1.4 轴向磁场永磁电机的发展与研究现状

1.4.1 轴向磁场永磁电机的发展

轴向磁场永磁电机最早可追溯到1821年法拉第（Faraday）发明的圆盘发电机，也是世界上第一台电机。但电机在运行时定子和转子之间存在很大的轴向吸引力，同时限于当时的永磁体材料性能和定子铁心开槽技术水平等一系列问题，使得轴向磁场永磁电机在制造及应用方面都存在很大的困难，因此慢慢淡出了人们的视野。1837年，达文波特（Davenport）获得了第一项径向磁场电机（圆柱式电机）专利。因径向磁场电机的制造难度相对较低，因此即使诞生得晚些，还是得到了发展，并被广泛接受。此后的100多年间，径向磁场电机便成了主流电机。

传统的径向磁场电机是圆柱式电机，本身也存在着很大的局限性，如齿根处狭窄的瓶颈效应、散热和冷却困难，以及转子铁心利用率低等，尤其是在铁心材料的利用率方面，径向磁场电机更是远小于轴向磁场电机。随着人们对电机的性能要求越来越高，径向磁场电机的缺陷愈发凸显，人们逐渐认识到只有从几何上改变电机的结构，这些问题才能得到根本的解决。随着新型材料的出现和人们对轴向磁场电机研究的深入，轴向磁场电机的优势便显露出来，因此重新获得重视。随着科学技术的不断进步，轴向磁场电机定子和转子铁心之间存在的轴向磁拉力可以通过新的工艺和设计方案得到解决，而20世纪80年代轴向磁场电机专用铁心冲卷机的问世，更是解决了轴向磁场电机长期以来生产制造困难的问题，更进一步地促进了轴向磁场电机的多样化设计及在各个领域的推广应用。

1.4.2 轴向磁场永磁电机研究现状

国外从20世纪40年代开始研究轴向磁场电机，70年代初研制出了轴向磁场直流电机，70年代末研制出了轴向磁场交流电机。进入80年代以后，随着电力电子技术的进步及高磁能积永磁材料的不断完善，促进了轴向磁场永磁（AFPM）电机的快速发展。

1989年，澳大利亚伍伦贡大学的PLATT.D最先设计了一台4极24槽双定子结构的AFPM电机，并通过样机测试验证了设计方案。1992年，英国曼彻斯特理工大学的Spooner E和Chalmers B J等学者首次提出了一种无槽轴向磁场永磁无刷直流电机，该电机为双转子结构的，其定子采用环形绕组提高了铜线的利用率，具有较大的功率密度。2001年，埃因霍芬理工大学的Sahin F和Tuckey A M等学者设计了一台额定功率为30kW、转速高达16000r/min的双定子AFPM电机，对高转速下电机的损耗特性进行了分析研究，并对制作的样机进行了测试。2007年，英国牛津大学的Tim W和McCulloch M D两位学者首次提出了一种定子无磁轭模块化（Yokeless And Segmented Armature, YASA）电机，相较于其他拓扑结构的AFPM电机，YASA电机的定子铁心质量下降了近50%，功率密度提高了约20%，最大效率可达95%以上，转矩密度大于12Nm/kg，非常适合在电机质量和尺寸方面有着严苛要求的应用场合。

2011年，伊朗KN图什理工大学的Gholamian S A和Ardebili M等学者采用遗传算法对一台1kW的4极15槽的环式双转子AFPM电机进行了优化设计，优化目标为电机最大功率密度。2012年，马来西亚大学的Mahmoudi A和Kahourzade S等学者采用遗传算法和有限元分析相结合的方法对一台1kW的双转子AFPM电机进行了优化。文章首先通过遗传算法获得了电机在不同槽数下的最大功率密度，在此基础上首先选择了一台性能最优的电机进行设计，然后针对目标电机，通过改变绕组结构和永磁体斜极等方法，对电机的反电动势波形和齿槽转矩进行了优化，最后对样机进行了试验验证。2016年，为了在减小电机齿槽转矩的同时能够获得良好的输出性能，Arand S J等针对YASA电机提出了一种径向分割永磁体和周向偏移相结合的方法。2016年，土耳其Koc大学的Metin A和Gulec M等学者针对无定子铁心AFPM电机提出了一种正弦转子段辐条结构，其电机结构如图1.24所示。研究结果表明，在磁钢体积相同的情况下，采用这种转子结构的电机相较于传统的表贴式AFPM电机可以获得正弦性更高的反电动势波形，同时能够有效地提高电机的转矩密度。

图1.24 带正弦转子段的无定子铁心AFPM电机

相比之下，国内AFPM电机的起步较晚，直至20世纪90年代，一些高校和企业才开始研究，目前尚处于基础研发阶段，尚未得到广泛的推广应用。近年来，随着AFPM电机在功率密度和效率等方面的优势不断凸显，国内越来越多的研究人员在不同应用领域对其都进行了深入的研究与开发，对AFPM电机的发展应用也起到了一定的推动作用。

1985年，哈尔滨工业大学的学者提出了一种二维近似计算方法对盘式永磁电机的三维磁场分布进行分析计算，并通过实验证明了该方法的精确度能够满足电机设计的要求。1994年，华中理工大学学者针对AFPM无刷直流发电机提出了一种简化模型，用于分析其气隙磁场，并基于内外直径比及绕组厚度等方面讨论了这种电机的设计方法，最后通过样机实验证明了简化模型和设计方法的正确性。1997年，沈阳工业大学的唐任远教授在其著作《现代永磁电机理论与设计》中介绍了AFPM电机的不同拓扑结构及特点，并详细地列出了200W盘式永磁直流电机的电磁计算算例。1998年，上海大学学者对双定子结构的盘式永磁发电机进行了设计，并采用三维有限元法对电机的磁场进行了分析。2006年，湖南大学学者设计了一台5kW、14极的无槽盘式永磁同步风力发电机，并对其运行特性进行了分析。2012年，山东大学研究人员设计并制作了一台300W、16极15槽的双转子无铁心AFPM风力发电机，通过搭建风力发电实验平台对样机进行了风力发电实验。2015年，西安交通大学对一台510kW、16极18槽的AFPM电机进行了建模和仿真，在空载状态下通过改变电枢及磁极参数等方法对电机的齿槽转矩进行了研究，在负载状态下对不同电流激励源和内功率因数角下的电磁转矩波形进行了分析。2020年，华中科技大学对定子分别采用硅钢片、SMC和非晶合金（Amorphous Magnetic Metal, AMM）材料的三种多盘式永磁电机进行了对比研究，其示意图如图1.25所示。实验结果表明，由于气隙磁阻相对定子磁阻太大，三种电机的输出性能差别不大，但采用非晶材料的电机铁耗最少。2022年，南京航空航天大学学者针对电推进飞机的电机分别对定子无铁心、无槽和无轭AFPM电机进行了研究，并通过仿真及实验详细对比分析了三种不同结构电机的性能，结果表明无槽AFPM电机的功率密度和效率更高，更适合应用于电推进飞机。

图1.25 多盘式永磁电机结构示意图

与传统的硅钢片相比，SMC具有各向同性、涡流损耗少、矫顽力低等优点，对于复杂的零件可以采用整块原料模压成型，因此可以应用于爪极电机和轴向磁场电机等具有三维磁路结构的电机中，同时材料利用率近100%。然而，SMC也存在明显的缺点，如磁导率低、磁滞损耗大等，通常需要通过减小铁心体积和缩短铁心磁路长度来降低其对电机性能的影响。因此，为了充分发挥SMC的优势，同时克服其缺陷，近年来国内外的研究人员将目光投向了SMC和硅钢片的组合铁心电机，并对此展开了相应的研究。

2005年，有学者首次提出了一种定子铁心采用硅钢片与SMC拼接而成的AFPM电机，该AFPM电机的定子轭部由硅钢片制成，定子齿采用SMC制成，将SMC的定子齿和定子轭部拼接形成定子铁心。