轴向永磁电机性能分析

李洪有

(佳木斯防爆电机研究所，黑龙江佳木斯154005)



轴向永磁电机性能分析

李洪有

(佳木斯防爆电机研究所，黑龙江佳木斯154005)

轴向永磁电机凭借其结构紧凑、效率高、功率密度大等优点备受科研人员青睐，不同领域中都有对其进行深入研究。现针对轴向永磁电机和传统径向永磁电机的性能进行对比分析，并对其发展方向进行了展望。

轴向磁场；永磁电机；效率

0 引言

轴向永磁电机也被称为盘式永磁电机，由于其结构紧凑、工作效率高、密度大等特点备受好评，其大多用于电动车辆、可再生能源系统和工业设备等高转矩密度和空间紧凑的场合[1]。轴向永磁电机的气隙磁场是沿轴向方向分布，呈扁平型。随着科技的进步，新型材料和工艺水平提高，制约着轴向永磁电机发展的因素得到改善，凭借其独有特点重新受到科研人员的重视。本文针对轴向永磁电机的性能加以分析，并与传统径向永磁电机进行对比，最后对其发展前景作出展望。

1 结构形式

与传统径向永磁电机相比，轴向永磁电机的结构有着较大的不同。轴向永磁电机有无铁心轴向永磁电机、中间转子轴向永磁电机、内嵌式轴向永磁电机等结构形式。与传统永磁电机以及不同拓扑结构的轴向永磁电机的对比分析，发现了轴向永磁电机的共性问题和优劣问题，对以后轴向永磁电机发展的重点方向有一定指导作用。定转子无铁心的轴向永磁电机结构示意图见图1。

图1 定转子无铁心轴向永磁电机结构示意图

此电机结构的特点是质量小、效率高、转动惯量小，适合应用于高性能的伺服系统中。中间转子轴向永磁电机见图2。它是由两个定子盘中间夹一个转子盘组成双气隙结构，特点是主磁通直接沿着轴线穿过永磁体，转子上无周向路径，因此转子部分不需要铁磁材料，转子质量轻，其转动惯量小[24]。

图2 中间转子轴向永磁电机

图3为内嵌式轴向永磁电机，其转子是由铁心材料、周向充磁的永磁体以及外围支撑圆盘组成[5]。它的等效气隙长度较短，可以在弱磁区获得较高转矩，结构坚固，适合应用于高速场合。

图3 内嵌式轴向永磁电机

2 性能比较

在额定功率下，对轴向永磁电机与传统径向永磁电机进行包括功率密度、转矩转动惯量比、材料使用量和损耗的定量性能比较，得到图4的对比结果。

图中，●代表径向永磁电机，■代表单边轴向永磁电机，▲代表双边轴向永磁电机，×代表单边无槽永磁电机，*代表双边无槽永磁电机。

图4 不同拓扑结构轴向永磁电机与传统径向永磁电机性能对比

由图4分析，可得到以下结论：轴向永磁电机比传统径向永磁电机有较高的功率密度，但是转动惯量没有径向永磁电机大；无槽结构的永磁电机损耗大，是因为其等效气隙长，永磁体使用量多的缘故。

轴向永磁电机与传统径向永磁电机相比，其具备的优势如下：轴向永磁电机长径比小，空间紧凑、体积小；功率密度高，材料利用率高。其劣势表现为；随着功率等级升高，转轴受到机械强度和空间的限制比较严重，且转子的高速旋转对于转子的结构性能要求较高，在功率大和高速场合下作用不大，不过可以改变其结构进行改善。

3 发展方向

轴向永磁电机凭借其特点应用在电动车辆、飞轮储能、风力发电等领域中。电动车辆上的电机是核心部分，要求电机的性能比较严苛，需要具备功率密度高、扭矩大、调速范围广、重量轻、效率高等特点，而这些要求与轴向永磁电机的特点不谋而合；飞轮储能系统中，电机扮演着电能与机械能之间的能量转换的重要角色。飞轮储能系统中电机需要具备调速范围广、调速性能好、运行效率高等特点，而轴向永磁电机的特点与之十分相符，因此，加深开发轴向永磁电机用于飞轮储能中是以后的发展方向；在风力发电中，采用多盘式结构轴向永磁电机，定子端采用模块化结构和集中式绕组可以使得风力发电运行性能更良好[6]。

4 结语

本文通过对轴向永磁电机与传统径向永磁电机性能对比可以看出，轴向永磁电机的空间紧凑、体积小、功率密度高、材料利用率更高；但是在功率大和高速场合中，不宜使用，需要对其结构进行完善才可。在其未来的发展中，不仅要求电机系统具有高效、高功率密度等优点，而且还需具备带故障运行的能力。

[1] 唐任远.现代永磁电机：理论与设计[M].北京：机械工业出版社,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] 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,2009.

[6] 王凤翔.高速电机的设计特点及相关技术研究[J].沈阳工业大学学报,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；毕业于佳木斯大学(原佳木斯工学院)，现从事防爆检验工作.

2016-05-29