效率高、功率密度大的盤式電機(jī)軸向永磁電機(jī)01簡介轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)應(yīng)用分析定子結(jié)構(gòu)設(shè)計分析方法目錄03050204基本信息軸向永磁電機(jī)(axialfluxpermanentmagnetmachineAFPMM)也稱盤式永磁電機(jī)，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。AFPMM尤其適合應(yīng)用于電動車輛、可再生能源系統(tǒng)、齒輪儲能系統(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。簡介簡介近年來，軸向永磁電機(jī)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，已有大量對多種結(jié)構(gòu)的軸向永磁電機(jī)在小同領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了深入研究。該文介紹了軸向永磁電機(jī)的一般定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)以及若十特殊結(jié)構(gòu)，對比了軸向永磁電機(jī)和傳統(tǒng)徑向永磁電機(jī)的性能和特征，分析了軸向永磁電機(jī)的設(shè)計分析方法，討論了軸向永磁電機(jī)在小同領(lǐng)域的研究和應(yīng)用，最后總結(jié)展望了軸向永磁電機(jī)及其相關(guān)技術(shù)研究的主要發(fā)展方向

。軸向永磁電機(jī)(axialfluxpermanentmagnetmachineAFPMM)也稱盤式永磁電機(jī)，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。AFPMM尤其適合應(yīng)用于電動車輛、可再生能源系統(tǒng)、齒輪儲能系統(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。軸向永磁電機(jī)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(jī)就是軸向電機(jī)，受材料和工藝水平的限制，軸向永磁電機(jī)在此后相當(dāng)長的一段時間未能得到進(jìn)一步的發(fā)展隨著科學(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(jī)存在的鐵心利用率低和冷卻困難等問題，軸向永磁電機(jī)重新獲得重視。目前，軸向永磁電機(jī)憑借其在功率密度和效率等方面的優(yōu)勢，已成為電機(jī)領(lǐng)域的研究熱點?；?項并總結(jié)了近年來國內(nèi)外學(xué)者在軸向永磁電機(jī)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(jī)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(jī)的研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵問題，最后探討了軸向永磁電機(jī)未來發(fā)展的主要方向。定子結(jié)構(gòu)無鐵心結(jié)構(gòu)有鐵心結(jié)構(gòu)定子結(jié)構(gòu)有鐵心結(jié)構(gòu)軸向永磁電機(jī)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-sidedstructureSS)、雙定子中間轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)(double-sidedinternalrotorstructureAFIR)、雙轉(zhuǎn)子中間定子結(jié)構(gòu)(double-sidedinternalstatorstructureTORUS)和多盤式結(jié)構(gòu)(multi-diskstructureMS)。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(jī)研究的重點。依據(jù)磁通閉合路徑的不同，定子可采用有鐵心或無鐵心結(jié)構(gòu)，有鐵心定子又可分為有槽和無槽兩種形式。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(jī)定子繞組有兩種常用形式，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(jī)定轉(zhuǎn)子沿軸向排列分布，定子便于采用薄硅鋼片、軟磁復(fù)合材料、非晶合金等新型材料，并衍生出多種結(jié)構(gòu)形式。無磁轆定子結(jié)構(gòu)用于雙轉(zhuǎn)子中間定子軸向永磁電機(jī)，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。由于沒有轆部，定子鐵心重量輕、鐵耗小，有助于提高電機(jī)的功率密度和效率。此外，還可設(shè)計成模塊化結(jié)構(gòu)，簡化電機(jī)的制造與裝配過程；維修時，只替換故障模塊即可，降低了電機(jī)檢修與維護(hù)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)子磁轆中引起較大的渦流。無鐵心結(jié)構(gòu)定子無鐵心軸向永磁電機(jī)通常采用中間定子結(jié)構(gòu)。無鐵心結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是電機(jī)效率高；而缺點是電機(jī)等效氣隙長度增大，相比同等情況下的有鐵心電機(jī)，永磁材料的使用量會有所增加。無鐵心軸向永磁電機(jī)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。定子無鐵心軸向永磁電機(jī)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，存在兩種形式，通過適當(dāng)?shù)淖兓?，在不同的使用條件下還可以衍生出多種不同的繞線方式。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為了克服單邊磁拉力等問題，中間定子或轉(zhuǎn)子的雙邊結(jié)構(gòu)是應(yīng)用最為廣泛的軸向永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)。永磁體的排列方式與徑向永磁電機(jī)類似，可以是表貼式、內(nèi)嵌式或Halbach形式。為了有效抑制有槽電機(jī)中的齒槽轉(zhuǎn)矩，軸向永磁電機(jī)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(jī)由兩個定子盤中間夾一個轉(zhuǎn)子盤組成雙氣隙結(jié)構(gòu)，磁通從永磁體的N極出發(fā)經(jīng)過氣隙進(jìn)入定子，沿定子轆部周向經(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(jī)具有較小的轉(zhuǎn)動慣量。設(shè)計分析方法解析法有限元法等效磁路法設(shè)計分析方法解析法解析法能夠在特定的假設(shè)簡化條件下，求解麥克斯韋方程組，實現(xiàn)滿足一定精度的磁場分析計算，節(jié)約大量的計算時間。然而，諸如磁路飽和、定子齒槽、漏磁等因素仍然難以在解析式中較為精確的體現(xiàn)，過度簡化可能導(dǎo)致計算精度偏低?？紤]電樞反應(yīng)對磁場的影響，運(yùn)用解析算法分析無槽軸向永磁發(fā)電機(jī)的內(nèi)部磁場，計算精度在s%以內(nèi)；利用解析法計算定子無鐵心軸向永磁電機(jī)在開路狀態(tài)下的磁場，永磁體假定軸向充磁且具有恒定的相對磁導(dǎo)率，利用拉普拉斯方程通解的形式來代表永磁體的兒何形狀，所得分析結(jié)果與三維有限元計算相吻合。但定子開槽結(jié)構(gòu)的軸向永磁電機(jī)解析法分析依舊是一個難點。此外，一些研究人員還采用解析法和有限元分析相結(jié)合的輔助方法來分析計算電機(jī)電磁場等效磁路法等效磁路法(magneticequivalentcircuitMEC)采用“磁路”和“電路”類比的方法，在考慮磁路飽和、鐵磁材料非線性以及永磁磁場和電樞反應(yīng)磁場相互影響等因素下，利用隨時間和空間變化的磁阻構(gòu)建磁阻絡(luò)模型，通過節(jié)點磁位建立絡(luò)方程，求解得到電機(jī)磁場分布，進(jìn)而求得電機(jī)相關(guān)靜態(tài)特性。等效磁路法可以實現(xiàn)計算時間和計算精度的有效平衡，計算時間比有限元法少，而計算精度一般比解析法高。鑒于等效磁路法的計算時間和精度適中，此類方法適合應(yīng)用于電機(jī)初始設(shè)計和參數(shù)優(yōu)化。近年來，國內(nèi)外研究人員對等效磁路法在不同類型電機(jī)中的應(yīng)用做出了深入的研究，應(yīng)用范圍包括異步電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、直線電機(jī)和軸向永磁電機(jī)等。相比較而言，等效磁路法在軸向永磁電機(jī)中的應(yīng)用還比較少，相關(guān)技術(shù)還不夠成熟，是軸向永磁電機(jī)設(shè)計分析的一個難點。采用等效磁路模型，考慮磁路飽和以及磁通的三維分布，分析了一臺中間轉(zhuǎn)子軸向永磁電機(jī)的磁場分布，最終實現(xiàn)最優(yōu)輸出轉(zhuǎn)矩的優(yōu)化設(shè)計。采用等效磁路法計算了軸向永磁電機(jī)各個部分的磁通分布，由此得到反電動勢波形，并通過傅里葉分析實現(xiàn)電機(jī)退磁的故障診斷。有限元法軸向永磁電機(jī)特殊的結(jié)構(gòu)形式，使得磁通密度沿徑向和軸向的分布體現(xiàn)兩個獨立的3D效應(yīng)：“彎曲效應(yīng)”和“邊緣效應(yīng)”。三維有限元分析可以同時考慮兩種效應(yīng)的影響，實現(xiàn)高精確度的磁場分析，但難以避免計算時間長，而且不便應(yīng)用于存在多種參變量在較大范圍內(nèi)變動的初始和優(yōu)化設(shè)計。提出了一種新的基于改進(jìn)麥克斯韋方程組的三維有限元分析方法計算軸向永磁電機(jī)的空載磁通，求得標(biāo)量磁勢的拉普拉斯方程解析解，三維模型將邊緣效應(yīng)和彎曲效應(yīng)考慮在內(nèi)，但計算耗時較少。另外，一些提出采用準(zhǔn)三維模型以及分段式二維有限元的方法實現(xiàn)電機(jī)磁場較為精確的分析計算。應(yīng)用分析電動車輛飛輪儲能風(fēng)力發(fā)電其他應(yīng)用場合應(yīng)用分析電動車輛由于日益嚴(yán)峻的能源短缺和環(huán)境污染問題，傳統(tǒng)交通車輛采用電力驅(qū)動是社會和技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。低排放的新能源車輛，包括混合動力車輛、純電動車輛和燃料電池車輛已引起廣泛的與研究。電機(jī)作為電動車輛上的核心部件，其性能特征要求嚴(yán)苛，需具備功率密度高，扭矩大、調(diào)速范圍寬、效率高、重量輕、體積小等特點。飛輪儲能飛輪儲能利用電動機(jī)帶動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化成動能儲存起來，釋放能量時利用飛輪帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。在齒輪儲能系統(tǒng)中，作為電能與機(jī)械能之間的能量轉(zhuǎn)換核心部件，電機(jī)的選擇直接決定子整個齒輪儲能系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。飛輪儲能電機(jī)需要滿足的性能要求包括：高速運(yùn)行以儲備能量；調(diào)速范圍廣，調(diào)速性能好；空載損耗低，運(yùn)行效率高；輸出轉(zhuǎn)矩大，輸出功率高；運(yùn)行可靠，結(jié)構(gòu)簡單等。風(fēng)力發(fā)電隨著資源日益枯竭和環(huán)保意識的提升，風(fēng)力發(fā)電作為具有良好發(fā)展前景的一項可再生能源技術(shù)，得到了業(yè)內(nèi)人士高度的重視，尤其適合在擁有豐富風(fēng)能資源的中國、北美和歐洲