鄧秋玲，謝吉堂，張細(xì)政，張明陽

(湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湘潭 411101)

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軸向磁場永磁無刷電機(jī)及應(yīng)用

鄧秋玲，謝吉堂，張細(xì)政，張明陽

(湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湘潭 411101)

軸向磁場永磁無刷電機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度高、效率高、可以做成模塊式結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景.結(jié)合軸向磁場電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，介紹了軸向磁場電機(jī)適合的應(yīng)用領(lǐng)域，闡述了制約軸向磁場無刷電機(jī)發(fā)展的瓶頸問題，為軸向磁場電機(jī)的實(shí)際應(yīng)用提供參考.

軸向磁場；永磁；無刷電機(jī)；應(yīng)用

世界上第一臺(tái)電機(jī)就是軸向磁場永磁電機(jī)，是法拉第于1892年發(fā)明的，但因當(dāng)時(shí)永磁材料的性能和生產(chǎn)工藝水平的限制，盤式永磁電機(jī)未能得到進(jìn)一步發(fā)展[1，2].但隨著永磁材料性能的改善，電機(jī)制造工藝水平的提高，以及新材料(軟磁復(fù)合材料，非晶材料)的使用[3,4]，近幾年來，軸向磁場永磁電機(jī)重新得到了電機(jī)界的重視.

軸向磁場永磁無刷電機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)種類多種多樣，結(jié)構(gòu)緊湊，功率密度高，效率高，可以做成多盤結(jié)構(gòu)以提高輸出功率，還可以采用模塊式結(jié)構(gòu)，簡化了生產(chǎn)制造，因而具有廣泛的應(yīng)用前景.

軸向磁場電機(jī)在國外研究較多，也在很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，如電動(dòng)汽車，風(fēng)力發(fā)電，船舶驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域[5].但我國目前對軸向磁場電機(jī)進(jìn)行研究的企業(yè)和高校并不多，由于電樞鐵心的制造比較困難，目前生產(chǎn)的產(chǎn)品多以無鐵心盤式電機(jī)為主.鑒于軸向磁場電機(jī)的優(yōu)勢，國內(nèi)專家也開始對盤式電機(jī)的市場進(jìn)行了深度調(diào)研，對投資前景進(jìn)行了預(yù)測，為盤式電機(jī)的廣泛應(yīng)用開辟一個(gè)新天地.

1 軸向磁場永磁無刷電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域

1.1 分布式發(fā)電系統(tǒng)

分布式發(fā)電(Distributed Generation，簡稱DG)，通常是指發(fā)電功率在幾千瓦至數(shù)百兆瓦的小型模塊化、分散式、布置在用戶附近的高效、可靠的發(fā)電單元，主要包括以液體或氣體為燃料的內(nèi)燃機(jī)、微型燃?xì)廨啓C(jī)、太陽能發(fā)電(光伏電池、光熱發(fā)電)、風(fēng)力發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電等.分布式發(fā)電的優(yōu)勢在于可以充分開發(fā)利用各種可用的分散存在的能源，包括本地可方便獲取的化石類燃料和可再生能源，并提高能源的利用效率.軸向磁場永磁無刷電機(jī)是可靠性高的自勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，功率密度高，模塊式結(jié)構(gòu)，效率高，容易與渦輪轉(zhuǎn)子或飛輪等其它機(jī)械構(gòu)件集成在一起使用.因此可在分布式發(fā)電系統(tǒng)中作主要發(fā)電機(jī)使用.軸向磁場無刷發(fā)電機(jī)輸出功率通常被整流，然后通過變換與電網(wǎng)頻率進(jìn)行匹配輸送到電網(wǎng)上，或只是整流成直流.

軸向磁場永磁無刷電機(jī)既可作高速發(fā)電機(jī)，也可作低速發(fā)電機(jī).要降低高速發(fā)電機(jī)的風(fēng)摩損耗就需要使用小直徑的轉(zhuǎn)子，因此用作高速發(fā)電機(jī)時(shí)，一般采用具有模塊化的多盤式設(shè)計(jì)，其具有結(jié)構(gòu)緊湊，同步電抗低，電壓調(diào)整率優(yōu)良等一系列的優(yōu)點(diǎn)，無鐵心定子軸向磁場發(fā)電機(jī)還具有效率高的優(yōu)點(diǎn).多盤式軸向磁場高速發(fā)電機(jī)通常由汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng).渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子和PM轉(zhuǎn)子安裝在同一軸上，可以減輕重量.如英國Turbogenset 公司生產(chǎn)的功率為100kW、速率60000r/min的多盤發(fā)電機(jī)，其外徑180mm，長300mm，重量卻只有12kg，高頻輸出被整流成直流，然后逆變成50Hz、60Hz或400Hz 的交流，發(fā)電機(jī)采用空冷[5].

如果電機(jī)的極數(shù)足夠多，軸向長度與外徑的比率足夠小時(shí)，軸向磁場永磁電機(jī)(AFPM)與傳統(tǒng)徑向磁場永磁(RFPM)電機(jī)相比在轉(zhuǎn)矩和功率密度方面有優(yōu)勢[6].除此之外，軸向磁場電機(jī)還可以做成多定子、多轉(zhuǎn)子的多模塊結(jié)構(gòu).若用在直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，增加定子模塊的數(shù)量就可以增加發(fā)電機(jī)的輸出功率，因此軸向磁場永磁同步發(fā)電機(jī)還適合應(yīng)用于直驅(qū)風(fēng)能轉(zhuǎn)換場合中[7-9].

1.2 新能源電動(dòng)車輛

在能源緊缺、環(huán)境污染日益加劇的情況下，新能源電動(dòng)車輛已受到各國的大力提倡.電動(dòng)車輛一般分為兩類：混合式電動(dòng)車和電池電動(dòng)車.混合動(dòng)力車輛目前是處于運(yùn)輸技術(shù)發(fā)展的前沿[10].從汽油車到混合動(dòng)力車和電池電動(dòng)車的轉(zhuǎn)換，將減小一次能源的總的消耗.混合動(dòng)力車輛和電池動(dòng)力車輛應(yīng)該滿足下列條件：高的瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩，高的功率密度，起動(dòng)和爬坡時(shí)的低速大轉(zhuǎn)矩，循游時(shí)的高速小轉(zhuǎn)矩，恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域和恒功率區(qū)域的速度范圍寬，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快.在寬的速度范圍和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)效率高.在各種運(yùn)行條件下，如高溫、低溫，雨雪和振蕩的環(huán)境中，應(yīng)有高的可靠性和魯棒性.另外，成本要低.

混合動(dòng)力車輛 HEVs中既有傳統(tǒng)車輛中的內(nèi)燃機(jī)又有電動(dòng)車輛中的電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)通常位于內(nèi)燃機(jī)和齒輪箱之間.電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的一端連接到內(nèi)燃機(jī)的曲柄軸，而另一端通過離合器連接到飛輪上或齒輪箱上.電動(dòng)機(jī)的作用如下：需要時(shí)幫助車輛推進(jìn)，因而可使用小的內(nèi)燃機(jī)；作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，允許使用多余的能量(制動(dòng)過程中)來給電池充電，取代傳統(tǒng)的交流發(fā)電機(jī)供電，通常為低至12V的電氣系統(tǒng)供電，使內(nèi)燃機(jī)能很快的起動(dòng)，并且噪音很低.當(dāng)不需要內(nèi)燃機(jī)的時(shí)候，可以關(guān)掉.當(dāng)需要重新起動(dòng)時(shí)沒有任何延時(shí)，阻尼曲柄軸速度變化，使得空檔運(yùn)行時(shí)也很平滑.在電動(dòng)、汽油混合的動(dòng)力車輛中，電動(dòng)機(jī)通過使用低速范圍內(nèi)具有大轉(zhuǎn)矩的特性來輔助汽油引擎.

目前制造的混合電動(dòng)汽油車輛中多使用籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)或永磁無刷電動(dòng)機(jī).在許多應(yīng)用中，電動(dòng)機(jī)的額定功率是10kW到75kW.由于內(nèi)燃機(jī)和齒輪箱中間的空間的限制，以及需要增加飛輪效應(yīng)，HEVs中的電動(dòng)機(jī)短而具有大的直徑，AFPM無刷電機(jī)是盤式、高轉(zhuǎn)矩密度的電動(dòng)機(jī)，能很好的滿足HEV要求[11-13].AFPM無刷電機(jī)可以采用液冷，可和電力電子變換器集成在一起.

電池EVs電動(dòng)車輛使用二次電池(可充電池或蓄電池)作為他們唯一的能源.EV傳動(dòng)系可以將儲(chǔ)存在電池中的能量轉(zhuǎn)換成電動(dòng)車輛的運(yùn)動(dòng)，能量也可以逆方向流動(dòng)，即通過再生制動(dòng)將車輛中動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能儲(chǔ)存在蓄電池中.AFPM無刷電動(dòng)機(jī)在EVs中作為輪轂電動(dòng)機(jī)，其盤形結(jié)構(gòu)可使電機(jī)設(shè)計(jì)成一個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊的電動(dòng)輪.在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中，輪轂電動(dòng)機(jī)直接安裝在車輛的輪子上.這樣的機(jī)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是相當(dāng)?shù)暮喕?，因?yàn)楫?dāng)電動(dòng)機(jī)安裝在輪子里，驅(qū)動(dòng)軸和等角速萬向節(jié)已經(jīng)不再需要了.然而，車輛總的簧下質(zhì)量增加了電動(dòng)機(jī)的重量.這種直驅(qū)結(jié)構(gòu)的車輪電動(dòng)機(jī)也會(huì)受到過載的困擾，因?yàn)檗D(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速比有齒輪結(jié)構(gòu)的要低些.這就導(dǎo)致了電動(dòng)機(jī)有效材料量的增加.傳統(tǒng)的車輪電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)可以通過使用圖1的結(jié)構(gòu)來克服.兩個(gè)定子直接安裝在車體上，然而轉(zhuǎn)子可以自由的旋轉(zhuǎn).可以看到在這種情況下，車輪和盤形轉(zhuǎn)子形成了簧下質(zhì)量，然而電動(dòng)機(jī)的定子變成了支撐在底座上的簧上質(zhì)量.

1.車輪 2.盤式電機(jī)轉(zhuǎn)子 3.盤式電機(jī)定子 4.連接軸 5.減震器 6.彈簧 7.汽車底盤

1.3 船舶驅(qū)動(dòng)

潛艇的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求輸出功率高，效高率，噪音小和結(jié)構(gòu)緊湊的電動(dòng)機(jī).盤式無刷電機(jī)能滿足這些要求[14]，并且能無故障運(yùn)行100000h，只需要周圍的海水來冷卻.這種電動(dòng)機(jī)實(shí)際上噪音小，運(yùn)行時(shí)振動(dòng)很小.額定運(yùn)行條件下輸出功率能超過每公斤2.2kW，轉(zhuǎn)矩密度是每公斤5.5N·m.大型的潛艇推進(jìn)電動(dòng)機(jī)通常的轉(zhuǎn)子線速度是20～30m/s.

通過設(shè)計(jì)成兩個(gè)反方向旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，軸向磁場永磁電動(dòng)機(jī)也可以應(yīng)用在海洋驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上，用作具有兩個(gè)反向轉(zhuǎn)子的海洋推進(jìn)器.該系統(tǒng)中使用一個(gè)額外的反向旋轉(zhuǎn)的推進(jìn)器，便于從主推進(jìn)器的旋流中恢復(fù)能量.在這種情況下，使用一個(gè)有反向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的AFPM可以不需要使運(yùn)動(dòng)反向的行星齒輪.電動(dòng)機(jī)的定子繞組采用矩形導(dǎo)線，規(guī)格根據(jù)環(huán)形鐵心的截面而定，每一個(gè)線圈有兩個(gè)有效面，每個(gè)線圈的表面與對面的永磁轉(zhuǎn)子相互作用.為了使得兩個(gè)轉(zhuǎn)子有相反方向的運(yùn)動(dòng)，定子繞組線圈的排列必須在電機(jī)的氣隙中產(chǎn)生一個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的磁場.定子位于兩個(gè)轉(zhuǎn)子之間，轉(zhuǎn)子由低碳鋼做成的盤和軸向磁化的釹鐵硼永磁體組成.永磁體安裝在與定子邊相對的轉(zhuǎn)子盤的表面，每個(gè)轉(zhuǎn)子有自己的軸來驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器[15].

1.4 電磁彈射系統(tǒng)EMALS

軍用飛機(jī)是在蒸氣彈射裝置的幫助下從航空母艦的甲板上彈射升空的.蒸氣彈射器使用兩排并列的有槽圓柱體，活塞連接到牽引機(jī)上.蒸汽壓力下的活塞使?fàn)恳龣C(jī)加速直到飛機(jī)起飛.蒸氣彈射器有許多缺點(diǎn)：操作時(shí)沒有回饋控制；體積大(超過110m3)質(zhì)量重(達(dá)500t)占據(jù)了航空母艦上的黃金地帶，對船的穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響；低的效率，運(yùn)行能量受限，需要頻繁的維護(hù).

電磁彈射系統(tǒng)則可以避免上述缺陷.電磁飛船發(fā)射技術(shù)使用線性感應(yīng)電動(dòng)機(jī)或線性同步電動(dòng)機(jī)[16]，它們由盤式交流發(fā)電機(jī)通過交交變頻器供電.從航空母艦發(fā)電站獲得的電能變成動(dòng)能儲(chǔ)存在AFPM同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上.能量然后作為秒脈沖釋放去加速和發(fā)射飛機(jī).在AFPM發(fā)電機(jī)和線性電動(dòng)機(jī)之間的交交變頻器提高了電壓和頻率.圖2所示的EMALS系統(tǒng)使用4個(gè)AFPM電機(jī)安裝在扭矩框架上，組成反向旋轉(zhuǎn)對去減小轉(zhuǎn)矩和陀螺效應(yīng).AFPM電機(jī)的轉(zhuǎn)子既在作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)儲(chǔ)存動(dòng)能又在作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)提供勵(lì)磁，從甲板上發(fā)電機(jī)處獲得的電功率通過整流器逆變器供給AFPM電機(jī).電動(dòng)機(jī)繞組位于槽的底部以在繞組和機(jī)座之間提供更好的導(dǎo)熱性能[17].

1.永磁磁極轉(zhuǎn)子 2.定子 3.軸承 4.外殼 5.安裝法蘭 6.剎車 7.轉(zhuǎn)軸編碼器

1.5 便攜式鉆機(jī)設(shè)備

鉆機(jī)的使用范圍小到電動(dòng)玩具，大到油田的大鉆機(jī).鉆機(jī)中的動(dòng)力機(jī)組(電動(dòng)機(jī))實(shí)現(xiàn)以下功能：驅(qū)動(dòng)重的振動(dòng)機(jī)械或舂鉆，或提供旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)螺旋鉆旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)來提升或降低鉆機(jī)和采樣設(shè)備，向下提供一個(gè)壓力來驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)和采樣設(shè)備或舉起和降下錘子去驅(qū)動(dòng)框或采樣設(shè)備.對大多數(shù)鉆井和采樣來說，動(dòng)力源自鉆機(jī)上所安裝的貨車上電動(dòng)機(jī)的功率或來自一個(gè)單獨(dú)的發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)集成在鉆機(jī)里作為鉆機(jī)里的一個(gè)內(nèi)部元件.據(jù)估計(jì)差不多90%的電動(dòng)機(jī)是汽油或柴油機(jī)，10%是壓縮機(jī).大部分機(jī)組能傳遞4～8個(gè)起鉆速度.一般情況下，鉆機(jī)的提升能力決定了鉆孔的深度.選擇電源的經(jīng)驗(yàn)法則是要求起動(dòng)鉆桿的動(dòng)力應(yīng)該是旋轉(zhuǎn)鉆柱動(dòng)力的3倍.若是提升高度較高，功率損耗大約是每300m耗3%.

由于大型AFPM無刷電機(jī)緊湊的設(shè)計(jì)，重量輕，精確的速度控制，高的效率和高的可靠性，特別適合于便攜式鉆機(jī)設(shè)備.傳統(tǒng)的感應(yīng)電機(jī)或有刷的直流電動(dòng)機(jī)已經(jīng)被高性能液冷的AFPM同步電動(dòng)機(jī)所取代了.這個(gè)系統(tǒng)使用600V交流電壓的鉆塔電源，便于攜帶.AFPM 同步電動(dòng)機(jī)已經(jīng)成功地通過了三軸加載60g的測試，是嚴(yán)酷的鉆井環(huán)境中最理想的選擇；AFPM同步電動(dòng)機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩控制精度高，是其他電動(dòng)機(jī)所達(dá)不到的；模塊式設(shè)計(jì)允許鉆機(jī)用一臺(tái)電機(jī)降額連續(xù)運(yùn)行[5].

1.6 直驅(qū)電梯電機(jī)

電梯無齒輪機(jī)電驅(qū)動(dòng)的概念是于1992年由Komne公司提出來的.有了盤式低速緊湊型AFPM無刷電動(dòng)機(jī)之后，Penhouse機(jī)械室可由節(jié)省空間的直驅(qū)機(jī)電驅(qū)動(dòng)來取代.與相似直徑的低速軸向磁場鼠籠感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比，AFPM無刷電動(dòng)機(jī)效率倍增，是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)的3倍[18].

1.7 小型AFPM無刷電機(jī)

在部隊(duì)里可攜帶的背包電池的能量密度低對未來步兵操練來說是一個(gè)主要的約束和挑戰(zhàn).最近隨著永磁無刷電機(jī)技術(shù)方面的發(fā)展，一種輕小型發(fā)電機(jī)組可以減輕笨重的電池的重量，并且可以在現(xiàn)場操練時(shí)充電，小型發(fā)電機(jī)能長期的供給電功率，唯一的限制是燃料的供應(yīng).通過使用例如煤油，可以實(shí)現(xiàn)易燃快燃.

超平面PM微型電動(dòng)機(jī)，即所謂的便士馬達(dá)在微型硬盤驅(qū)動(dòng)，手機(jī)振動(dòng)電動(dòng)機(jī)，移動(dòng)掃描儀和消費(fèi)電子中獲得了應(yīng)用[19].采用移磁技術(shù)(MMT)的兩相或三相微型AFPM無刷電動(dòng)機(jī)適合于大批量低成本生產(chǎn).為了使電機(jī)堅(jiān)固，定子線圈是澆注的.定子安裝在一個(gè)單邊印刷的電路板上.每一個(gè)部件都是使用標(biāo)準(zhǔn)的模具制造的，采用了疊片和線圈自動(dòng)繞制技術(shù)，對每個(gè)進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)和有效的安裝.

為自動(dòng)化應(yīng)用領(lǐng)域中設(shè)計(jì)的MMT AFPM微型旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器，在有限的行程里可以提供一個(gè)有效的，無接觸的，直驅(qū)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).在該盤式電機(jī)中采用瓦片形永磁體.

計(jì)算機(jī)硬盤驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)(HDD)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是高的超動(dòng)轉(zhuǎn)矩，有限的電流，低的振動(dòng)和噪音，對體積和形狀的物理約束不多.由于在不移動(dòng)時(shí)，讀/寫頭通常會(huì)粘住磁盤，因此需要一個(gè)高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即10～20倍的運(yùn)行轉(zhuǎn)矩.AFPM無刷電動(dòng)機(jī)可以比對應(yīng)的徑向磁場電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，另外的優(yōu)點(diǎn)是零齒槽轉(zhuǎn)矩，因此可用作計(jì)算機(jī)硬盤驅(qū)動(dòng).

在現(xiàn)代社會(huì)中，移動(dòng)通信技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)使得手機(jī)成為了相當(dāng)流行的工具.手機(jī)內(nèi)振動(dòng)電動(dòng)機(jī)的趨勢包括減小重量和體積，降低能耗，以及確保在任何情況下都能可靠的發(fā)出振動(dòng)和鬧響.手機(jī)里有兩種無刷振動(dòng)電動(dòng)機(jī)，柱形的徑向磁場(RFPM)電動(dòng)機(jī)和硬幣型的AFPM電動(dòng)機(jī).由離心轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的不平衡的激振力是：F=mεΩ=2Πmεn2.m，ε和n分別表示為轉(zhuǎn)子質(zhì)量，偏心距和旋轉(zhuǎn)速度.旋轉(zhuǎn)速度是增加不平衡激振力的最有效的設(shè)計(jì)參數(shù).移極技術(shù)單相AFPM無刷振動(dòng)電動(dòng)機(jī)僅使用一個(gè)簡單的設(shè)計(jì)就可以提供一個(gè)強(qiáng)烈的振動(dòng)感和安靜的警惕.由于無觸點(diǎn)設(shè)計(jì)，可伸縮的尺寸和細(xì)長型，MMT振動(dòng)電動(dòng)機(jī)的制造很具有成本效益.

軸向磁場永磁電機(jī)除了在上述幾個(gè)方面獲得應(yīng)用之外，還將在飛輪儲(chǔ)能[20]，航空航天，家用電器中獲得廣泛的應(yīng)用.

2 結(jié)論

軸向磁場永磁無刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)和徑向磁場永磁無刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)雖不相同，但運(yùn)行理論是相同，設(shè)計(jì)方法也相似，但軸向磁場電機(jī)的磁場是三維分布的，另外，電機(jī)定子鐵心的疊片方法與傳統(tǒng)徑向磁場電機(jī)的也不一樣.因此，在軸向磁場電機(jī)研究和發(fā)展方面應(yīng)注意以下幾個(gè)方面的問題.

2.1 電機(jī)磁場分析

從靜磁分析的觀點(diǎn)和熱分析的觀點(diǎn)來看,軸向電機(jī)實(shí)際上是三維結(jié)構(gòu)，需通過解析法和三維有限元法來對軸向磁場永磁電機(jī)建模.三維有限元法能得到較高的精度，然而在工業(yè)應(yīng)用中對計(jì)算機(jī)的配置要求高，運(yùn)行也太費(fèi)時(shí)了，特別是進(jìn)行電機(jī)初始設(shè)計(jì)時(shí).因此對軸向磁場電機(jī)進(jìn)行三維磁場計(jì)算時(shí)存在計(jì)算速度和計(jì)算精度之間的矛盾.在對軸向磁場電機(jī)建模的時(shí)候，通常的做法是在電機(jī)平均半徑處采用解析法或二維有限元法，但一般得不到足夠的計(jì)算精度.為了改進(jìn)這種現(xiàn)象，Asko Paviainen等人介紹了一種求解軸向表貼式永磁電機(jī)的解析工具,它使用類三維計(jì)算，非線性磁阻網(wǎng)絡(luò)和解析設(shè)計(jì)法[21].根據(jù)類三維建模的觀點(diǎn)，軸向磁場電機(jī)的總體性能可看作是將幾個(gè)線性電機(jī)的性能相加而得到.這個(gè)方法可以考慮不同的磁極形狀，以及沿電機(jī)半徑方向齒寬的變化.將軸向磁場電機(jī)的三維幾何模型轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的二維模型(使用類三維計(jì)算)的過程：①選擇計(jì)算平面.將軸向磁場電機(jī)看作是單個(gè)的線性電機(jī)，將軸向磁場電機(jī)在平均半徑處的平面設(shè)為計(jì)算平面.②根據(jù)選擇的計(jì)算平面將軸向磁場電機(jī)的三維模型轉(zhuǎn)換為線性電機(jī)的三維模型.③線性電機(jī)的三維模型進(jìn)一步簡化為二維平面.在對軸向磁場電機(jī)建模的時(shí)候，所取的計(jì)算平面多，雖可以提高計(jì)算的精度，但耗費(fèi)的時(shí)間也較多.因此要選擇好計(jì)算平面數(shù),處理好計(jì)算速度和計(jì)算精度的矛盾.

2.2 定子鐵心的制造

為了獲得高的單位輸出轉(zhuǎn)矩又不需要增加永磁體厚度，電機(jī)最好采用的開槽電樞鐵心以減小氣隙.然而有槽軸向磁場電機(jī)的電樞鐵心的制造相當(dāng)困難，傳統(tǒng)的方法是采用帶形硅鋼片沿周向卷繞而成，沖片的槽距隨著內(nèi)徑的增大而增加.沖槽過程相當(dāng)慢，當(dāng)繞制沖好槽的疊片時(shí)，存在預(yù)先打孔的槽難以對齊的難題.并且繞組很難繞制，槽滿率很低.這個(gè)問題可以通過采用軟磁材料和非晶材料等新材料，以及采用特殊的結(jié)構(gòu)來解決.

2.3 電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸的選擇

一方面，當(dāng)極數(shù)大于10，電機(jī)長徑比小于0.3時(shí)，軸向磁場永磁電機(jī)才能體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢.另一方面，隨著電機(jī)外徑的增加，會(huì)存在齒根磁路過度飽和的問題，因此，直徑也不適宜太大，此時(shí)，為了提高電機(jī)的功率可采取多盤結(jié)構(gòu).

除此之外，還應(yīng)注意到單邊定子結(jié)構(gòu)中的磁拉力問題，以及永磁電機(jī)中齒槽轉(zhuǎn)矩問題.

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Axial Flux PM Brushlessmachines and Its Application

DENG Qiu-ling,XIE Ji-tang,ZHANG Xi-zheng,ZHANGming-yang

(Hunan Provincialkey Laboratory of Wind Generator and Its Control,College of Electrical and Information,Hunan Institute of Engineering,Xiangtan 411104,China)

Axial fluxpermanentmagnet (AFPM) brushlessmachines havemany advantages such as compact construction,high power density and efficiency,andmodular construction.It can be widely used in the future.Combined with these advantages,the paper introduce the application domains suitable for AFPM brushlessmachines，and deals with the bottleneck problems restricting the development of PMAF brushlessmachines,which provides

for real application of AFPM brushlessmachines.

axial flux; permanentmagnet;brushlessmachines; application

2016-02-21基金項(xiàng)目：湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(Z).作者簡介：鄧秋玲(1966-)，女，博士，教授，研究方向：特種電機(jī)設(shè)計(jì)和風(fēng)力發(fā)電.

TM315

A

1671-119X(2016)02-0001-05