1.3 軸向磁場電機的特點

徑向磁場電機與軸向磁場電機在結(jié)構(gòu)上的差異導(dǎo)致了兩種電機的形狀不同，制造工藝也不一樣，電機的性能也存在差異。就形狀來說，這兩種電機通常有不同的軸向長度和內(nèi)徑的比值，被稱為長徑比。徑向磁場電機通常有較大的長徑比，電機的形狀為圓柱形，存在電機散熱困難、轉(zhuǎn)子內(nèi)部空間利用率低等技術(shù)瓶頸。對于軸向磁場電機而言，電機的長徑比較小，即外徑和軸向長度的比值要高一些，電機外形呈圓盤狀，因此被稱為盤式電機。傳統(tǒng)徑向磁場電機的磁路結(jié)構(gòu)完全可以采用二維平面結(jié)構(gòu)來描述，而軸向磁場電機必須采用三維平面結(jié)構(gòu)來描述。另外，軸向磁場電機有不同于徑向磁場電機的制造特點。例如，徑向磁場電機的定子鐵心疊片是沿軸向疊壓的，相對比較容易。而軸向磁場電機的定子鐵心疊片是沿周向疊壓的，難度比較大。

擺脫疊片鐵心困擾有兩種方法：采用實體鐵心加工或采用印制的鐵心；采用整個無鐵心或無鐵心軛的磁路結(jié)構(gòu)。上述兩種方法的可行性建立在獲得新材料的基礎(chǔ)上（對于電機領(lǐng)域來說是新的）：粉末型軟磁復(fù)合材料，可以通過加工處理或直接采用壓制或印制處理來成型；高性能永磁材料和具有良好熱性能/機械性能的塑性材料，可以減少或消除磁性材料的使用。目前，隨著軟磁復(fù)合材料性能的改進，采用軟磁復(fù)合材料（SMC）做成的鐵心代替疊片鐵心可為上述難題提供一個有效的解決辦法。

1.3.1 軸向磁場電機的優(yōu)點

由于軸向磁場電機定子、轉(zhuǎn)子具有獨特的盤形結(jié)構(gòu)，因此它的設(shè)計很靈活，結(jié)構(gòu)種類繁多。根據(jù)不同應(yīng)用場合的需要，軸向磁場電機可以設(shè)計成單氣隙或多氣隙電機，可以是單盤、雙盤或多盤結(jié)構(gòu)。電機可以有電樞槽或無電樞槽，可以有電樞鐵心或無電樞鐵心。對于有電樞鐵心的電機，可以是有軛的或無軛的。裝有永磁體的轉(zhuǎn)子盤可以放置在里面，也可以放置在外面。

由于軸向磁場電機的輸出功率與盤形鐵心端面的面積有關(guān)，而與電機軸向長度無關(guān)，鐵心長度只受軛部磁通密度最大值限制，電機結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)動慣量小，且這種電機散熱條件好，電磁負(fù)荷可選擇較高值，因此其功率體積比即功率密度，較傳統(tǒng)徑向磁場電機的功率體積比大，耗用材料少。軸向磁場電機還可以做成多定子、多轉(zhuǎn)子的多氣隙結(jié)構(gòu)，以提高輸出功率。

在特定的場合下，AF電機還有很多優(yōu)點，它可以應(yīng)用于以下場合。

（1）與傳統(tǒng)的電機相比，AF電機結(jié)構(gòu)緊湊，有較大的功率質(zhì)量比，特別是當(dāng)電機的極數(shù)足夠多（從12極到上百極），軸向長度與外徑的比率足夠小（扁平結(jié)構(gòu)）時，軸向磁場電機在功率和轉(zhuǎn)矩密度方面有明顯的優(yōu)勢，特別適合應(yīng)用于飛機、電動汽車上。

（2）有較大的長徑比，能設(shè)計成多極電機，尤其適用于低速應(yīng)用場合，如直驅(qū)電梯驅(qū)動、起重機、風(fēng)力發(fā)電機、水輪發(fā)電機等。

（3）外形扁平，適用于風(fēng)扇、泵等家用電器。

（4）采用無轉(zhuǎn)子鐵心，可適用于響應(yīng)快、慣量小的電機。

（5）平面型氣隙將定子和轉(zhuǎn)子分隔開，因此可以設(shè)計成屏蔽電機。

（6）大慣量軸向磁場電機配上簡單的功率晶體管調(diào)速器，可在低速范圍內(nèi)平衡運轉(zhuǎn)。

（7）較大的轉(zhuǎn)子直徑具有較大的轉(zhuǎn)動慣量，可以用于飛輪儲能裝置。

1.3.2 軸向磁場電機的缺點

1.3.2.1 電樞鐵心制造困難

軸向磁場電機的主要缺點和限制與電機的磁路結(jié)構(gòu)有關(guān)。首先，不難理解，由于軸向磁場電機的磁通是軸向通過氣隙的，與徑向磁場電機的磁通徑向通過氣隙不一樣，因此鐵心的制造過程與徑向磁場電機的制造過程不一樣。徑向磁場電機的定子鐵心是由沖好槽的硅鋼片沿軸向方向疊壓而成的，相對比較容易。而軸向磁場電機的定子鐵心是通過將沖好槽的硅鋼片帶料沿周向卷繞而成的，如圖1.11（a）所示。在繞制沖好槽的疊片過程中，存在預(yù)先打孔的槽難以對齊的難題。若事先將帶料卷繞好再沖槽，則又存在毛刺損壞絕緣的問題。軸向磁場電樞鐵心制造的困難將使電機的成本增加。

另外，所提出來的一些疊片結(jié)構(gòu)，如帶繞或徑向疊片結(jié)構(gòu)，在技術(shù)上不容易被制造，必須從機械的角度來仔細考慮它的設(shè)計。若采用無鐵心結(jié)構(gòu)，則需要有良好機械性能和熱性能的材料去取代鐵心部分。

1.3.2.2 存在軸向磁拉力

在軸向磁場永磁電機中，轉(zhuǎn)子為高磁能積的永磁體固定在圓盤形鐵心上。定子、轉(zhuǎn)子盤之間存在磁拉力，會使裝配過程變得很復(fù)雜，并給軸向磁場電機的運行狀態(tài)帶來不利的效果：定子盤和轉(zhuǎn)子盤的運行間隙消失，使定轉(zhuǎn)子發(fā)生觸碰；使永磁體松散或破損；減小氣流排放區(qū)域，因此惡化電機的冷卻能力；引起的非均勻氣隙使電氣性能偏離最佳值。

對于無鐵心內(nèi)定子雙邊AFPM電機來說，兩個轉(zhuǎn)子盤占整個電機的有效質(zhì)量約50%，因此轉(zhuǎn)子盤的優(yōu)化設(shè)計是實現(xiàn)高功率/質(zhì)量比電機的一個關(guān)鍵因素，需要對轉(zhuǎn)子盤進行機械應(yīng)力分析，對磁拉力的精確預(yù)測是機械應(yīng)力分析中必不可少的。兩個并列放置的轉(zhuǎn)子盤之間的磁拉力可以用下式來計算：

式中，W是儲存在電機中總的磁場能量；Δg是氣隙長度的微小變化；W₁和W₂分別是氣隙g₁和g₂中儲存的磁場能量，通常通過有限元仿真分析法FEM將它們計算出來。

兩個并列放置的永磁轉(zhuǎn)子盤之間的磁拉力用解析法計算的表達式為

式中，S_PM為永磁體的有效面積；α_i為計算極弧系數(shù)，等于平均氣隙磁通密度B_avg與最大氣隙磁通密度B_mg的比值；D_in、D_out分別為永磁體的內(nèi)徑和外徑，等于定子導(dǎo)體的內(nèi)徑和外徑；μ₀為真空磁導(dǎo)率，μ₀=0.4π×10-6H/m。

由于導(dǎo)體中的交流電流和磁場的切向分量之間相互作用會在線圈的每個邊上產(chǎn)生一個軸向磁拉力f₁和f₂，如圖1.23所示。當(dāng)定子線圈處在氣隙磁場中，定子線圈每邊受到的磁拉力會相互抵消。若AFPM電機的無定子鐵心稍微偏離了氣隙的中心，則每個邊受到的磁拉力是不一樣的，會產(chǎn)生一個不平衡的合力Δf，Δf=|f₁-f₂|作用在定子上，這個不平衡的力會引起額外的振蕩，因此給利用環(huán)氧樹脂來增強定子的機械強度帶來不利的影響。

由于軸向磁拉力的存在，因此電機的裝配過程變得比較困難，特別是在有電磁鐵心、大功率容量的電機中，要保證均勻氣隙有較大的難度。裝配過程中必須采取措施平衡轉(zhuǎn)子之間的磁拉力和定子上的不平衡磁拉力。首先，磁極必須牢固地固定在鐵心上，以抵抗運行時產(chǎn)生的切向拉力。磁極固定在鐵心上的方式有兩種：粘貼或用螺桿固定。因為磁極材料和鐵心的熱系數(shù)不相同，很明顯粘貼不是一種穩(wěn)妥的方法。用螺桿將磁極固定的方法要牢固和安全些，但會引起電機中某些量的不對稱，如使電動勢波形不對稱。

有時，人們也可以利用軸向磁拉力來實現(xiàn)某些功能。例如，在新能源電動汽車領(lǐng)域，研究人員提出了一種利用軸向磁拉力來產(chǎn)生制動力的單定子單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的軸向磁場電機。當(dāng)電機啟動時，由于軸向磁拉力的作用，制動彈簧會受到壓縮；當(dāng)電機停止運行時，彈簧會釋放出大量的能量，將轉(zhuǎn)子拉回到制動片的位置，從而實現(xiàn)制動。在新能源電動汽車領(lǐng)域，動力系統(tǒng)中可利用兩臺單定子單轉(zhuǎn)子盤式電機同軸相連，進而平衡軸向磁拉力，而這兩臺電機分別驅(qū)動兩個車輪。大型水輪發(fā)電機通常使用立式結(jié)構(gòu)，發(fā)電機整個轉(zhuǎn)動部分的質(zhì)量和作用在水輪機轉(zhuǎn)輪上的水推力均由推力軸承支撐。利用單定子單轉(zhuǎn)子AFPM電機較大的軸向力，克服轉(zhuǎn)軸上所有部件的重力，把水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)軸部分吸浮，使軸承受到的壓力減小，從而減小啟動時的阻力。

1.3.2.3 單個軸向磁場電機的功率限制

隨著AFPM電機的輸出功率增加，相比功率增加的速度，轉(zhuǎn)子和軸之間的接觸面積增加得較慢，這樣要為大功率電機設(shè)計一個機械完整性好的轉(zhuǎn)子—轉(zhuǎn)軸連接就比較困難。因此在設(shè)計大功率AF電機時要特別注意轉(zhuǎn)軸機械連接處的機械強度，這也是引起軸向磁場電機故障的一個原因。解決這個問題的方案是設(shè)計多盤電機。

由于AFPM電機的轉(zhuǎn)矩與直徑的立方成比例，而RFPM電機的轉(zhuǎn)矩與直徑的平方和長度的乘積成比例，軸向磁場電機的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢會隨著功率的增大，或者電機的長徑比率的增加而失去。轉(zhuǎn)折點發(fā)生在半徑等于徑向磁場電機長度的2倍左右。

另外，軸向磁場電機的缺點還與繞組的結(jié)構(gòu)有關(guān)，AFPM電機結(jié)構(gòu)特殊，如果電機的內(nèi)徑過小，則放置繞組的空間會變小，會擠壓繞組或放不下繞組，因此設(shè)計時要考慮電機定子盤的內(nèi)徑、外徑比值。一般情況下，軸向磁場電機槽滿率通常比徑向磁場電機的槽滿率稍小。

1.3.3 軸向磁場電機的制造特點

在軸向磁場電機的設(shè)計和制造過程中，保證定子、轉(zhuǎn)子之間的均勻氣隙是至關(guān)重要的。因此，將轉(zhuǎn)子盤固定在轉(zhuǎn)軸上，將定子盤固定在機座內(nèi)的方法很關(guān)鍵。固定方法不恰當(dāng)，定子、轉(zhuǎn)子裝配時沒有對齊，將會使電機的氣隙不均勻，引起轉(zhuǎn)矩脈動，產(chǎn)生振動和噪聲，使電機的電氣性能下降。因此在電機的機械設(shè)計中要注意以下幾個方面。

（1）在設(shè)計轉(zhuǎn)軸時，要考慮負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小、第一臨界速度和軸的動態(tài)性能。

（2）在設(shè)計轉(zhuǎn)子時，要考慮由于強大磁拉力引起的轉(zhuǎn)子盤偏移；考慮磁極的安裝方法，確保轉(zhuǎn)子盤上的永磁磁極不會因承受強大離心力而松散或脫開，特別是在高速時；考慮轉(zhuǎn)子盤受力平衡情況。

（3）在設(shè)計定子時，要考慮使用樹脂加固的定子和機座有足夠的強度和剛度；考慮線圈放置的位置和空間，確保線圈對稱，避免定子受到不平衡力的作用。

（4）軸向磁場電機必須保持轉(zhuǎn)子和定子之間的氣隙均勻，因為磁拉力遠高于徑向磁場電機。考慮到在電機制造過程中調(diào)節(jié)氣隙很困難，因此需要精確控制關(guān)鍵部件的制造公差。

（5）在設(shè)計工裝時，要考慮設(shè)計的工具有利于電機的裝配，以及維修電機時便于拆卸。

除此之外，還要考慮電機的通風(fēng)散熱條件，確保電機通風(fēng)良好。