesHUANGYunkai,ZHOUTao,DONGJianning,GUOBaocheng,ZHANGLi(EngineeringResearchCenterforMotionControlofMOE,SoutheastUniversity,Nanjing210096,JiangsuProvince,China)ABSTRACT:Inrecentyears,axialfluxpermanentmagnet(AFPM)machineswithpancakeshape,compactconstruction,highefficiencyandhighpowerdensityhavegainedincreasinginterestsofmanyresearchers.ExtensiveliteratureswhichinvolvingavarietyofAFPMmachinestopologiesindifferentareashaveappeared.ThispaperdescribesvariousconventionalstatorandrotorstructuresandseveralspecialonesoftheAFPMmachines,comparesperformancecharacteristicsoftheAFPMmachinesandthetraditionalradialfluxpermanentmagnet(RFPM)machines,analysestheAFPMmachinedesignandanalysismethodsanddiscussestheAFPMmachinesfordifferentareasresearchesandapplications.Finally,developmenttrendsoftheAFPMmachinerelatedtechnologiesaresummarizedandprospected.KEYWORDS:axialflux;permanentmagnetmachine;topology;analysismethod;developmentprospect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，昀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(axialfluxpermanentmagnetmachine，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)。ProjectSupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(51377019).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，昀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-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)[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。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(a)定子有铁心结构定子线圈永磁体转子(b)定子无铁心结构图1轴向永磁电机定子铁心结构Fig.1StructureoftheAFPMMstatorcore(a)鼓形绕组(b)环形绕组鼓形绕组环形绕组周向分布轴向分布图2轴向永磁电机绕组类型Fig.2WindingtypeofAFPMM(a)无轭结构(b)软磁复合材料定子结构线圈铁心图3无磁轭定子铁心结构Fig.3Structureofyokelessstatorcore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.4CorelessAFPMM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[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.5AFPMMnon-overlappingwindinglayout194中国电机工程学报第35卷(a)磁路结构(b)导体涡流绕组轴向磁通单个导体局部涡流并联导体间循环涡流轴向磁通周向磁通SNNS图6无铁心轴向永磁电机绕组涡流Fig.6WindingeddycurrentofcorelessAFPMM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.7PCBwinding2转子结构2.1一般形式为了克服单边磁拉力等问题，中间定子或转子的双边结构是应用昀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。(a)电机模型(b)磁路结构线圈永磁体非导磁材料定子图8中间转子轴向永磁电机Fig.8AFPMMwiththemiddlerotorTORUS电机中的永磁体昀常见的排列方式是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。(a)NS结构(b)NN结构转子转子转子定子定子转子图9双边结构轴向永磁电机永磁体排列Fig.9DoublesideAFPMMPMarrangement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.10Axialfluxinteriorpermanentmagnetmachine2.2Halbach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阵列呈函