1.4 軸向磁場永磁電機(jī)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀

1.4.1 軸向磁場永磁電機(jī)的發(fā)展

軸向磁場永磁電機(jī)最早可追溯到1821年法拉第（Faraday）發(fā)明的圓盤發(fā)電機(jī)，也是世界上第一臺電機(jī)。但電機(jī)在運(yùn)行時定子和轉(zhuǎn)子之間存在很大的軸向吸引力，同時限于當(dāng)時的永磁體材料性能和定子鐵心開槽技術(shù)水平等一系列問題，使得軸向磁場永磁電機(jī)在制造及應(yīng)用方面都存在很大的困難，因此慢慢淡出了人們的視野。1837年，達(dá)文波特（Davenport）獲得了第一項(xiàng)徑向磁場電機(jī)（圓柱式電機(jī)）專利。因徑向磁場電機(jī)的制造難度相對較低，因此即使誕生得晚些，還是得到了發(fā)展，并被廣泛接受。此后的100多年間，徑向磁場電機(jī)便成了主流電機(jī)。

傳統(tǒng)的徑向磁場電機(jī)是圓柱式電機(jī)，本身也存在著很大的局限性，如齒根處狹窄的瓶頸效應(yīng)、散熱和冷卻困難，以及轉(zhuǎn)子鐵心利用率低等，尤其是在鐵心材料的利用率方面，徑向磁場電機(jī)更是遠(yuǎn)小于軸向磁場電機(jī)。隨著人們對電機(jī)的性能要求越來越高，徑向磁場電機(jī)的缺陷愈發(fā)凸顯，人們逐漸認(rèn)識到只有從幾何上改變電機(jī)的結(jié)構(gòu)，這些問題才能得到根本的解決。隨著新型材料的出現(xiàn)和人們對軸向磁場電機(jī)研究的深入，軸向磁場電機(jī)的優(yōu)勢便顯露出來，因此重新獲得重視。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，軸向磁場電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子鐵心之間存在的軸向磁拉力可以通過新的工藝和設(shè)計(jì)方案得到解決，而20世紀(jì)80年代軸向磁場電機(jī)專用鐵心沖卷機(jī)的問世，更是解決了軸向磁場電機(jī)長期以來生產(chǎn)制造困難的問題，更進(jìn)一步地促進(jìn)了軸向磁場電機(jī)的多樣化設(shè)計(jì)及在各個領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。

1.4.2 軸向磁場永磁電機(jī)研究現(xiàn)狀

國外從20世紀(jì)40年代開始研究軸向磁場電機(jī)，70年代初研制出了軸向磁場直流電機(jī)，70年代末研制出了軸向磁場交流電機(jī)。進(jìn)入80年代以后，隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步及高磁能積永磁材料的不斷完善，促進(jìn)了軸向磁場永磁（AFPM）電機(jī)的快速發(fā)展。

1989年，澳大利亞伍倫貢大學(xué)的PLATT.D最先設(shè)計(jì)了一臺4極24槽雙定子結(jié)構(gòu)的AFPM電機(jī)，并通過樣機(jī)測試驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案。1992年，英國曼徹斯特理工大學(xué)的Spooner E和Chalmers B J等學(xué)者首次提出了一種無槽軸向磁場永磁無刷直流電機(jī)，該電機(jī)為雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的，其定子采用環(huán)形繞組提高了銅線的利用率，具有較大的功率密度。2001年，埃因霍芬理工大學(xué)的Sahin F和Tuckey A M等學(xué)者設(shè)計(jì)了一臺額定功率為30kW、轉(zhuǎn)速高達(dá)16000r/min的雙定子AFPM電機(jī)，對高轉(zhuǎn)速下電機(jī)的損耗特性進(jìn)行了分析研究，并對制作的樣機(jī)進(jìn)行了測試。2007年，英國牛津大學(xué)的Tim W和McCulloch M D兩位學(xué)者首次提出了一種定子無磁軛模塊化（Yokeless And Segmented Armature, YASA）電機(jī)，相較于其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的AFPM電機(jī)，YASA電機(jī)的定子鐵心質(zhì)量下降了近50%，功率密度提高了約20%，最大效率可達(dá)95%以上，轉(zhuǎn)矩密度大于12Nm/kg，非常適合在電機(jī)質(zhì)量和尺寸方面有著嚴(yán)苛要求的應(yīng)用場合。

2011年，伊朗KN圖什理工大學(xué)的Gholamian S A和Ardebili M等學(xué)者采用遺傳算法對一臺1kW的4極15槽的環(huán)式雙轉(zhuǎn)子AFPM電機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化目標(biāo)為電機(jī)最大功率密度。2012年，馬來西亞大學(xué)的Mahmoudi A和Kahourzade S等學(xué)者采用遺傳算法和有限元分析相結(jié)合的方法對一臺1kW的雙轉(zhuǎn)子AFPM電機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化。文章首先通過遺傳算法獲得了電機(jī)在不同槽數(shù)下的最大功率密度，在此基礎(chǔ)上首先選擇了一臺性能最優(yōu)的電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后針對目標(biāo)電機(jī)，通過改變繞組結(jié)構(gòu)和永磁體斜極等方法，對電機(jī)的反電動勢波形和齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了優(yōu)化，最后對樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。2016年，為了在減小電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的同時能夠獲得良好的輸出性能，Arand S J等針對YASA電機(jī)提出了一種徑向分割永磁體和周向偏移相結(jié)合的方法。2016年，土耳其Koc大學(xué)的Metin A和Gulec M等學(xué)者針對無定子鐵心AFPM電機(jī)提出了一種正弦轉(zhuǎn)子段輻條結(jié)構(gòu)，其電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1.24所示。研究結(jié)果表明，在磁鋼體積相同的情況下，采用這種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機(jī)相較于傳統(tǒng)的表貼式AFPM電機(jī)可以獲得正弦性更高的反電動勢波形，同時能夠有效地提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度。

相比之下，國內(nèi)AFPM電機(jī)的起步較晚，直至20世紀(jì)90年代，一些高校和企業(yè)才開始研究，目前尚處于基礎(chǔ)研發(fā)階段，尚未得到廣泛的推廣應(yīng)用。近年來，隨著AFPM電機(jī)在功率密度和效率等方面的優(yōu)勢不斷凸顯，國內(nèi)越來越多的研究人員在不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ζ涠歼M(jìn)行了深入的研究與開發(fā)，對AFPM電機(jī)的發(fā)展應(yīng)用也起到了一定的推動作用。

1985年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的學(xué)者提出了一種二維近似計(jì)算方法對盤式永磁電機(jī)的三維磁場分布進(jìn)行分析計(jì)算，并通過實(shí)驗(yàn)證明了該方法的精確度能夠滿足電機(jī)設(shè)計(jì)的要求。1994年，華中理工大學(xué)學(xué)者針對AFPM無刷直流發(fā)電機(jī)提出了一種簡化模型，用于分析其氣隙磁場，并基于內(nèi)外直徑比及繞組厚度等方面討論了這種電機(jī)的設(shè)計(jì)方法，最后通過樣機(jī)實(shí)驗(yàn)證明了簡化模型和設(shè)計(jì)方法的正確性。1997年，沈陽工業(yè)大學(xué)的唐任遠(yuǎn)教授在其著作《現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)》中介紹了AFPM電機(jī)的不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，并詳細(xì)地列出了200W盤式永磁直流電機(jī)的電磁計(jì)算算例。1998年，上海大學(xué)學(xué)者對雙定子結(jié)構(gòu)的盤式永磁發(fā)電機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并采用三維有限元法對電機(jī)的磁場進(jìn)行了分析。2006年，湖南大學(xué)學(xué)者設(shè)計(jì)了一臺5kW、14極的無槽盤式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，并對其運(yùn)行特性進(jìn)行了分析。2012年，山東大學(xué)研究人員設(shè)計(jì)并制作了一臺300W、16極15槽的雙轉(zhuǎn)子無鐵心AFPM風(fēng)力發(fā)電機(jī)，通過搭建風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺對樣機(jī)進(jìn)行了風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)。2015年，西安交通大學(xué)對一臺510kW、16極18槽的AFPM電機(jī)進(jìn)行了建模和仿真，在空載狀態(tài)下通過改變電樞及磁極參數(shù)等方法對電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了研究，在負(fù)載狀態(tài)下對不同電流激勵源和內(nèi)功率因數(shù)角下的電磁轉(zhuǎn)矩波形進(jìn)行了分析。2020年，華中科技大學(xué)對定子分別采用硅鋼片、SMC和非晶合金（Amorphous Magnetic Metal, AMM）材料的三種多盤式永磁電機(jī)進(jìn)行了對比研究，其示意圖如圖1.25所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，由于氣隙磁阻相對定子磁阻太大，三種電機(jī)的輸出性能差別不大，但采用非晶材料的電機(jī)鐵耗最少。2022年，南京航空航天大學(xué)學(xué)者針對電推進(jìn)飛機(jī)的電機(jī)分別對定子無鐵心、無槽和無軛AFPM電機(jī)進(jìn)行了研究，并通過仿真及實(shí)驗(yàn)詳細(xì)對比分析了三種不同結(jié)構(gòu)電機(jī)的性能，結(jié)果表明無槽AFPM電機(jī)的功率密度和效率更高，更適合應(yīng)用于電推進(jìn)飛機(jī)。

與傳統(tǒng)的硅鋼片相比，SMC具有各向同性、渦流損耗少、矯頑力低等優(yōu)點(diǎn)，對于復(fù)雜的零件可以采用整塊原料模壓成型，因此可以應(yīng)用于爪極電機(jī)和軸向磁場電機(jī)等具有三維磁路結(jié)構(gòu)的電機(jī)中，同時材料利用率近100%。然而，SMC也存在明顯的缺點(diǎn)，如磁導(dǎo)率低、磁滯損耗大等，通常需要通過減小鐵心體積和縮短鐵心磁路長度來降低其對電機(jī)性能的影響。因此，為了充分發(fā)揮SMC的優(yōu)勢，同時克服其缺陷，近年來國內(nèi)外的研究人員將目光投向了SMC和硅鋼片的組合鐵心電機(jī)，并對此展開了相應(yīng)的研究。

2005年，有學(xué)者首次提出了一種定子鐵心采用硅鋼片與SMC拼接而成的AFPM電機(jī)，該AFPM電機(jī)的定子軛部由硅鋼片制成，定子齒采用SMC制成，將SMC的定子齒和定子軛部拼接形成定子鐵心。