轴向磁场永磁无刷电机及应用

邓秋玲，谢吉堂，张细政，张明阳

(湖南工程学院 电气信息学院，风力发电机组及控制湖南省重点实验室，湘潭 411101)



轴向磁场永磁无刷电机及应用

邓秋玲，谢吉堂，张细政，张明阳

(湖南工程学院 电气信息学院，风力发电机组及控制湖南省重点实验室，湘潭 411101)

轴向磁场永磁无刷电机具有结构紧凑、功率密度高、效率高、可以做成模块式结构等优点，具有广泛的应用前景.结合轴向磁场电机的优点，介绍了轴向磁场电机适合的应用领域，阐述了制约轴向磁场无刷电机发展的瓶颈问题，为轴向磁场电机的实际应用提供参考.

轴向磁场；永磁；无刷电机；应用

世界上第一台电机就是轴向磁场永磁电机，是法拉第于1892年发明的，但因当时永磁材料的性能和生产工艺水平的限制，盘式永磁电机未能得到进一步发展[1，2].但随着永磁材料性能的改善，电机制造工艺水平的提高，以及新材料(软磁复合材料，非晶材料)的使用[3,4]，近几年来，轴向磁场永磁电机重新得到了电机界的重视.

轴向磁场永磁无刷电机具有以下优点：结构种类多种多样，结构紧凑，功率密度高，效率高，可以做成多盘结构以提高输出功率，还可以采用模块式结构，简化了生产制造，因而具有广泛的应用前景.

轴向磁场电机在国外研究较多，也在很多领域得到了应用，如电动汽车，风力发电，船舶驱动等领域[5].但我国目前对轴向磁场电机进行研究的企业和高校并不多，由于电枢铁心的制造比较困难，目前生产的产品多以无铁心盘式电机为主.鉴于轴向磁场电机的优势，国内专家也开始对盘式电机的市场进行了深度调研，对投资前景进行了预测，为盘式电机的广泛应用开辟一个新天地.

1 轴向磁场永磁无刷电机的应用领域

1.1 分布式发电系统

分布式发电(Distributed Generation，简称DG)，通常是指发电功率在几千瓦至数百兆瓦的小型模块化、分散式、布置在用户附近的高效、可靠的发电单元，主要包括以液体或气体为燃料的内燃机、微型燃气轮机、太阳能发电(光伏电池、光热发电)、风力发电、生物质能发电等.分布式发电的优势在于可以充分开发利用各种可用的分散存在的能源，包括本地可方便获取的化石类燃料和可再生能源，并提高能源的利用效率.轴向磁场永磁无刷电机是可靠性高的自励磁发电机，其优点是结构紧凑，功率密度高，模块式结构，效率高，容易与涡轮转子或飞轮等其它机械构件集成在一起使用.因此可在分布式发电系统中作主要发电机使用.轴向磁场无刷发电机输出功率通常被整流，然后通过变换与电网频率进行匹配输送到电网上，或只是整流成直流.

轴向磁场永磁无刷电机既可作高速发电机，也可作低速发电机.要降低高速发电机的风摩损耗就需要使用小直径的转子，因此用作高速发电机时，一般采用具有模块化的多盘式设计，其具有结构紧凑，同步电抗低，电压调整率优良等一系列的优点，无铁心定子轴向磁场发电机还具有效率高的优点.多盘式轴向磁场高速发电机通常由汽轮机驱动.涡轮机转子和PM转子安装在同一轴上，可以减轻重量.如英国Turbogenset 公司生产的功率为100kW、速率60000r/min的多盘发电机，其外径180mm，长300mm，重量却只有12kg，高频输出被整流成直流，然后逆变成50Hz、60Hz或400Hz 的交流，发电机采用空冷[5].

如果电机的极数足够多，轴向长度与外径的比率足够小时，轴向磁场永磁电机(AFPM)与传统径向磁场永磁(RFPM)电机相比在转矩和功率密度方面有优势[6].除此之外，轴向磁场电机还可以做成多定子、多转子的多模块结构.若用在直驱风力发电系统中，增加定子模块的数量就可以增加发电机的输出功率，因此轴向磁场永磁同步发电机还适合应用于直驱风能转换场合中[7-9].

1.2 新能源电动车辆

在能源紧缺、环境污染日益加剧的情况下，新能源电动车辆已受到各国的大力提倡.电动车辆一般分为两类：混合式电动车和电池电动车.混合动力车辆目前是处于运输技术发展的前沿[10].从汽油车到混合动力车和电池电动车的转换，将减小一次能源的总的消耗.混合动力车辆和电池动力车辆应该满足下列条件：高的瞬态转矩，高的功率密度，起动和爬坡时的低速大转矩，循游时的高速小转矩，恒转矩区域和恒功率区域的速度范围宽，转矩响应快.在宽的速度范围和转矩范围内效率高.在各种运行条件下，如高温、低温，雨雪和振荡的环境中，应有高的可靠性和鲁棒性.另外，成本要低.

混合动力车辆 HEVs中既有传统车辆中的内燃机又有电动车辆中的电动机，电动机/发电机通常位于内燃机和齿轮箱之间.电动机/发电机转轴的一端连接到内燃机的曲柄轴，而另一端通过离合器连接到飞轮上或齿轮箱上.电动机的作用如下：需要时帮助车辆推进，因而可使用小的内燃机；作发电机运行，允许使用多余的能量(制动过程中)来给电池充电，取代传统的交流发电机供电，通常为低至12V的电气系统供电，使内燃机能很快的起动，并且噪音很低.当不需要内燃机的时候，可以关掉.当需要重新起动时没有任何延时，阻尼曲柄轴速度变化，使得空档运行时也很平滑.在电动、汽油混合的动力车辆中，电动机通过使用低速范围内具有大转矩的特性来辅助汽油引擎.

目前制造的混合电动汽油车辆中多使用笼型感应电动机或永磁无刷电动机.在许多应用中，电动机的额定功率是10kW到75kW.由于内燃机和齿轮箱中间的空间的限制，以及需要增加飞轮效应，HEVs中的电动机短而具有大的直径，AFPM无刷电机是盘式、高转矩密度的电动机，能很好的满足HEV要求[11-13].AFPM无刷电机可以采用液冷，可和电力电子变换器集成在一起.

电池EVs电动车辆使用二次电池(可充电池或蓄电池)作为他们唯一的能源.EV传动系可以将储存在电池中的能量转换成电动车辆的运动，能量也可以逆方向流动，即通过再生制动将车辆中动能转换为电能储存在蓄电池中.AFPM无刷电动机在EVs中作为轮毂电动机，其盘形结构可使电机设计成一个结构紧凑的电动轮.在传统的结构中，轮毂电动机直接安装在车辆的轮子上.这样的机电驱动系统是相当的简化了，因为当电动机安装在轮子里，驱动轴和等角速万向节已经不再需要了.然而，车辆总的簧下质量增加了电动机的重量.这种直驱结构的车轮电动机也会受到过载的困扰，因为转子的转速比有齿轮结构的要低些.这就导致了电动机有效材料量的增加.传统的车轮电动机的缺点可以通过使用图1的结构来克服.两个定子直接安装在车体上，然而转子可以自由的旋转.可以看到在这种情况下，车轮和盘形转子形成了簧下质量，然而电动机的定子变成了支撑在底座上的簧上质量.

1.车轮 2.盘式电机转子 3.盘式电机定子 4.连接轴 5.减震器 6.弹簧 7.汽车底盘

1.3 船舶驱动

潜艇的电驱动系统要求输出功率高，效高率，噪音小和结构紧凑的电动机.盘式无刷电机能满足这些要求[14]，并且能无故障运行100000h，只需要周围的海水来冷却.这种电动机实际上噪音小，运行时振动很小.额定运行条件下输出功率能超过每公斤2.2kW，转矩密度是每公斤5.5N·m.大型的潜艇推进电动机通常的转子线速度是20～30m/s.

通过设计成两个反方向旋转的转子，轴向磁场永磁电动机也可以应用在海洋驱动系统上，用作具有两个反向转子的海洋推进器.该系统中使用一个额外的反向旋转的推进器，便于从主推进器的旋流中恢复能量.在这种情况下，使用一个有反向旋转转子的AFPM可以不需要使运动反向的行星齿轮.电动机的定子绕组采用矩形导线，规格根据环形铁心的截面而定，每一个线圈有两个有效面，每个线圈的表面与对面的永磁转子相互作用.为了使得两个转子有相反方向的运动，定子绕组线圈的排列必须在电机的气隙中产生一个反向旋转的磁场.定子位于两个转子之间，转子由低碳钢做成的盘和轴向磁化的钕铁硼永磁体组成.永磁体安装在与定子边相对的转子盘的表面，每个转子有自己的轴来驱动推进器[15].

1.4 电磁弹射系统EMALS

军用飞机是在蒸气弹射装置的帮助下从航空母舰的甲板上弹射升空的.蒸气弹射器使用两排并列的有槽圆柱体，活塞连接到牵引机上.蒸汽压力下的活塞使牵引机加速直到飞机起飞.蒸气弹射器有许多缺点：操作时没有回馈控制；体积大(超过110m3)质量重(达500t)占据了航空母舰上的黄金地带，对船的稳定性产生负面影响；低的效率，运行能量受限，需要频繁的维护.

电磁弹射系统则可以避免上述缺陷.电磁飞船发射技术使用线性感应电动机或线性同步电动机[16]，它们由盘式交流发电机通过交交变频器供电.从航空母舰发电站获得的电能变成动能储存在AFPM同步发电机的转子上.能量然后作为秒脉冲释放去加速和发射飞机.在AFPM发电机和线性电动机之间的交交变频器提高了电压和频率.图2所示的EMALS系统使用4个AFPM电机安装在扭矩框架上，组成反向旋转对去减小转矩和陀螺效应.AFPM电机的转子既在作电动机运行时储存动能又在作发电机运行时提供励磁，从甲板上发电机处获得的电功率通过整流器逆变器供给AFPM电机.电动机绕组位于槽的底部以在绕组和机座之间提供更好的导热性能[17].

1.永磁磁极转子 2.定子 3.轴承 4.外壳 5.安装法兰 6.刹车 7.转轴编码器

1.5 便携式钻机设备

钻机的使用范围小到电动玩具，大到油田的大钻机.钻机中的动力机组(电动机)实现以下功能：驱动重的振动机械或舂钻，或提供旋转运动带动螺旋钻旋转，驱动卷扬机来提升或降低钻机和采样设备，向下提供一个压力来驱动钻机和采样设备或举起和降下锤子去驱动框或采样设备.对大多数钻井和采样来说，动力源自钻机上所安装的货车上电动机的功率或来自一个单独的发动机，发动机集成在钻机里作为钻机里的一个内部元件.据估计差不多90%的电动机是汽油或柴油机，10%是压缩机.大部分机组能传递4～8个起钻速度.一般情况下，钻机的提升能力决定了钻孔的深度.选择电源的经验法则是要求起动钻杆的动力应该是旋转钻柱动力的3倍.若是提升高度较高，功率损耗大约是每300m耗3%.

由于大型AFPM无刷电机紧凑的设计，重量轻，精确的速度控制，高的效率和高的可靠性，特别适合于便携式钻机设备.传统的感应电机或有刷的直流电动机已经被高性能液冷的AFPM同步电动机所取代了.这个系统使用600V交流电压的钻塔电源，便于携带.AFPM 同步电动机已经成功地通过了三轴加载60g的测试，是严酷的钻井环境中最理想的选择；AFPM同步电动机的速度和转矩控制精度高，是其他电动机所达不到的；模块式设计允许钻机用一台电机降额连续运行[5].

1.6 直驱电梯电机

电梯无齿轮机电驱动的概念是于1992年由Komne公司提出来的.有了盘式低速紧凑型AFPM无刷电动机之后，Penhouse机械室可由节省空间的直驱机电驱动来取代.与相似直径的低速轴向磁场鼠笼感应电动机相比，AFPM无刷电动机效率倍增，是感应电动机功率因数的3倍[18].

1.7 小型AFPM无刷电机

在部队里可携带的背包电池的能量密度低对未来步兵操练来说是一个主要的约束和挑战.最近随着永磁无刷电机技术方面的发展，一种轻小型发电机组可以减轻笨重的电池的重量，并且可以在现场操练时充电，小型发电机能长期的供给电功率，唯一的限制是燃料的供应.通过使用例如煤油，可以实现易燃快燃.

超平面PM微型电动机，即所谓的便士马达在微型硬盘驱动，手机振动电动机，移动扫描仪和消费电子中获得了应用[19].采用移磁技术(MMT)的两相或三相微型AFPM无刷电动机适合于大批量低成本生产.为了使电机坚固，定子线圈是浇注的.定子安装在一个单边印刷的电路板上.每一个部件都是使用标准的模具制造的，采用了叠片和线圈自动绕制技术，对每个进行具体的设计和有效的安装.

为自动化应用领域中设计的MMT AFPM微型旋转驱动器，在有限的行程里可以提供一个有效的，无接触的，直驱旋转运动.在该盘式电机中采用瓦片形永磁体.

计算机硬盘驱动电动机(HDD)的设计特点是高的超动转矩，有限的电流，低的振动和噪音，对体积和形状的物理约束不多.由于在不移动时，读/写头通常会粘住磁盘，因此需要一个高的起动转矩，即10～20倍的运行转矩.AFPM无刷电动机可以比对应的径向磁场电动机产生较高的起动转矩，另外的优点是零齿槽转矩，因此可用作计算机硬盘驱动.

在现代社会中，移动通信技术的进步已经使得手机成为了相当流行的工具.手机内振动电动机的趋势包括减小重量和体积，降低能耗，以及确保在任何情况下都能可靠的发出振动和闹响.手机里有两种无刷振动电动机，柱形的径向磁场(RFPM)电动机和硬币型的AFPM电动机.由离心转子产生的不平衡的激振力是：F=mεΩ=2Πmεn2.m，ε和n分别表示为转子质量，偏心距和旋转速度.旋转速度是增加不平衡激振力的最有效的设计参数.移极技术单相AFPM无刷振动电动机仅使用一个简单的设计就可以提供一个强烈的振动感和安静的警惕.由于无触点设计，可伸缩的尺寸和细长型，MMT振动电动机的制造很具有成本效益.

轴向磁场永磁电机除了在上述几个方面获得应用之外，还将在飞轮储能[20]，航空航天，家用电器中获得广泛的应用.

2 结论

轴向磁场永磁无刷电机的结构和径向磁场永磁无刷电机的结构虽不相同，但运行理论是相同，设计方法也相似，但轴向磁场电机的磁场是三维分布的，另外，电机定子铁心的叠片方法与传统径向磁场电机的也不一样.因此，在轴向磁场电机研究和发展方面应注意以下几个方面的问题.

2.1 电机磁场分析

从静磁分析的观点和热分析的观点来看,轴向电机实际上是三维结构，需通过解析法和三维有限元法来对轴向磁场永磁电机建模.三维有限元法能得到较高的精度，然而在工业应用中对计算机的配置要求高，运行也太费时了，特别是进行电机初始设计时.因此对轴向磁场电机进行三维磁场计算时存在计算速度和计算精度之间的矛盾.在对轴向磁场电机建模的时候，通常的做法是在电机平均半径处采用解析法或二维有限元法，但一般得不到足够的计算精度.为了改进这种现象，Asko Paviainen等人介绍了一种求解轴向表贴式永磁电机的解析工具,它使用类三维计算，非线性磁阻网络和解析设计法[21].根据类三维建模的观点，轴向磁场电机的总体性能可看作是将几个线性电机的性能相加而得到.这个方法可以考虑不同的磁极形状，以及沿电机半径方向齿宽的变化.将轴向磁场电机的三维几何模型转换为相应的二维模型(使用类三维计算)的过程：①选择计算平面.将轴向磁场电机看作是单个的线性电机，将轴向磁场电机在平均半径处的平面设为计算平面.②根据选择的计算平面将轴向磁场电机的三维模型转换为线性电机的三维模型.③线性电机的三维模型进一步简化为二维平面.在对轴向磁场电机建模的时候，所取的计算平面多，虽可以提高计算的精度，但耗费的时间也较多.因此要选择好计算平面数,处理好计算速度和计算精度的矛盾.

2.2 定子铁心的制造

为了获得高的单位输出转矩又不需要增加永磁体厚度，电机最好采用的开槽电枢铁心以减小气隙.然而有槽轴向磁场电机的电枢铁心的制造相当困难，传统的方法是采用带形硅钢片沿周向卷绕而成，冲片的槽距随着内径的增大而增加.冲槽过程相当慢，当绕制冲好槽的叠片时，存在预先打孔的槽难以对齐的难题.并且绕组很难绕制，槽满率很低.这个问题可以通过采用软磁材料和非晶材料等新材料，以及采用特殊的结构来解决.

2.3 电机结构尺寸的选择

一方面，当极数大于10，电机长径比小于0.3时，轴向磁场永磁电机才能体现出明显的优势.另一方面，随着电机外径的增加，会存在齿根磁路过度饱和的问题，因此，直径也不适宜太大，此时，为了提高电机的功率可采取多盘结构.

除此之外，还应注意到单边定子结构中的磁拉力问题，以及永磁电机中齿槽转矩问题.

[1] 黄允凯，周 涛，董剑宁，等.轴向磁场永磁电机及其研究发展综述[J].中国电机工程学报，2015，35(1)：192-205.

[2] 唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].机械工业出版社，1997：308-314.

[3] 邓秋玲，黄守道，许志伟，彭 磊.软磁复合(SMC) 材料在轴向磁场永磁风力发电机中的应用[J].微特电机,2010，38(1)：21-23.

[4] Wang Z,Enomto Y,masaki R.Et,al.Development of a High Speedmotor Using Amorphousmetal Cores[C].The 8thInternational Conference on Power Electronics.Jeju,Korea:IEEE,2011:1940-1945.

[5] J.F.Gieras，R.J.Wang，M.J.Kamper.Axial Flux Permanentmagnet Brushlessmachines[M].New.York：Springer Verlag：291-299.

[6] 邓秋玲，李春菊，许志伟.直驱轴向磁场永磁同步风力发电机的设计[J].湖南工程学院学报，2010，20(1)：9-12.[7] 刘 嘉.适用于低风速盘式永磁发电机的设计研究[D].天津：天津大学博士学位论文，2009.

[8] 邓秋玲，黄守道，刘 婷.双定子轴向磁场永磁同步风力发电机的设计[J].湖南大学学报，2012，39(2)：54-59.

[9] 夏 冰.小型垂直轴风力发电盘式永磁电机的研究[D].杭州：浙江大学硕士学位论文，2010.

[10] 邓秋玲，肖 锋.盘式永磁同步电机在混合动力汽车中的应用[J].微特电机，2010.38(10)：66-68.

[11] 王晓远，陈 静，王平欣.电动汽车盘式轮毂永磁电机设计[J].沈阳工业大学学报，2012，34(3)：247-252.

[12] 陈 静.轮毂盘式永磁同步电动机的设计与分析[D].天津大学博士学位论文，2010.

[13] 邓秋玲，黄文涛.电动汽车用新型轴向磁场车轮电机的设计[J].微电机，2011，44(3)：29-32.

[14] Caricchi F,Crescim bini F,Honrati O.modular Axial Flux Permanentmagnetmotor for Ship Propulsion Drives[J].IEEE Transactions on Energy Conversion，1999,14(3):673-679.

[15]mongeau P.High Torque/high Power Density Permanentmagnetmotors[J].Naval Symp.On Electricmachines,Newport,RI,USA.1997：9-16.

[16] Giulii Capponi F,De.Donato G,Caricchi F.Recent Advances in Axial Flux Permanentmagnetmachines Technology[J].IEEE Transaction on Industry Applications，2012,48(6)：2190-2205.

[17] 邓 灿.电磁发射系统悬浮装置的控制研究[D].南京：东南大学硕士学位论文，2012.

[18] Hakala H.Integration ofmotor and Hoistingmachine Changes the Elevator Business[J].Int.Conf.on Electr.machines ICEM,2000,3:1242-1245.

[19]kleen S.,Ehrfeld W.,michel F.,Nienhausm.,and Stölting H.D.Penny-motor: A Family of Novel Ultraflatelectromagneticmicromotors[J] Int.Conf.Actua-tor Bremen,Germany,2000: 193-196.[20] Nguyen T,D.Tsengk J,Zhang Shao.A Novel Axial Flux Permanentmagnetmachine for Flywheel Energy Storage System:Design and Analysis[J].IEEE,Transactions on Industrial Electronics,2011,58(9):3784-3789.[21] Asko Paviainen,markku N iemela,Juha Pyrhonen.modeling Ofaxial-flux Permanent-magnetmachines[J].IEEE Transaction on Industry Application,2004,40:1333-1340.

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基金项目：湖南省重点实验室开放基金资助项目(Z).作者简介：邓秋玲(1966-)，女，博士，教授，研究方向：特种电机设计和风力发电.

TM315

A

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