軸向永磁電機性能分析

李洪有

(佳木斯防爆電機研究所，黑龍江佳木斯154005)

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軸向永磁電機性能分析

李洪有

(佳木斯防爆電機研究所，黑龍江佳木斯154005)

軸向永磁電機憑借其結構緊湊、效率高、功率密度大等優點備受科研人員青睞，不同領域中都有對其進行深入研究。現針對軸向永磁電機和傳統徑向永磁電機的性能進行對比分析，并對其發展方向進行了展望。

軸向磁場；永磁電機；效率

0 引言

軸向永磁電機也被稱為盤式永磁電機，由于其結構緊湊、工作效率高、密度大等特點備受好評，其大多用于電動車輛、可再生能源系統和工業設備等高轉矩密度和空間緊湊的場合[1]。軸向永磁電機的氣隙磁場是沿軸向方向分布，呈扁平型。隨著科技的進步，新型材料和工藝水平提高，制約著軸向永磁電機發展的因素得到改善，憑借其獨有特點重新受到科研人員的重視。本文針對軸向永磁電機的性能加以分析，并與傳統徑向永磁電機進行對比，最后對其發展前景作出展望。

1 結構形式

與傳統徑向永磁電機相比，軸向永磁電機的結構有著較大的不同。軸向永磁電機有無鐵心軸向永磁電機、中間轉子軸向永磁電機、內嵌式軸向永磁電機等結構形式。與傳統永磁電機以及不同拓撲結構的軸向永磁電機的對比分析，發現了軸向永磁電機的共性問題和優劣問題，對以后軸向永磁電機發展的重點方向有一定指導作用。定轉子無鐵心的軸向永磁電機結構示意圖見圖1。

圖1 定轉子無鐵心軸向永磁電機結構示意圖

此電機結構的特點是質量小、效率高、轉動慣量小，適合應用于高性能的伺服系統中。中間轉子軸向永磁電機見圖2。它是由兩個定子盤中間夾一個轉子盤組成雙氣隙結構，特點是主磁通直接沿著軸線穿過永磁體，轉子上無周向路徑，因此轉子部分不需要鐵磁材料，轉子質量輕，其轉動慣量小[24]。

圖2 中間轉子軸向永磁電機

圖3為內嵌式軸向永磁電機，其轉子是由鐵心材料、周向充磁的永磁體以及外圍支撐圓盤組成[5]。它的等效氣隙長度較短，可以在弱磁區獲得較高轉矩，結構堅固，適合應用于高速場合。

圖3 內嵌式軸向永磁電機

2 性能比較

在額定功率下，對軸向永磁電機與傳統徑向永磁電機進行包括功率密度、轉矩轉動慣量比、材料使用量和損耗的定量性能比較，得到圖4的對比結果。

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

圖4 不同拓撲結構軸向永磁電機與傳統徑向永磁電機性能對比

由圖4分析，可得到以下結論：軸向永磁電機比傳統徑向永磁電機有較高的功率密度，但是轉動慣量沒有徑向永磁電機大；無槽結構的永磁電機損耗大，是因為其等效氣隙長，永磁體使用量多的緣故。

軸向永磁電機與傳統徑向永磁電機相比，其具備的優勢如下：軸向永磁電機長徑比小，空間緊湊、體積小；功率密度高，材料利用率高。其劣勢表現為；隨著功率等級升高，轉軸受到機械強度和空間的限制比較嚴重，且轉子的高速旋轉對于轉子的結構性能要求較高，在功率大和高速場合下作用不大，不過可以改變其結構進行改善。

3 發展方向

軸向永磁電機憑借其特點應用在電動車輛、飛輪儲能、風力發電等領域中。電動車輛上的電機是核心部分，要求電機的性能比較嚴苛，需要具備功率密度高、扭矩大、調速范圍廣、重量輕、效率高等特點，而這些要求與軸向永磁電機的特點不謀而合；飛輪儲能系統中，電機扮演著電能與機械能之間的能量轉換的重要角色。飛輪儲能系統中電機需要具備調速范圍廣、調速性能好、運行效率高等特點，而軸向永磁電機的特點與之十分相符，因此，加深開發軸向永磁電機用于飛輪儲能中是以后的發展方向；在風力發電中，采用多盤式結構軸向永磁電機，定子端采用模塊化結構和集中式繞組可以使得風力發電運行性能更良好[6]。

4 結語

本文通過對軸向永磁電機與傳統徑向永磁電機性能對比可以看出，軸向永磁電機的空間緊湊、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合中，不宜使用，需要對其結構進行完善才可。在其未來的發展中，不僅要求電機系統具有高效、高功率密度等優點，而且還需具備帶故障運行的能力。

[1] 唐任遠.現代永磁電機：理論與設計[M].北京：機械工業出版社,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.適用于低風速盤式永磁發電機的設計研究[D].天津：天津大學,2009.

[6] 王鳳翔.高速電機的設計特點及相關技術研究[J].沈陽工業大學學報,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；畢業于佳木斯大學(原佳木斯工學院)，現從事防爆檢驗工作.

2016-05-29