軸向永磁電機及其研究發(fā)展綜述pdf

1、第 35 卷 第 1 期中國電 機 工 程 學(xué)報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文章編號：0258-8013(2015) 01-0192-14中圖分類號：TM 351軸向永磁電機及其研究發(fā)展綜述黃允凱，周濤，董劍寧，郭保成，張莉(東南大學(xué)伺服控制技術(shù)教育部工程研究中心，江蘇省 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：近年來，軸向永磁電機因其結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、功率 密度大等優(yōu)點獲得研究人員越來越多的關(guān)注，已有大量文獻(xiàn) 對多種結(jié)構(gòu)的軸向永磁電機在不同領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了深入

6、 研究。該文介紹了軸向永磁電機的一般定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)以及若干 特殊結(jié)構(gòu)，對比了軸向永磁電機和傳統(tǒng)徑向永磁電機的性能 和特征，分析了軸向永磁電機的設(shè)計分析方法，討論了軸向 永磁電機在不同領(lǐng)域的研究和應(yīng)用，最后總結(jié)展望了軸向永 磁電機及其相關(guān)技術(shù)研究的主要發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：軸向磁場；永磁電機；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；分析方法；發(fā)展 展望0引言軸向永磁電機(axial flux permanent magnet machine，AFPMM)也稱盤式永磁電機，因其結(jié)構(gòu)緊 湊、效率高、功率密度大等優(yōu)點獲得越來越多的關(guān)基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(51377019)。Project Supported by Nationa

7、l Natural Science Foundation of China注。AFPMM 尤其適合應(yīng)用于電動車輛、可再生能 源系統(tǒng)、飛輪儲能系統(tǒng)和工業(yè)設(shè)備等要求高轉(zhuǎn)矩密 度和空間緊湊的場合1-2。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(fā)明的世界上第一臺電機就是軸向電 機，受材料和工藝水平的限制，軸向永磁電機在此 后相當(dāng)長的一段時間未能得到進(jìn)一步的發(fā)展2。隨 著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，新型材料的涌現(xiàn)和工藝水平的 改善，為了克服傳統(tǒng)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，軸向永磁電機憑借其在功率密度和效率 等方面的優(yōu)勢，已成為電機領(lǐng)域的研究熱點。本

8、文 回顧并總結(jié)了近年來國內(nèi)外學(xué)者在軸向永磁電機 方面所進(jìn)行的研究工作，首先從定轉(zhuǎn)子角度出發(fā)， 介紹了軸向永磁電機的不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然后分別從 性能與特征、特殊結(jié)構(gòu)、設(shè)計分析方法、應(yīng)用領(lǐng)域 等角度歸納與總結(jié)了國內(nèi)外軸向永磁電機的研究 現(xiàn)狀和關(guān)鍵問題，最后探討了軸向永磁電機未來發(fā) 展的主要方向。1定子結(jié)構(gòu)1.1 有鐵心結(jié)構(gòu)軸向永磁電機結(jié)構(gòu)多樣，按照定轉(zhuǎn)子數(shù)目以及 定轉(zhuǎn)子相對位置可分為四類： 單定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)(single-sided structure，SS)、雙定子中間轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) (double-sided internal rotor structure，AFIR)、雙轉(zhuǎn)子 中間定子結(jié)構(gòu)(double

9、-sided internal stator structure， TORUS)和多盤式結(jié)構(gòu)(multi-disk structure，MS)1-4。定子涉及銅耗、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。(51377019).依據(jù)磁通閉合路徑的不同，定子可采用有鐵心第 1 期黃允凱等：軸向永磁電機及其研究發(fā)展綜述193或無鐵心結(jié)構(gòu)，有鐵心定子又可分為有槽和無槽兩 種形式，如圖 1 所示。為了減小轉(zhuǎn)矩脈動，也可以 采用斜槽結(jié)構(gòu)。軸向永磁電機定子繞組有如圖 2 所 示兩種常用形式，即為鼓形繞組和環(huán)形繞組。兩者 的區(qū)別在于繞組端部的連接，鼓形繞組端部沿著內(nèi) 外半徑的

10、周向分布，而環(huán)形繞組端部沿著內(nèi)外徑的 軸向分布。前者既可以采用疊繞組也可以是非疊繞 組，而后者一般采用非疊繞組結(jié)構(gòu)。軸向永磁電機定轉(zhuǎn)子沿軸向排列分布，定子便 于采用薄硅鋼片5-6、軟磁復(fù)合材料6-8、非晶合 金9-10等新型材料，并衍生出多種結(jié)構(gòu)形式。圖 3(a) 是一種無磁軛定子結(jié)構(gòu)用于雙轉(zhuǎn)子中間定子軸向永 磁電機，繞組中間的鐵心可以采用普通硅鋼片、有取 向硅鋼片或者非晶合金材料制作。由于沒有軛部， 定子鐵心重量輕、鐵耗小，有助于提高電機的功率 密度和效率。此外，還可設(shè)計成模塊化結(jié)構(gòu)9,11-13， 簡化電機的制造與裝配過程；維修時，只替換故障轉(zhuǎn)子定子線圈永磁體(a) 定子有鐵心結(jié)構(gòu)(b)

11、定子無鐵心結(jié)構(gòu)圖 1軸向永磁電機定子鐵心結(jié)構(gòu)Fig. 1Structure of the AFPMM stator core周向分布軸向分布鼓形繞組環(huán)形繞組(a) 鼓形繞組(b) 環(huán)形繞組圖 2軸向永磁電機繞組類型Fig. 2Winding type of AFPMM線圈鐵心(a) 無軛結(jié)構(gòu)(b) 軟磁復(fù)合材料定子結(jié)構(gòu)圖 3無磁軛定子鐵心結(jié)構(gòu)Fig. 3Structure of yokeless stator core模塊即可，降低了電機檢修與維護的難度。這種結(jié) 構(gòu)可看作具有大槽口的有槽鐵心，因此，會在永磁 體和轉(zhuǎn)子磁軛中引起較大的渦流。為了解決這樣的 問題，Andriollo 等14提出采用

12、軟磁復(fù)合材料作為鐵 心，設(shè)計了如圖 3(b)所示的電機結(jié)構(gòu)，可以有效減 小轉(zhuǎn)子損耗。1.2無鐵心結(jié)構(gòu)定子無鐵心軸向永磁電機通常采用如圖 4 所示 的中間定子結(jié)構(gòu)。無鐵心結(jié)構(gòu)的優(yōu)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。機殼線圈填料圖 4無鐵心軸向永磁電機Fig. 4Coreless AFPMM無鐵心軸向永磁電機的定子線圈可以采用疊繞 組和非疊繞組，相比較而言，采用非疊繞組形式優(yōu) 點較多。例如，線圈制造和裝配簡便；繞組結(jié)構(gòu)簡 單，端部連接短；每匝線圈平均長度短，定子線圈 損耗小。但是，非疊繞組的繞組因數(shù)相對較小，影 響輸出轉(zhuǎn)矩。研究

13、表明，極數(shù)較高時采用非疊繞組 可以得到較高的繞組因數(shù)和較好的輸出轉(zhuǎn)矩15-18。 定子無鐵心軸向永磁電機采用非疊繞組，不需要考 慮齒槽轉(zhuǎn)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間很大，存在如圖 5 所示 的兩種形式17-18，通過適當(dāng)?shù)淖兓?，在不同的使?條件下還可以衍生出多種不同的繞線方式。繞組中的渦流是無鐵心電機設(shè)計中特別需要 關(guān)注的問題，如圖 6 所示。永磁體在氣隙中產(chǎn)生軸 向和周向的氣隙磁通，永磁體隨轉(zhuǎn)子盤轉(zhuǎn)動時，交(a) 三相相鄰分布(b) 三相相組分布圖 5軸向永磁電機非疊繞組布局Fig. 5AFPMM non-overlapping winding layou

14、t194中國電機工程學(xué)報第 35 卷軸向磁通NS周向磁通繞組單個導(dǎo)體局部渦流SN并聯(lián)導(dǎo)體間軸向磁通循環(huán)渦流(a) 磁路結(jié)構(gòu)(b) 導(dǎo)體渦流圖 6無鐵心軸向永磁電機繞組渦流Fig. 6Winding eddy current of coreless AFPMM變的氣隙磁場使導(dǎo)體以及并聯(lián)的導(dǎo)體間感應(yīng)產(chǎn)生渦 流。當(dāng)交變磁場頻率較高時，這些感應(yīng)出的渦流導(dǎo)致 電機損耗增大，繞組溫升提高，電機效率降低。因而， 需要采取必要的措施降低繞組中的渦流損耗1,19-20， 例如，采取截面積較小的導(dǎo)體并聯(lián)；繞組使用單根 直徑很小的 Litz 線繞制；通過絞合導(dǎo)體抑制導(dǎo)體間 的循環(huán)渦流等。另一方面，能夠準(zhǔn)確的計算和預(yù)

15、估 繞組中的渦流損耗同樣重要，文獻(xiàn)21-23采用二維 有限元和損耗計算公式相結(jié)合的方法有效、精確地 計算了定子無鐵心軸向永磁電機的繞組渦流損耗。在一些小功率應(yīng)用場合，定子繞組可以使用 PCB 電路板來代替。如圖 7 所示，直接將繞組的導(dǎo) 體印制在 PCB 板上24-26，不涉及到繞線以及線圈環(huán) 氧固化等問題，極大地簡化了軸向永磁電機定子的 制造工藝，還可以通過模塊化和軸向多塊堆疊來提 高電機容量。圖 7PCB 繞組Fig. 7PCB winding2轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機中的齒槽轉(zhuǎn)矩，軸向永磁電機通常采用永磁體 傾斜、偏移等方法減小齒槽轉(zhuǎn)矩，相比定子斜槽， 這些方法簡單而有效。AFIR 電機由兩個定子盤

16、中間夾一個轉(zhuǎn)子盤組 成雙氣隙結(jié)構(gòu)27-29，如圖 8 所示。磁通從永磁體的 N 極出發(fā)經(jīng)過氣隙進(jìn)入定子，沿定子軛部周向經(jīng)一 個極距后穿過氣隙，進(jìn)入相鄰永磁體的 S 極，再通 過一個對稱路徑回到出發(fā)的磁極形成閉合磁路。主 磁通直接沿軸向穿過永磁體，在轉(zhuǎn)子上沒有周向的 路徑，轉(zhuǎn)子部分不需要使用鐵磁材料，因而轉(zhuǎn)子質(zhì) 量輕，電機具有較小的轉(zhuǎn)動慣量。線圈永磁體非導(dǎo)磁材料定子(a) 電機模型(b) 磁路結(jié)構(gòu)圖 8中間轉(zhuǎn)子軸向永磁電機Fig. 8AFPMM with the middle rotorTORUS 電機中的永磁體最常見的排列方式是 NS 和 NN 形式，如圖 9 所示。圖 9(a)中永磁體 NS

17、 排列，磁通沿軸向通過定子；圖 9(b)中永磁體 NN 排列，磁通經(jīng)定子軛周向路徑形成回路。NS 結(jié)構(gòu) 定子軛可以很薄，也可以采用無磁軛結(jié)構(gòu)，而 NN 結(jié)構(gòu)需要一定的軸向長度避免軛部的磁路飽和。兩 個轉(zhuǎn)子盤對稱外置，中間夾一個定子盤構(gòu)成雙氣 隙，永磁體多直接表貼在轉(zhuǎn)子鐵心上，也可以采用 如圖 10 所示內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子由鐵心材料、周向 充磁的永磁體以及外圍支撐圓盤組成1,4。內(nèi)嵌式軸 向永磁電機等效氣隙長度較短，控制定子電感(Ld、 Lq)，可以在弱磁區(qū)獲得較高的轉(zhuǎn)矩；而且永磁體深 埋在鐵心中，結(jié)構(gòu)堅固，適合在高速應(yīng)用場合使用。定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子2.1 一般形式為了克服單邊磁拉力等問題，中間定子

18、或轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子的雙邊結(jié)構(gòu)是應(yīng)用最為廣泛的軸向永磁電機結(jié)構(gòu)。 永磁體的排列方式與徑向永磁電機類似，可以是表 貼式、內(nèi)嵌式或 Halbach 形式。為了有效抑制有槽(a) NS 結(jié)構(gòu)(b) NN 結(jié)構(gòu)圖 9雙邊結(jié)構(gòu)軸向永磁電機永磁體排列Fig. 9Double side AFPMM PM arrangement第 1 期黃允凱等：軸向永磁電機及其研究發(fā)展綜述195非導(dǎo)磁盤永磁體定子轉(zhuǎn)子鐵心圖 10內(nèi)嵌式軸向永磁電機Fig. 10Axial flux interior permanent magnet machine2.2Halbach 結(jié)構(gòu)將不同充磁方向的永磁體陳列在一起，使永磁 體磁化矢量方向隨

19、陣列呈函數(shù)變化，相鄰的永磁體 磁化方向夾角為 45°、60° 或者 90°。這種永磁體排 列方式能夠使磁場如圖 11 所示在一側(cè)增強而在另 一側(cè)削弱，得到空間理想分布的正弦磁場，減小因 氣隙磁密諧波所造成的附加損耗和轉(zhuǎn)矩脈動。45°磁場削弱磁場增強磁場增強磁場削弱圖 11Halbach 永磁體磁密分布Fig. 11Flux density distribution of Halbach PM采用 Halbach 型永磁體陣列，可以使得轉(zhuǎn)子背 鐵中磁通密度大幅度降低，甚至不需要背鐵也可完 成磁路的閉合，轉(zhuǎn)子可以做成無鐵心結(jié)構(gòu)14,30-31。 圖 12 是

20、一臺定轉(zhuǎn)子均無鐵心的軸向永磁電機結(jié)構(gòu) 示意圖32，其具有質(zhì)量輕、效率高、轉(zhuǎn)動慣量小的 優(yōu)勢，尤其適合在高性能的伺服系統(tǒng)中應(yīng)用。1 12 233456461繞組；2永磁體；3轉(zhuǎn)子；4軸；5軸承；6護套。圖 12定轉(zhuǎn)子無鐵心軸向永磁電機Fig. 12Stator and rotor coreless AFPMM2.3 斜極有槽電機中，由于永磁體和定子齒槽之間的相 互作用，不可避免地產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩，引起轉(zhuǎn)矩波動， 帶來振動和噪聲。因而，在高性能的永磁電機分析 設(shè)計中，齒槽轉(zhuǎn)矩的抑制必須予以高度重視。從軸向電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)來考慮，抑制齒槽轉(zhuǎn)矩的 主要方法有永磁體斜極、極弧系數(shù)優(yōu)化、永磁磁極 偏移、永磁體極距

21、調(diào)整等，如圖 13 所示。對于表 貼式軸向永磁電機，改變永磁體結(jié)構(gòu)形式較為容易 實現(xiàn)，因此應(yīng)用最為廣泛。(a) 永磁體外傾斜(b) 永磁體內(nèi)傾斜(c) 永磁體偏移(d) 永磁體極距調(diào)整圖 13齒槽轉(zhuǎn)矩抑制方法Fig. 13Cogging torque suppression method文獻(xiàn)33-34詳細(xì)分析了極弧系數(shù)優(yōu)化、永磁體 斜極、永磁磁極偏移等方法對于齒槽轉(zhuǎn)矩的影響， 通過選取合適的偏移、傾斜角度以及相關(guān)參數(shù)優(yōu)化 能夠在很大程度上實現(xiàn)對齒槽轉(zhuǎn)矩的抑制，結(jié)果表 明，齒槽轉(zhuǎn)矩可以被削弱 60%以上；但同時反電動 勢和平均轉(zhuǎn)矩會有一定程度的減小。楊玉波等35 研究了永磁電機磁極偏移對齒槽轉(zhuǎn)矩

22、的影響，發(fā)現(xiàn) 當(dāng)每極槽數(shù)不為整數(shù)時，磁極偏移可能會引入新的 齒槽轉(zhuǎn)矩諧波，文中推導(dǎo)了磁極偏移時齒槽轉(zhuǎn)矩的 表達(dá)式，并采取措施減小新引入的低次諧波。3性能比較軸向永磁電機與傳統(tǒng)徑向永磁電機在結(jié)構(gòu)上 有較大的差異。從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來看，軸向永磁電機存 在上文所述的多種結(jié)構(gòu)形式。因此，通過與傳統(tǒng)永 磁電機以及不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)軸向永磁電機間的對比 分析，揭示軸向永磁電機的關(guān)鍵共性問題、優(yōu)劣勢 所在，無疑是軸向永磁電機研究的基礎(chǔ)條件和重點 方向。文獻(xiàn)36在 5 種額定功率下，對多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)196中國電機工程學(xué)報第 35 卷軸向永磁電機和傳統(tǒng)徑向永磁電機做出了包括功率密度、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動慣量比、材料使用量以及損耗在 內(nèi)的

23、定量性能對比研究，如圖 14 所示。由圖 14 可 以看出，軸向永磁電機相比傳統(tǒng)徑向永磁電機具有 較高的功率密度，但傳統(tǒng)徑向永磁電機轉(zhuǎn)動慣量)93/(MW/m6功率密度30135100.25輸出功率/kW(a) 功率密度)6002m s)/(Nm)/(kg400轉(zhuǎn)動慣量2000/轉(zhuǎn)矩0.2513510(輸出功率/kW(b) 轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)動慣量/kg96永磁體使用量30135100.25輸出功率/kW(c) 永磁體使用量/W總損耗6004002000135100.25輸出功率/kW(d) 總損耗 徑向永磁電機； 單邊軸向永磁電機； 雙邊軸向永磁電機； 單邊無槽永磁電機； 雙邊無槽永磁電機。圖 14 不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)軸向永磁電機與 傳統(tǒng)徑向永磁電機性