李洪有

(佳木斯防爆電機(jī)研究所，黑龍江佳木斯154005)

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軸向永磁電機(jī)性能分析

李洪有

(佳木斯防爆電機(jī)研究所，黑龍江佳木斯154005)

軸向永磁電機(jī)憑借其結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、功率密度大等優(yōu)點(diǎn)備受科研人員青睞，不同領(lǐng)域中都有對(duì)其進(jìn)行深入研究?，F(xiàn)針對(duì)軸向永磁電機(jī)和傳統(tǒng)徑向永磁電機(jī)的性能進(jìn)行對(duì)比分析，并對(duì)其發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

軸向磁場(chǎng)；永磁電機(jī)；效率

0 引言

軸向永磁電機(jī)也被稱為盤式永磁電機(jī)，由于其結(jié)構(gòu)緊湊、工作效率高、密度大等特點(diǎn)備受好評(píng)，其大多用于電動(dòng)車輛、可再生能源系統(tǒng)和工業(yè)設(shè)備等高轉(zhuǎn)矩密度和空間緊湊的場(chǎng)合[1]。軸向永磁電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)是沿軸向方向分布，呈扁平型。隨著科技的進(jìn)步，新型材料和工藝水平提高，制約著軸向永磁電機(jī)發(fā)展的因素得到改善，憑借其獨(dú)有特點(diǎn)重新受到科研人員的重視。本文針對(duì)軸向永磁電機(jī)的性能加以分析，并與傳統(tǒng)徑向永磁電機(jī)進(jìn)行對(duì)比，最后對(duì)其發(fā)展前景作出展望。

1 結(jié)構(gòu)形式

與傳統(tǒng)徑向永磁電機(jī)相比，軸向永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)有著較大的不同。軸向永磁電機(jī)有無(wú)鐵心軸向永磁電機(jī)、中間轉(zhuǎn)子軸向永磁電機(jī)、內(nèi)嵌式軸向永磁電機(jī)等結(jié)構(gòu)形式。與傳統(tǒng)永磁電機(jī)以及不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的軸向永磁電機(jī)的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)了軸向永磁電機(jī)的共性問(wèn)題和優(yōu)劣問(wèn)題，對(duì)以后軸向永磁電機(jī)發(fā)展的重點(diǎn)方向有一定指導(dǎo)作用。定轉(zhuǎn)子無(wú)鐵心的軸向永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 定轉(zhuǎn)子無(wú)鐵心軸向永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

此電機(jī)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是質(zhì)量小、效率高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，適合應(yīng)用于高性能的伺服系統(tǒng)中。中間轉(zhuǎn)子軸向永磁電機(jī)見(jiàn)圖2。它是由兩個(gè)定子盤中間夾一個(gè)轉(zhuǎn)子盤組成雙氣隙結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)是主磁通直接沿著軸線穿過(guò)永磁體，轉(zhuǎn)子上無(wú)周向路徑，因此轉(zhuǎn)子部分不需要鐵磁材料，轉(zhuǎn)子質(zhì)量輕，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小[24]。

圖2 中間轉(zhuǎn)子軸向永磁電機(jī)

圖3為內(nèi)嵌式軸向永磁電機(jī)，其轉(zhuǎn)子是由鐵心材料、周向充磁的永磁體以及外圍支撐圓盤組成[5]。它的等效氣隙長(zhǎng)度較短，可以在弱磁區(qū)獲得較高轉(zhuǎn)矩，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，適合應(yīng)用于高速場(chǎng)合。

圖3 內(nèi)嵌式軸向永磁電機(jī)

2 性能比較

在額定功率下，對(duì)軸向永磁電機(jī)與傳統(tǒng)徑向永磁電機(jī)進(jìn)行包括功率密度、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比、材料使用量和損耗的定量性能比較，得到圖4的對(duì)比結(jié)果。

圖中，●代表徑向永磁電機(jī)，■代表單邊軸向永磁電機(jī)，▲代表雙邊軸向永磁電機(jī)，×代表單邊無(wú)槽永磁電機(jī)，*代表雙邊無(wú)槽永磁電機(jī)。

圖4 不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)軸向永磁電機(jī)與傳統(tǒng)徑向永磁電機(jī)性能對(duì)比

由圖4分析，可得到以下結(jié)論：軸向永磁電機(jī)比傳統(tǒng)徑向永磁電機(jī)有較高的功率密度，但是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量沒(méi)有徑向永磁電機(jī)大；無(wú)槽結(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)損耗大，是因?yàn)槠涞刃庀堕L(zhǎng)，永磁體使用量多的緣故。

軸向永磁電機(jī)與傳統(tǒng)徑向永磁電機(jī)相比，其具備的優(yōu)勢(shì)如下：軸向永磁電機(jī)長(zhǎng)徑比小，空間緊湊、體積小；功率密度高，材料利用率高。其劣勢(shì)表現(xiàn)為；隨著功率等級(jí)升高，轉(zhuǎn)軸受到機(jī)械強(qiáng)度和空間的限制比較嚴(yán)重，且轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)對(duì)于轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)性能要求較高，在功率大和高速場(chǎng)合下作用不大，不過(guò)可以改變其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善。

3 發(fā)展方向

軸向永磁電機(jī)憑借其特點(diǎn)應(yīng)用在電動(dòng)車輛、飛輪儲(chǔ)能、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域中。電動(dòng)車輛上的電機(jī)是核心部分，要求電機(jī)的性能比較嚴(yán)苛，需要具備功率密度高、扭矩大、調(diào)速范圍廣、重量輕、效率高等特點(diǎn)，而這些要求與軸向永磁電機(jī)的特點(diǎn)不謀而合；飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中，電機(jī)扮演著電能與機(jī)械能之間的能量轉(zhuǎn)換的重要角色。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中電機(jī)需要具備調(diào)速范圍廣、調(diào)速性能好、運(yùn)行效率高等特點(diǎn)，而軸向永磁電機(jī)的特點(diǎn)與之十分相符，因此，加深開(kāi)發(fā)軸向永磁電機(jī)用于飛輪儲(chǔ)能中是以后的發(fā)展方向；在風(fēng)力發(fā)電中，采用多盤式結(jié)構(gòu)軸向永磁電機(jī)，定子端采用模塊化結(jié)構(gòu)和集中式繞組可以使得風(fēng)力發(fā)電運(yùn)行性能更良好[6]。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)軸向永磁電機(jī)與傳統(tǒng)徑向永磁電機(jī)性能對(duì)比可以看出，軸向永磁電機(jī)的空間緊湊、體積小、功率密度高、材料利用率更高；但是在功率大和高速場(chǎng)合中，不宜使用，需要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行完善才可。在其未來(lái)的發(fā)展中，不僅要求電機(jī)系統(tǒng)具有高效、高功率密度等優(yōu)點(diǎn)，而且還需具備帶故障運(yùn)行的能力。

[1] 唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)：理論與設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1997：308-314．

[2] Profumo F，Tenconi A，Zhang Z，et al．Design andrealization of a novel axial flux interior PM synchronousmot or for wheel-motors applications[J]．ElectricalMachines and Power Systems,2000，28(7)：637-649．

[3] Profumo F，Tenconi A，Zhang Z，et al．Novel axial flux interior PM synchronous motor realized with powdered soft magnetic materials[C]//The 33th Industry Applications Conference．St．Louis，MO，USA：IEEE，1998：152-158．

[4] Cavagnino A,Lazzari M,Profumo F,et al.Axial flux interior PM synchronous motor：parameters identification and steady-state performance measurements[J].IEEETransactions on Industry Applications2000，36(6)：1581-1588．

[5] 劉嘉.適用于低風(fēng)速盤式永磁發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)研究[D].天津：天津大學(xué),2009.

[6] 王鳳翔.高速電機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及相關(guān)技術(shù)研究[J].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006,28(3):258-264．

Performance Analysis on Axial Permanent-Magnet Motor

LiHongyou

(Jiamusi Explosion-Proof Electric Machine Institute, Jiamusi 154005, China)

The axial permanent-magnet motor is most popular for scientific research personnel because of its advantages such as compact structure, high efficiency and large power density. It has been deeply researched in various fields. This paper analyzes and compares axial permanent-magnet motor with traditional radial permanent-magnet motor, and looks forward to the future development direction.

Axial magnetic field；permanent-magnet motor；efficiency

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.06.09

TM301.4

A

1008-7281(2016)06-0028-003

李洪有 男 1970年生；畢業(yè)于佳木斯大學(xué)(原佳木斯工學(xué)院)，現(xiàn)從事防爆檢驗(yàn)工作.

2016-05-29