轴向磁场盘式永磁电机结构的优化设计
轴向磁场无铁心永磁无刷直流电动机设计
轴向磁场无铁心永磁无刷直流电动机设计曹永娟;黄允凯;金龙【摘要】为了提高轴向磁场无铁心永磁无刷直流电动机设计的准确性,提出了利用电磁场有限元软件与磁路法相结合的方法设计该电机.结合轴向磁场无铁心永磁无刷直流电机的电磁结构特点,首先利用磁路法推导了该电机的尺寸设计方程,分析了电机设计中的各种损耗,并根据流程图编制了设计程序,对额定功率为40 W的小型电机提出了设计方案.利用三维有限元分析软件对设计方案中的关键参数(永磁体厚度、极对数与极弧系数)进行了仿真与分析.结果表明:当永磁体厚度为6mm,永磁体极对数为4时,电机气隙磁密相对最大且磁密增长率较快；当极弧系数为0.7时,感应电动势基波幅值最大.最后设计了样机,利用三维有限元分析方法验证了样机设计的有效性.%In order to improve the design exactness, the design of an axial-flux coreless permanent magnet brushless dc motor based on both finite-element analysis (FEA) and the magnetic circuit method is presented. Considering the characteristics of the axial-flux coreless permanent magnet brushless dc motor, the basic dimension design equations are derived based on the magnetic circuit method. The losses of the motor are analyzed. Based on the design flowchart, a computer-aided design (CAD) procedure for the motor is presented. The motor of rating 40 W is designed using the developed program. Three-dimensional FEA is carried out to optimize the key design parameters, including the height, the pole number and the pole arc coefficient of permanent magnets (PMs). The results indicate that when the height of PMs is 6 mm and the pole number is 4, the air gap flux density is relatively large and has a rapid growth.When the pole arc coefficient of PMs is 0. 7, the induced fundamental voltage is the highest. Finally, a sample motor is designed and FEA is used to validate the effectiveness of the proposed design.【期刊名称】《东南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(043)002【总页数】5页(P317-321)【关键词】轴向磁场;无铁心永磁电机;设计程序;磁路法;三维有限元分析【作者】曹永娟;黄允凯;金龙【作者单位】东南大学电气工程学院,南京210096【正文语种】中文【中图分类】TM351永磁无刷直流电动机越来越广泛地应用在家用电器及工业生产中．在各种类型的永磁无刷直流电动机中,轴向磁场无刷直流电动机(又称盘式电机)因具有轴向尺寸短、质量轻、体积小、结构紧凑等特点,已经成为研究热点．尤其在轴向尺寸有限的应用场合,例如空调外机、汽车散热器的风扇、电动车辆等,具有明显优越性[1-3]．常规电机中,定、转子铁心采用硅钢片叠压而成,质量大、损耗大、振动噪声大、效率低、转动惯量大、响应速度慢,并且由于齿槽效应,使得电磁转矩产生脉动．针对这些不利因素,如果能利用钕铁硼永磁材料高矫顽力的优异特性,不用或少用硅钢片,制成无铁心电机,不仅电机质量可大幅下降,同时又能提高效率,降低振动噪声[4-6]．结合轴向磁场永磁电机和无铁心电机的优点,本文研究轴向磁场无铁心永磁无刷直流电机的设计及仿真．根据该种电机的结构特点及内部电磁关系,采用磁路法开发了该种电机的设计软件．对于设计方案中的关键参数,利用三维有限元分析方法仿真分析电机内部电磁场,得到最优设计参数．1 轴向磁场无铁心永磁无刷直流电动机的电磁设计1.1 结构特点轴向磁场永磁电机由于其盘式特征,可以拓扑出很多结构形式．为了克服单边磁拉力,减少漏磁,本文研究的是一种双转子单定子结构电机,如图1所示．电机结构对称,在两侧的转子盘内侧直接粘贴永磁体,永磁体轴向充磁,N，S磁极相对放置．此结构的磁通不需要利用中间定子铁心来形成闭合磁路,因此定子铁心厚度可以非常小．图1 轴向磁场无铁心永磁电机示意图1.2 主要尺寸方程与传统径向磁场永磁电机设计方法不同,轴向磁场无铁心永磁电机电磁转矩、电磁功率与电机内、外径密切相关．基于感应电动势及电磁功率等的计算表达式[2],盘式无铁心永磁无刷直流电动机的主要尺寸与功率之间的关系如下:(1)式中,Am为平均半径处电动机的线负荷;Bmg为磁密最大值;n为电机转速;kw1为绕组系数．Am==(2)式中，kd=Din/Dout为内外径比，Dout为外径，Din为内径；N1为每相串联匝数；m1为相数；Ia为相电流有效值；r为平均半径.盘式永磁无刷直流电动机方程中,内外径比kd是盘式电机初始设计时最重要的几何尺寸比,当外径和平均线负荷一定时,对式(1)功率求极值,可得kd==(3)此时,电动机输出最大电磁功率．实际设计时,内外径比的选择还要综合考虑用铜量、效率、漏磁等因素,对于小型机一般取0.6～0.7之间．本设计中该值取为0.67．电机所用永磁材料体积为Vm=hmαp(4)式中,hm为永磁体轴向磁化方向厚度;αp为极弧系数．为了减少无铁心定子绕组端部漏磁,设计时无铁心定子绕组的外径尺寸比永磁体尺寸略小．由于所设计电机采用无铁心定子结构,因此电机的实际有效气隙长度lg较大,为lg=lcoil+2g(5)式中,lcoil为无铁心定子绕组厚度;g为定子绕组和转子盘体之间的气隙长度．为避免电机运行过程中定子绕组盘和转子盘之间的物理接触,对于小型电机气隙长度g应在0.5～0.8 mm之间[3]．本设计中该值取0.7 mm．考虑到电机安装空间尺寸限制,所设计样机主要参数见表1．表1 样机主要参数1.3 电机主要损耗分析在性能分析中,损耗的正确计算关系到电机效率的优化,对于无铁心盘式永磁电机,铁心损耗可忽略不计,电机损耗主要包括以下3种损耗[7]．1.3.1 定子绕组的电阻损耗在电流流过定子绕组,会在定子绕组上产生电阻损耗,其计算公式如下:(6)式中,Rs为定子电阻．1.3.2 定子绕组的涡流损耗由于磁场旋转切割无铁心定子绕组,会引起绕组所交链的磁场呈周期性变化,从而在绕组表面产生集肤效应,形成涡流．涡流损耗的大小取决于导线的几何尺寸以及磁通密度的波形[7],为减小集肤效应及涡流损耗,通常选用利兹线绕制定子绕组,但利兹线比实心导线价格更贵,槽满率更低．定子绕组的涡流损耗可根据下式计算:ΔPeddy=Vcu(7)式中,f为频率；Bg为气隙磁通密度;Dstrand为每股导线的直径;ρcu为铜线的电阻率;Vcu为铜线的体积．1.3.3 风摩损耗电机在旋转过程中,克服风的阻力和机械摩擦阻力所需要消耗的能量称为风摩损耗．风摩损耗的大小主要取决于气隙长度以及电机外径[7],即ΔPmec=(8)式中,μ为空气粘滞系数;ρ为空气密度;p为极对数．2 轴向磁场无铁心永磁无刷直流电机永磁体主要参数分析对于无铁心轴向磁场永磁电机,永磁体是影响电机性能的最重要构成部分[8]．同时,为提高电机转矩密度,永磁体多采用钕铁硼或钐钴等高磁能积材料,电机成本很大程度上取决于永磁材料用量．因此,在相同性能条件下,减少永磁材料用量对于降低电机成本相当重要[9]．本文利用三维有限元分析方法对磁极厚度、永磁体极数与极弧系数进行优化设计,尽可能提高永磁材料的利用率．2.1 磁极厚度对电机性能的影响磁极的内外径确定后,关键的问题是如何选择磁极厚度hm．在无铁心永磁电机中,电机的磁动势与磁极厚度密切相关．磁极厚度小,则电机磁动势小,气隙磁密较低;磁极厚度大,则电机气隙磁密增大,但是电机制造成本提高．因此磁极厚度hm存在一个最优值．保持极对数p=8、极弧系数αp=0.8,磁极厚度hm在2～8 mm之间变化,利用有限元分析软件Ansoft Maxwell 3D对拟设计电机的模型进行电磁场仿真分析,得到的磁极厚度与气隙磁密之间的关系如图2所示．图2 气隙磁密与磁极厚度的关系由图2可见,在其他参数一定的情况下,磁极厚度对磁密影响较大．当磁极厚度小于3 mm时,气隙磁密较小;随着磁极厚度的增加,气隙磁密逐渐增大;当厚度增加到一定程度时,将导致电机磁路饱和,所以在厚度大于6 mm后,气隙磁密的变化率减小．因此,本设计选取磁极厚度为6 mm．2.2 极数对电机性能的影响极数对电机性能影响很大,在电机尺寸一定的情况下,采用较多的极数可使极距减小,磁负荷减小,因此输出转矩变小,同时也能够使电枢绕组电感减小,有利于无刷直流电动机驱动电路中电子器件的换向．采用较少的极数可使极距增加,漏磁减少;但对于一定的电枢导体数,极数少的电动机端接部分较长,导致用铜量增加,从而电枢绕组铜耗增加,效率降低[10]．因此应综合考虑各种因素来选择电机的极数,设计中磁极数一般选为8～16极,这里将比较8极、12极和16极各极数下的电机性能．为了确定设计方案中电机的极数,保持其他参数不变,仅改变电机极数,分别建立8极、12极和16极电机模型,利用有限元分析软件对拟设计电机的模型进行电磁场仿真分析．图3为8极、12极和16极轴向磁场无铁心永磁无刷直流电动机的气隙磁密分布图．从图中可看出,12极电机的气隙磁密最大,达到0.7 T;而8极电机的气隙磁密最小,约为0.65 T．由于永磁体极弧系数没有改变,在不同极数下永磁体用量均相同,气隙磁密高,电机工作性能好,所以此设计方案确定电机极数为12极．图3 不同极数下轴向磁场无铁心永磁无刷直流电机气隙磁密分布图2.3 极弧系数对电机性能的影响当电机永磁体极数确定的情况下,不同的极弧系数对磁密的幅值几乎没有影响,但是对感应电动势的波形有较大影响,正确选择极弧系数可以改进电动势波形,提高电动势的基波幅值．当极弧系数在0.6～0.8范围内变化时,利用瞬态电磁场有限元分析来计算反电动势,并根据计算结果对其进行谐波分析,得到如图4所示的基波和谐波分布图．从图4中可看出,当极弧系数为0.7时,电动势的基波幅值达到最大．图4 不同极弧系数下反电动势谐波分析3 电磁设计软件的开发在分析盘式无铁心无刷直流电动机设计特点的基础上,编制了此类电机的电磁设计程序,该程序具体步骤如下:① 输入电动机的功率、电压、相数、极数、永磁体材料等参数.② 预设初始气隙磁密、电负荷、绕组因数、效率等.③ 计算主要尺寸.④ 根据解析式(9)计算磁密.⑤ 若通过式(9)计算出的磁密与预设磁密值相差较大,转步骤②,改变预设磁密值,一直到误差控制在1%以内.⑥ 计算损耗、效率.⑦ 判断效率与预设效率是否满足误差在1%范围内,若不满足,则转步骤②,改变初始效率,直到满足为止;否则,设计程序结束,并输出设计方案．Bmg=(9)式中,Br为永磁体剩磁密度;μr为永磁体相对磁导率;wm为永磁体平均宽度;rav为永磁体所在位置处平均半径．利用该程序,结合电磁场有限元分析优化,本文设计了一台额定功率40 W、额定转速750 r/min的样机．除表1中已给出的样机主要参数外,其他参数具体取值见表2．表2 盘式无铁心永磁无刷直流电动机设计方案4 仿真验证为了检验上述设计的正确性和合理性,本文利用三维有限元仿真软件对设计电机进行仿真验证,磁通密度分布图和感应电动势波形图分别如图5和图6所示．此外,根据设计方案制作了样机(见图7),对样机效率进行测试,最终样机的额定工作效率为84%,满足设计要求．图5 轴向磁场无铁心永磁无刷直流电动机磁通密度分布图图6 三相感应电动势波形图图7 制作的样机5 结语本文通过计算机辅助设计软件,设计电机主要尺寸及计算样机磁密、效率等性能参数．在对电机永磁体关键参数设计过程中,采用有限元软件Ansoft Maxwell 3D对拟设计样机进行仿真分析,分别得到磁极厚度和磁密关系图、不同极数下电机气隙磁密分布图及不同极弧系数情况下感应电动式基波和谐波分布图．根据分析结果,确定最佳永磁体厚度、永磁体极数和极弧系数,实现了利用电磁场有限元软件与磁路设计相结合的方法设计轴向磁场无铁心永磁无刷直流电动机．参考文献 (References)[1]Nair S S, Nalakath S, Dhinagar S J. 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PCB盘式永磁同步电机螺旋形绕组优化
在理论分析中，本次演示以PCB绕组为基础，建立了盘式PMSM的三维温度场 模型。考虑到电机内部的热源分布、散热系数、材料热导率等因素，采用有限元 方法对电机内部的温度场进行了详细分析。此外，本次演示还比较了自然冷却、 强制风冷和液冷三种不同冷却方式的散热效果，为后续实验设计和结果分析提供 了理论基础。
2、优化绕组形式：在保证电机性能的前提下，可以考虑简化绕组形式的制 作工艺，降低生产成本。
3、选用更优质的绝缘材料：选用耐高温、耐腐蚀、低成本的绝缘材料，可 以在保证电机安全稳定运行的同时，降低生产成本。
3、选用更优质的绝缘材料：选 用耐高温、耐腐蚀、低成本的绝 缘材料
1、实验环境：实验环境应尽可能接近实际运行环境，以避免实验结果受到 外界因素的干扰。
2、实验设计：根据文献调研结果，设计多种不同的螺旋形绕组排列方案， 并准备实验样品。
3、数据分析：通过实验测试，对比不同方案下的电机性能指标，分析原因 并得出结论。
1、螺旋形绕组的排列方式对电 机的功率密度和效率具有显著影 响
2、绕组的匝数和线径对电流和 磁场分布有重要影响
结论与影响：
本研究表明，通过优化PCB盘式永磁同步电机螺旋形绕组排列方式、匝数和 线径等参数，可以显著提高电机的功率密度和效率。这一发现对PCB盘式永磁同 步电机的应用前景具有积极影响，并为未来研究提供了新的研究方向。
2、实验设备：实验设备应具备高精度和高稳定性，以确保实验数据的准确 性和可靠性。
3、实验操作：实验操作应规范严谨，避免因操作失误导致实验结果失真。
4、数据处理：应对实验数据进行详细分析，提取关键参数并进行对比，以 便评估设计的实际效果。
参考内容二
基本内容
随着电力电子技术的不断发展，永磁同步电机（PMSM）已成为一种重要的驱 动系统，被广泛应用于工业、汽车、航空等领域。盘式永磁同步电机（Disk PMSM）作为其中一种常见的结构形式，具有较高的功率密度和转矩输出，因此备 受。然而，随着其功率和转速的不断提高，电机内部的温度场分布和冷却方式成 为了制约其性能和可靠性的关键因素。
PCB定子盘式永磁同步电机的优化设计
摘要PCB (Print Circuit Board，印制电路板)定子盘式永磁同步电机是盘式无铁心电机的一种，有诸如制作简单，效率高，电机功率密度高等优点，定子无铁心实现了电机轻量化的目标，也使得电机转矩波动变小，运行平稳。
无铁心盘式电机的电枢绕组多采用树脂浇注，线圈的安装、固定等难度较大，加工精度难以满足要求，有时绕组还可能出现轴向移动。
定子采用PCB技术的盘式无铁芯电机较好的解决了这些问题，该种电机转矩脉动小，噪声小，使得电枢绕组的生产制造大大简化，加工精度高，适合批量生产。
本文对PCB定子盘式电机的转子和定子进行了深入研究和分析，首先分析了电机结构和转子的特点以及电机的磁路特点，建立了定子和转子的三维有限元求解模型，并对常见绕组的结构形式和特点进行了对比分析。
通过解析模型对电机定转子关键参数进行了分析设计，研究了电机主磁路特点和永磁体的空载工作点，之后对转子磁极的内外径和磁化长度进行了分析设计并选择了电机的极数与极弧系数。
其次，对电机定子绕组进行了优化设计。
定子线宽对电机性能有着重要影响，该种电机由于没有齿槽，定子绕组直接面向气隙磁场，会在绕组中产生涡流损耗。
本文综合定子绕组涡流损耗，定子电流，铜耗以及目前印制电路板的工艺能力等因素优化设计了PCB定子线宽，不仅减小了绕组涡流损耗，也同时能够满足导通大电流的要求，而且定子铜耗也较小。
在优化了线宽之后又对定子绕组端部进行了分析设计，设计了一种应用于PCB定子电机的改进型绕组，并与传统的PCB 定子绕组进行了对比分析。
从空载反电动势、输出功率、效率以及绕组损耗等方面分析了新式PCB绕组的特性和优点。
最后，针对电机的空载和负载情况进行了仿真分析，仿真结果与理论分析的结果具有一致性。
此外，本文基于设计与优化的结果制作了样机，以验证仿真分析的正确性，通过电机的空载实验与负载实验可以得到电机实验测试结果和仿真结果比较吻合，说明本文对PCB定子盘式电机的优化设计以及建立的三维有限元分析模型是合理可信的，本文所进行的探究也会对以后的研究者有一定的参考。
轴向磁通盘式电机详细解析
轴向磁通盘式电机详细解析
轴向磁通盘式电机是一种特殊类型的电机，它具有独特的结构
和工作原理。
首先，让我们从结构上来详细解析这种电机。
轴向磁通盘式电机通常由定子和转子组成。
定子是由铁芯和线
圈组成的，线圈通常绕制在铁芯上。
转子通常由磁铁和转子轴组成。
磁铁通常被固定在转子轴上，并且与定子的磁场相互作用，从而产
生转矩。
在工作原理方面，轴向磁通盘式电机利用电磁感应原理和磁场
相互作用来实现电能转换为机械能。
当电流通过定子线圈时，会产
生一个磁场，这个磁场会与转子上的磁铁相互作用，从而产生转矩，驱动转子转动。
这种电机通常采用换向器来改变电流的方向，从而
实现转子的持续旋转。
除了结构和工作原理，我们还可以从性能、应用和优缺点等方
面来全面解析轴向磁通盘式电机。
在性能方面，轴向磁通盘式电机通常具有高转矩密度、高效率
和良好的动态响应特性。
它们在低速和高扭矩应用中表现出色，适
用于需要精确控制和高可靠性的场合。
在应用方面，轴向磁通盘式电机广泛应用于自动化设备、机器人、电动汽车、航空航天等领域。
由于其结构紧凑、功率密度高的
特点，它们在空间有限的场合中得到广泛应用。
在优缺点方面，轴向磁通盘式电机的优点包括高效率、高扭矩
密度、结构紧凑等；而缺点则包括制造成本较高、需要复杂的控制
系统等。
综上所述，轴向磁通盘式电机是一种结构独特、性能优越的电机，具有广泛的应用前景和发展潜力。
通过全面解析其结构、工作
原理、性能、应用和优缺点，我们可以更好地理解和应用这种电机。
电动汽车用永磁同步电机的设计及优化
电动汽车用永磁同步电机的设计及优化随着环保意识的不断提高，越来越多的人开始关注电动汽车。
而电动汽车的核心部件就是电动机，其中永磁同步电机因其高效率、高性能和高可靠性而备受青睐。
本文将从理论层面对永磁同步电机的设计及优化进行探讨。
我们需要了解永磁同步电机的基本原理。
永磁同步电机是一种采用永磁体作为转子磁场源的同步电机。
它通过控制定子绕组中的电流，使转子产生旋转磁场，从而实现电能向机械能的转换。
与传统的异步电机相比，永磁同步电机具有更高的效率、更低的转速波动和更好的启动性能。
要设计出一款优秀的永磁同步电机并非易事。
在实际应用中，我们需要考虑多种因素，如电机的功率密度、温升、噪音等。
为了满足这些要求，我们需要对永磁同步电机进行优化设计。
具体来说，我们可以从以下几个方面入手：一、选择合适的永磁材料永磁材料的性能直接影响到电机的性能。
目前市场上主要有两种类型的永磁材料：NdFeB和SmCo。
其中，NdFeB具有较高的能积和较高的工作温度，适用于大功率、高转速的应用；而SmCo则具有较低的能积和较低的工作温度，适用于小功率、低转速的应用。
因此，在设计永磁同步电机时，需要根据具体的应用需求选择合适的永磁材料。
二、优化定子结构定子是永磁同步电机的重要组成部分，其结构对电机的性能有着重要影响。
一般来说，定子结构包括定子绕组、定子铁芯和定子端盖等部分。
为了提高电机的效率和降低温升，我们可以采用以下几种方法优化定子结构：1. 采用高效绕组材料和工艺：例如采用铜材代替铝材以减少电阻损耗；采用真空浸渍法或热压法形成绝缘层以提高绕组的绝缘强度；采用多层绕组结构以增加导体截面积以降低电阻损耗。
2. 优化定子铁芯结构：例如采用空心式定子铁芯以减少重量；采用特殊的几何形状以提高磁场分布均匀性；采用特殊的冷却方式以降低温升。
3. 优化定子端盖结构：例如采用高强度材料以增加刚度；采用特殊的密封结构以防止进水和灰尘；采用特殊的散热结构以降低温升。
基于maxwell的轴向磁通永磁同步电机电磁设计
基于maxwell的轴向磁通永磁同步电机电磁设计Maxwell方程组是电磁学中的基本方程组，它描述了电磁场的本质和规律。
在电机设计中，Maxwell方程组也是不可或缺的工具。
本文将基于Maxwell方程组，探讨轴向磁通永磁同步电机的电磁设计。
轴向磁通永磁同步电机是一种新型的永磁同步电机，它的磁通方向与轴向一致。
相比于传统的永磁同步电机，轴向磁通永磁同步电机具有更高的功率密度和效率。
在电磁设计中，需要考虑电机的磁路和电路两个方面。
首先，考虑电机的磁路设计。
轴向磁通永磁同步电机的磁路由永磁体、定子铁心和转子铁心组成。
在设计磁路时，需要满足以下几个条件：1. 磁路应具有足够的磁导率，以保证磁通的传递和集中。
2. 磁路应具有足够的截面积，以承受电机的磁场和机械载荷。
3. 磁路应具有足够的稳定性，以避免磁通的泄漏和损失。
在满足以上条件的基础上，可以采用有限元分析等方法进行磁路设计。
有限元分析可以模拟电机的磁场分布和磁通密度，从而优化磁路结构和材料选择。
其次，考虑电机的电路设计。
轴向磁通永磁同步电机的电路由定子绕组、转子绕组和电源组成。
在设计电路时，需要满足以下几个条件：1. 定子绕组和转子绕组应具有足够的导体截面积和匝数，以承受电流和磁场的作用。
2. 定子绕组和转子绕组应具有足够的绝缘强度，以避免电气击穿和绝缘老化。
3. 电源应具有足够的电压和电流输出，以满足电机的工作要求。
在满足以上条件的基础上，可以采用电磁场分析等方法进行电路设计。
电磁场分析可以模拟电机的电流分布和电磁场分布，从而优化绕组结构和电源选择。
总之，轴向磁通永磁同步电机的电磁设计需要综合考虑磁路和电路两个方面。
在设计过程中，可以采用有限元分析和电磁场分析等方法，优化磁路结构、材料选择、绕组结构和电源选择，以实现电机的高效、高功率密度和高性能。
轴向磁场盘式永磁电机等效磁路网络及气隙漏磁的分析计算
算 的正确性 。
关键 词 ：轴 向磁 场 永磁 电机 ； 漏磁 系数； 等 效磁路 网络 ； 三 维 有限 元
ａ ｎａ ｌ ｙ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｆ ｏ ｍ ｕｌ ｒ ａ ｏｆ ｔ ｈｅ ｌ ｅ ｋａ ａ ｇ ｅ ｃ ｏ ｅ ｉｃ ｆ ｉ ｅ ｎｔ ｏ ｆ ａ ｘ ｉ ａ ｌ ｆ ｌ ｕｘ ｐ ｅ ｒ ｍａ ｎｅ ｎ ｔ ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｍｏ ｔ ｏ ｒ ｗａ ｓ ｇ ｉ ｖ ｅ ｎ ｗｈｉ ｃ ｈ ｉ ｓ ｖ ｅ ｒ ｉ ｉ ｆ ｅ ｄ ｂ ｙ ３ Ｄ— ＦＥＭ ａ ｎｄ ｔ ｈｅ ｐ ｒ ｏ ｔ ｏ ｔ ｙ ｐｅ ｅ ｘｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ．
中图分类号 ：Ｔ Ｍ ３ ５ １ 文献标志码 ：Ａ 文章编号 ：１ ０ ０ ７ － ４ ４ ９ Ｘ （ ２ ０ １ ３ ） １ ０ － ０ ０ ５ ９ － － ０ ６
Ｌｕｍ ｐｅ ｄ ｐａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｍａ ｇ ｎｅ ｔ ｉ ｃ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ａ ｘ ｉ ａ ｌ ｌｕ ｆ ｘ ｐｅ ｒ ｍａ ｎ ｅ ｎ ｔ
（ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ， Ｓ ｈ ａ ｎ ｄ ｏ ｎ ｇ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｊ ｉ ｎ ａ ｎ ２ ５ ０ ０ ６ １ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ） Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔ ｏ ａ ｖ ｏ ｉ ｄ ｔ ｈ ｅ ｈ ｕ ｇ ｅ ｔ ｉ ｍｅ ｃ ｏ ｎ ｓ ｕ ｍｐ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｉ ｔ ｉ ａ ｌ ａ ｎ ｄ ｏ ｐ ｔ ｉ ｍｕ ｍ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ ａ ｘ ｉ ａ ｌ ｌ ｆ ｕ ｘ ｐ ｅ ｒ ｍａ ｎ ｅ ｎ ｔ ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｍｏ ｔ ｏ ｒ ｗｈ ｅ ｒ ｅ ３ Ｄ— Ｆ Ｅ Ｍ ｗａ ｓ ｕ ｓ ｅ ｄ ｔ ｏ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｔ ｈ ｅ ｌ ｆ ｕ ｘ ｌ ｅ ａ ｋ ａ ｇ ｅ ｃ ｏ ｅ ｆ ｉ ｆ ｃ ｉ ｅ ｎ ｔ ，ｂ ｙ ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ａ ｃ ｃ ｕ ｒ ａ ｔ ｅ ｌ ｕ ｍｐ ｅ ｄ ｐ ａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｎｄ ａ ｃ ｏ ｍｐ ｕ ｔ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｉ ｖ ｅ ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ｒ ｅ ｌ ｕ ｃ ｔ ｎｃ ａ ｅ ｓ ， ｈｅ ｔ
轴向磁通永磁同步电机转矩解析模型和转矩优化
轴向磁通永磁同步电机转矩解析模型和转矩优化左曙光;吴双龙;吴旭东;沈健;林福【摘要】轴向磁通永磁同步电机的电磁场呈三维分布,其转矩的精确建模和优化通常需要采用三维有限元方法,但这非常耗时.提出一种转矩解析计算模型,并基于该模型对轴向磁通永磁同步电机的转矩展开优化.首先,通过磁通密度比磁导法建立了轴向磁通永磁同步电机气隙磁场解析模型.然后基于麦克斯韦张量理论推导得到电磁转矩和齿槽转矩的解析模型,并通过有限元法验证了该模型的准确性.该模型不仅指出了产生电磁转矩和齿槽转矩的判据,还明晰了转矩波动各阶成分与气隙磁通密度谐波之间的关系.最后利用该解析模型,采用径向变极弧系数法对一台单定子单转子轴向磁通永磁同步电机的转矩展开优化,结果表明径向变极弧系数法可有效削弱轴向磁通永磁同步电机的齿槽转矩和电磁转矩波动,而基于解析模型的优化则具有非常高的效率.%Axial flux permanent magnet synchronousmotors(AFPMSM)have an intrinsic 3-D electromagnetic structure.Its accurate modeling and optimization of torque usually require the use of 3-D finite element analysis(FEA),which is highly time consuming.This paper presents a new torque analytical model and then it was used to optimize the torque of an AFPMSM.Firstly,the analytical model of magnetic field was established by using magnetic potential and relativepermeance.Then,electromagnetic torque and cogging torque analytical models were derived based on Maxwell-tensor method.Finally,3-D FEA was presented for verifying the accuracy of the proposed model.The analytical model indicates the criterion to produce electromagnetic torque and cogging torque.It also clears the relationship between the ordercomponents of torque and the harmonic field.Based on the analytical model,the torque of a virtual AFPMSM with one stator and one rotor was optimized by triangular skew method.The result shows that the triangular skew method can greatly decrease the cogging torque and electromagnetic torque ripple,and the analytical method is really high efficient.【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2016(031)023【总页数】8页(P46-53)【关键词】轴向磁通永磁同步电机;转矩;解析模型;转矩优化【作者】左曙光;吴双龙;吴旭东;沈健;林福【作者单位】同济大学新能源汽车工程中心上海 201804;同济大学新能源汽车工程中心上海 201804;同济大学新能源汽车工程中心上海 201804;同济大学新能源汽车工程中心上海 201804;同济大学新能源汽车工程中心上海 201804【正文语种】中文【中图分类】TM341;TM351相较于传统的径向磁通电机，轴向磁通永磁同步电机具有更大的转矩和功率密度、更高的效率以及更适合狭小空间安装的小长径比结构，从而在分布式驱动电动车和风力发电机等领域得到了广泛运用[1，2]。
工业机器人用盘式永磁电机设计与优化
工业机器人用盘式永磁电机设计与优化
李晨
【期刊名称】《机械制造与自动化》
【年(卷),期】2024(53)1
【摘要】为提升工业机器人所用电机的带负载能力,提出一种内置式盘式永磁电机。
建立内置式盘式永磁电机的三维有限元模型和盘式永磁电机转矩计算公式;通过对
内置式盘式永磁电机的电磁性能进行仿真分析,验证了模型的正确性;对电机的输出
转矩进行优化仿真,结果表明:相较于之前的表贴式永磁电机输出转矩得到了22.5%的提升。
【总页数】5页(P224-227)
【作者】李晨
【作者单位】大连交通大学机械工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TH164;TP242.2
【相关文献】
1.基于Halbach阵列盘式无铁心永磁同步电机优化设计——楔形气隙结构电机
2.
新型盘式横向磁通永磁无刷电机的结构原理及设计优化3.基于永磁体轮廓设计的
盘式永磁电机转矩优化4.基于PCB的盘式无铁芯永磁电机的优化设计及矢量控制
策略5.多层绕组盘式横向磁通永磁电机的设计优化
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轴向磁轴承的结构设计与性能优化
轴向磁轴承的结构设计与性能优化引言轴向磁轴承是现代工程中常用的一种无接触式磁悬浮轴承，其通过利用磁场来支撑和定位转子，避免了机械摩擦和磨损问题，具有高转速、高可靠性和长寿命等优点。
本文将探讨轴向磁轴承的结构设计与性能优化的相关问题。
1. 轴向磁轴承的结构设计1.1 磁场生成与控制轴向磁轴承的核心是磁场的生成和控制。
通常使用的轴向磁轴承结构由定子和转子构成。
定子上设置有电磁线圈，通过通电产生磁场，从而吸引或排斥转子。
为了实现精确的控制，通常采用PID控制算法，利用传感器监测转子位置，并通过反馈控制来调整电磁线圈的电流，从而维持磁悬浮状态。
1.2 磁力传递与支撑轴向磁轴承通过磁力传递来支撑转子。
磁力的大小与转子位置及定子电流有关。
为了提高轴向磁轴承的承载能力和稳定性，需设计合理的磁力传递结构。
常用的结构有磁力簧和永磁体。
而磁力的传递主要通过磁场的引导来实现，需设计合理的磁场形状和电磁线圈布局。
1.3 磁悬浮轴承与基座设计磁悬浮轴承的设计不仅包括定子和转子，还需要考虑基座的设计。
基座起到支撑磁轴承和转子的作用。
合理的基座设计能够提高轴向磁轴承的稳定性和安全性。
在设计中需考虑基座的材料选择、刚度和精度等要素。
2. 轴向磁轴承的性能优化2.1 承载能力优化轴向磁轴承的承载能力与磁力的大小相关。
为了提高承载能力，可采用增加电磁线圈的匝数、提高电流密度、优化磁力传递结构等方法。
此外，还可以通过增加永磁体的数量和磁力矩等手段来提高承载能力。
2.2 稳定性优化轴向磁轴承的稳定性与转子位置的准确度和响应速度有关。
在设计中需考虑传感器的精度和响应时间，保证对转子位置的准确测量和快速反馈控制。
此外，还需考虑磁场的稳定性和控制算法的优化，以提高系统的稳定性。
2.3 动态性能优化轴向磁轴承的动态性能表现为转子的旋转速度和响应时间。
为了提高动态性能，可采用提高电磁线圈的响应时间、优化传感器的采样频率和控制算法的速度等方法。
此外，还可以采用基座结构的优化和减小转子惯性矩等方式提高动态性能。
轴向磁场盘式永磁无铁芯发电机在柴油电站上的应用
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轴向磁场盘式永磁无铁 芯发 电机 作为 柴油电站的核 心部件，它 与柴油发 动机输 出端连接组成 电站的发电系统， 通过发动机 的驱动 ， 使它进行机械能与电能的高效转换，为用电设备提供所需电能。 需要指 出的是 ，轴 向磁场盘 式永 磁发电机采用轴向磁场结构设 计，有效地提高 了磁能利用率 ；采用两个磁 轭组 成的双转 子、双气 隙结构 ，不仅可 以有效克服单转子结构造 成轴向不对称的单边 磁拉 力 ，而且还可 以降低漏磁 。同时，气 隙磁密 比单边磁体结构约高出 １ ｏ ％ 左右 ， 极面 下的磁密分布 也更加均匀 ， 可 以更充分的利用永磁材 料，这更有利于提高发 电机性能、降低成本和缩小体积。 发 电机主要技术参数 ，见表 ｉ 。
（ ｎ Ｉ ｍ）
稳态 电压调 整率 （ ％ ） 稳态 频 率调整 率 （ ％） 电压波 动率 （ ％ ） 频 率波 动率 （ ％ ） 瞬 态 电压调 整率 （ ％ ） 瞬 态频 率调 整率 （ ％ ） 电压稳 定时 间 （ ｓ ） 频 率稳 定时 间 （ ｓ ） 持 续功 率 （ ｋ Ｗ ） 重量 （ ｋ ｇ ） 外 形尺 寸 ： 长 ×宽 × 高 （ Ｉ Ｉ ｌ ｌ Ｉ １ ） 功率 （ ｋ Ｗ ） 重量 （ ｋ ｇ ） 外 形尺 寸 ： 直径 ｘ长 度 （ １ Ｉ ｌ ｌ Ｉ １ ）
效益和社会效益。
磁 轭
外壳
【 关键词 】 轴 向磁 场；盘式 ；永磁 ；无铁芯 ；发 电机 ；柴油电
站 ； 应 用
引 言
图１ 盘式永磁无铁 芯发 电机结构示意 图
随着 国民经济的快速发展 ，电力供应 供需矛盾 日益 突出，用 电 高峰拉 闸限 电的情况时有发生 ，柴 油电站作为应急 电源是许 多重要 设施不 可或缺的装置 。另一方面 ，能源 危机和环境保护又提 出了更 为严峻 的问题一 一节能减排 ，同时 ，用 电设备对 电源 品质 的要求也 越 来越 高，而 电力 电子技术和永磁 电机 技术的快速发展为提供 高品 质 、高效率、轻型化 的柴油 电站提 供了强有力的技术支撑 。轴 向磁 场 盘式 永磁无铁芯发 电机适应 能源 危机 和节能环保的需要 ，与 小功 率发动机等组成的新 型无铁 芯柴 油 电站 ，在边远 山区、抢 险救 灾、 野 外作 业 以及 家 庭 备 用 电源 等 方 面 得 到 了广 泛 应 用 。 １轴向磁场盘式永磁无铁芯发 电机特点 及优势 众所周知 ，盘式永磁无 铁芯 电机采用轴 向磁场结构 ，它与传统 永磁电机 相比具有 以下优点 ： （ １ ） 定子绕组采用 高分子 复合材 料精密高压成型技术，不采用 …， ０１ 硅 钢片 ，实现 了电机 定子 结构无铁 芯化 ，解决． 了传统永磁 ｍ ｌ 、 ＿ ． ． １三 寸 ． ． ． 电机 的磁 阻尼现象。 （ ２ ）采用无 铁芯化永磁 电机双磁极结构形式 ，动态性 能极佳 。 （ ３ ）同功率条件下具有体积 小、重量轻等 显著特点。体积不到 ～ 一 ㈠㈡ Ⅲ ＝船 ． ¨ 传 统 电 机 的 二 分 之 一 ，重 量 不 到 三 分 之 一 。 （ ４ ）宽负载范 围高效率 。由于采用 高性 能永磁 材料励磁 ，无励 磁 损 耗 ； 不 使 用 硅 钢 片 ，极 大地 减 少 了 电机 铁 损 ；无 铁 芯化 设 计提 高了电机整体效率 。 （ ５ ）可靠性高 。采用高分子 复合材料精 密高压 成型技 术，绕组 性能稳定，绝缘性好 ，防水性能优 良，提高 了电机寿命 和可靠性 典型的盘式永磁无铁芯发 电机 结构 ，见图 ｌ 。
轴向磁通盘式电机
轴向磁通盘式电机一、引言随着现代工业技术的飞速发展，电机作为电能与机械能转换的核心装置，在各个领域都发挥着至关重要的作用。
其中，轴向磁通盘式电机以其独特的结构和优越的性能，受到了广泛关注和应用。
本文将深入探讨轴向磁通盘式电机的原理、特性及其在工业领域中的应用。
二、轴向磁通盘式电机的原理轴向磁通盘式电机（Axial Flux Disk Motor）是一种特殊的电机结构，其磁场方向主要沿着电机的轴线方向。
与传统的径向磁通电机相比，轴向磁通盘式电机具有更紧凑的结构和更高的功率密度。
这是因为其磁路设计使得磁通在轴向方向上流动，从而减小了电机的径向尺寸，提高了空间利用率。
在轴向磁通盘式电机中，定子和转子通常以盘状形式存在，且平行于电机的轴线。
定子盘上分布有绕组，而转子盘则装有永磁体或电励磁绕组。
当电流通过定子绕组时，会在定子与转子之间产生轴向磁场，进而驱动转子旋转，实现电能向机械能的转换。
三、轴向磁通盘式电机的特性1. 高功率密度：由于轴向磁通盘式电机的磁路设计独特，使得其功率密度远高于传统径向磁通电机。
这意味着在相同体积下，轴向磁通盘式电机能够输出更高的功率。
2. 高效性：轴向磁通盘式电机的定子和转子之间的气隙较小，降低了磁阻和铁损，从而提高了电机的效率。
此外，该电机的冷却效果也较好，有助于进一步提高效率。
3. 低噪音和低振动：由于轴向磁通盘式电机的结构紧凑且平衡性好，因此运行时产生的噪音和振动都相对较低。
4. 易于维护：轴向磁通盘式电机的结构简单明了，各部件易于拆卸和组装，从而降低了维护难度和成本。
四、轴向磁通盘式电机的应用1. 电动汽车：随着新能源汽车市场的蓬勃发展，轴向磁通盘式电机因其高功率密度和高效性在电动汽车领域得到了广泛应用。
它可以为电动汽车提供强大的驱动力和快速响应能力，同时降低能耗和排放。
2. 风力发电：风力发电机组需要承受极端天气条件和长时间连续运行，因此对电机的可靠性要求极高。
轴向磁通盘式电机凭借其坚固的结构和低故障率，在风力发电领域具有显著优势。
盘式永磁同步风力发电机的设计_刘金泽
2. College of electric and information engineering，Hunan institute of engineering，xiangtan 411104 ，China） Abstract ： The design of a disc type permanent magnet synchronous wind power generator with double rotors and single stator is discussed in this paper． Using soft magnet compound （ SMC ） material to form the stator core and using the backtoback winding of simple construction to wind the core of the machine make the configuration of the machine easy． The disc type PMSG of 5kVA is designed by conventional equivalent magnetic circuit method and analyzed by finite element method for verification of design． The computation and simulation results verify the effect of the proposed method． Key words： soft magnet compound （ SMC ） material； disc type； permanent magnet machine； synchronous generator 铁心绕组的电枢是由绕组注塑而成 ， 优点是重量轻， 消除了定子铁心损耗， 齿槽转矩和噪声， 使风力发 电机在微风下也能旋转。 缺点是电机的有效气隙长 度增加，在永磁体用量相同的情况下电机输出的功 3］用实验和解析法分析了铁心设计 率减小。文献［ 对风 力 发 电 机 输 出 功 率 的 影 响。 研 究 发 现， 采 用 1mm 厚带网孔的铁心时， 输出的电功率比没有铁心 结构的增加了 13. 5% 。 有铁心的电枢是通过将硅钢 片带料沿周向卷绕而成。 定子铁心分为有槽和无槽 两种。铁心开槽时，可以减小气隙而增大气隙磁密， 减小所需永磁体用量，因而可以节约发电机的成本。 但轴向磁场电机的有槽电枢铁心的制造很困难， 并 ［4 ］ 且绕组很难绕制，槽满率很低 。 近来，软磁复合 （ SMC ） 材料低频特性的改善使 得它在电机设计中获得了广泛的兴趣。 SMC 材料独 特的优点是： 它可以使复杂结构容易成形。 这可以 克服传统的有槽定子叠片铁心制造中的一些缺陷 。
永磁电机的磁场优化设计
永磁电机的磁场优化设计随着科技的不断发展，永磁电机在现代工业中扮演着越来越重要的角色。
永磁电机兼具高效、节能、环保等诸多优点，被广泛应用于风力发电、电动汽车、轨道交通等领域。
而永磁电机的磁场优化设计则是保证其性能和效率的重要因素。
1. 永磁电机的基本结构及磁场特性永磁电机由串联在转子上的永磁体和固定于机壳上的定子绕组组成。
当定子绕组通电时，会在永磁体中产生旋转磁场，从而带动转子转动。
永磁电机的性能主要由磁场特性决定，其中磁场强度、磁场分布均对性能产生重要影响。
2. 磁场优化设计的必要性和意义由于永磁电机的性能与磁场直接相关，因此磁场优化设计可以有效提高其转矩、效率等方面的性能指标。
同时，磁场优化设计还可以优化永磁体的形状和尺寸，从而降低材料成本和制造成本。
3. 磁场优化设计的方法和技术磁场优化设计是一项复杂的工作，需要运用一系列技术手段和方法来实现。
其中，有限元分析作为一种重要的方法，在永磁电机中得到了广泛应用。
有限元分析可以通过计算磁场分布、磁通密度、转子功率密度等参数来评估不同结构参数的性能优化效果。
另外，还有一些其他的方法可以用于永磁电机的磁场优化设计，如Taguchi方法、响应面法等。
这些方法通常需要将实验数据和理论模型相结合，从而确定磁场优化的最佳方案。
4. 磁场优化设计的案例分析以嵌入式永磁同步电机为例，通过对永磁体的结构尺寸、形状、位置等参数进行优化，可以改善电机的性能和效率。
例如在转子安装位置、永磁体形状和尺寸等方面进行优化，可以有效提高电机的转矩、效率等性能指标。
5. 磁场优化设计的未来发展趋势随着科技的不断进步，磁场优化设计方法和技术也在不断发展。
下一步，磁场优化设计将趋向于全局优化和多目标优化。
同时，引入人工智能、机器学习等先进技术，将有助于提高永磁电机的性能和效率，实现可持续发展。
总之，永磁电机的磁场优化设计是提高其性能和效率的重要手段。
通过合理优化永磁体的结构尺寸、形状、位置等参数，可以有效提高电机的转矩、效率等性能指标。
基于正交试验法的盘式无铁心永磁同步发电机优化设计
极 形状 的基础上采用正交试验 法配置磁极外径 、 极 弧系数 和磁极厚 度与 气隙长度 的 比值 等 ， 以提高 平均气 隙磁通
密度 、 降低漏磁 系数。电磁场有 限元 仿 真结果 表 明优化 后 电机 的平均 气 隙磁通 密 度增加 ２ ８ ． ３ ％， 漏 磁 系数减 小 ５ ． ４ ２ ％， 验证 了正交试验法用 于盘式无铁 心永磁同步发 电机优化设计 的可行性 。 关键词 ： 盘式 永磁 同步发电机 ； 无铁 心 ； 优化设计 ； 正交试验法 ； 有限元仿真
ｓ ｈ ａ ｐ ｅ ｏ ｆ ｐ ｏ ｌ ｅ ｓ ｉ ｓ ｉ ｆ ｒ ｓ ｔ ｌ ｙ ｐ ｒ ｅ ｆ ｅ ｒ ｒ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｎ ＯＥ Ｍ ｗ ａ ｓ ａ ｄ ｏ ｐ ｔ ｅ ｄ ｔ ｏ ｏ ｐ ｔ ｉ ｍｉ ｚ ｅ ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ． Ｐ ｏ ｌ ｅ ｏ ｕ ｔ ｓ ｉ ｄ ｅ ｄ ｉ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ， ｐ
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基 于正 交试 验 法 的盘 式 无铁 心 永磁 同步 发 电机 优 化 设 计
吕晓威 ， 罗 玲， 李 丹， 王 震
（ 西北 工业 大 学 ， 陕西 西 安 ７ １ ０ ０ ７ ２ ）
摘
要： 阐述 了正交试验法 的基本原理 ， 建立 了盘式无铁心永磁 同步发 电机优化设计 的数学模 型 ， 并在 优选磁
ｉ ｆ ｃ ｉ ｅ ｎ ｔ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｂ ｅ ｔ ｗｅ ｅ ｎ ｐ ｏ ｌ ｅ ｔ ｈ ｉ ｃ ｋ ｎ ｅ ｓ ｓ ａ ｎ ｄ ａ ｉ ｒ ｇ ａ ｐ ｌ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈ ｗ ｅ ｒ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ａ ｌ ｌ ｏ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ｏ ｉ ｍｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ａ ｖ ｅ ｒ ａ ｇ ｅ ａ ｉ ｒ ｇ ａ ｐ ｌ ｆ ｕ ｘ ｄ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｙ ａ ｎ ｄ ｒ ｅ ｄ ｕ ｃ ｅ ｌ ｅ ａ ｋ ａ ｇ ｅ ｃ ｏ ｅ ｉｃ ｆ ｉ ｅ ｎ ｔ ．Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ｉｎ ｆ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｏ ｐ ｔ ｉ ｍｉ ｚ ｅ ｄ ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｄ ｅ ｍｏ ｎ — ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ｅ ｔ ｈ ａ ｔ ａ ｖ ｅ ｒ ａ ｇ ｅ ａ ｉ ｒ ｇ ａ ｐ ｌ ｆ ｕ ｘ ｄ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｙ ｉ ｓ ｉ ｎ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｄ ｂ ｙ ２ ８ ． ３ ％ ａ ｎ ｄ ｌ ｅ ａ ｋ ａ ｇ ｅ ｃ ｏ ｅ ｉｃ ｆ ｉ ｅ ｎ ｔ ｉ ｓ ｒ ｅ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄ ｂ ｙ ５ ． ４ ２ ％ ． ｗ ｈ ｉ ｃ ｈ ｖ ｅ ｒ ｉ ｆ ｙ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｒ ｒ ｅ ｃ ｔ ｎ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ ＯＥ Ｍ ｔ ｏ ｏ ｐ ｔ ｉ ｍｉ ｚ ｅ Ｃ ＡＦ — Ｐ ＭＳ Ｇ． Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ： ｘｉ ａ ａ ｌ ｌ ｆ ｕ ｘ ｐ ｅ ｒ ｍａ ｎ ｅ ｎ ｔ ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｓ ｙ ｎ ｃ ｈ ｒ ｏ ｎ ｏ ｕ ｓ ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ； ｃ ｏ ｒ ｅ ｌ ｅ ｓ ｓ ； ｏ ｐ ｔ ｉ ｍｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ； ｏ ｒ ｔ ｈ ｏ ｇ ｏ ｎ ａ ｌ ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ｌ ａ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ；ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
轴向磁场无铁心无刷永磁盘式电机的设计
设计与研究・D ESIGN ”RESEARCH轴向磁场无铁心无刷永磁盘式电机的设计收稿日期:2002-06-03陈金涛,辜承林(华中科技大学,湖北 武汉 430074)摘 要:介绍了轮用轴向磁场无铁心无刷永磁盘式电机的结构形式,探讨了这种新电机的设计特点,重点解决了电机主要尺寸确定和磁路分析计算问题,最后给出了一种磁极形状和线圈形状的优选方案。
关键词:轴向磁场;无铁心;无刷;盘式电机中图分类号:TM 302 文献标识码:A 文章编号:1001-6848(2002)05-0014-03The D esign of Ax i a l -f ield Per manen tM agnet Brushless Coreless D isc M otorCH EN J in -tao ,GU Cheng -lin(H uazhong U n iversity of Science and T echno logy ,W uhan 430074,Ch ina )Abstract :T he paper p resen ts a new type of ax ial -field perm anen t m agnet b ru sh less co reless disc mo to r fo r w heel app licati on s ,including its structu re and perfo rm ance .T he design criteria fo r m ain size and perm anen t m agnet are developed .A t the end of the paper an op ti m um cho ice is given as to shapes of m agnetic po le and arm atu re sinding .Key words :ax ial -field ;co reless ;b ru sh less ;disc mo to r1 引 言传统永磁电机将绕组按一定规律嵌放在铁心槽中。
轴向磁通永磁电机系统及关键技术分析
轴向磁通永磁电机系统及关键技术分析张衍军１ 王 澍２（１ 卧龙电气（济南）电机有限公司 ２ 中机试验装备股份有限公司）摘 要：本文对轴向磁通永磁电机系统及其关键技术进行了深入分析。
首先介绍了轴向磁通永磁电机的结构和工作原理，然后详细阐述了其设计、制造和控制系统中的关键技术。
通过对比分析，总结了轴向磁通永磁电机的优缺点，并探讨其应用领域和发展趋势。
本文的研究成果对于深入理解轴向磁通永磁电机系统及其关键技术具有一定的指导意义，对于推广和应用该电机系统提供了有益的参考。
关键词：轴向；磁通；永磁电机；技术分析０ 引言轴向磁通永磁电机是一种较为常见的电机结构，也有着盘式电机的别称，因其磁通方向为轴向而得名，该电机中的载流导体呈径向放置，其结构中也包含定子以及转子铁心，这两种结构为盘式。
相比于传统的径向磁通电机而言，轴向磁通永磁电机在同等材料成本的条件下，其可达到的转矩密度以及功率密度更高，并且其整体结构呈扁平态，在现阶段有限的边界空间条件下更为适宜，因此在各种领域中都有所应用，当前主要在新能源以及航空领域得到了重视。
轴向磁通永磁电机的优点包括高效率、高功率密度、低维护成本等。
然而，该电机也存在一些挑战和限制，例如，需要克服定子和转子间的磁拉力问题，以及需要更复杂的控制系统来实现其高效运行。
因此，对于轴向磁通永磁电机的研究和应用需要综合考虑其优缺点，并根据具体应用场景进行优化和设计。
随着能源危机和环境问题的日益严重，高效、节能的电机系统成为当前研究的热点。
轴向磁通永磁电机作为一种新型的电机结构，具有高效率、高功率密度、低维护成本等优点，因此在新能源、电动汽车、航空航天等领域具有广泛的应用前景。
本文将对轴向磁通永磁电机系统的结构、工作原理、关键技术及其应用领域进行详细的分析和探讨，旨在为该电机系统的推广和应用提供有益的参考。
１ 轴向磁通永磁电机拓扑结构分析１ １ 转子永磁型轴向磁通永磁电机转子永磁型轴向磁通永磁电机是一种特殊的电机类型，其磁场方向沿着轴线方向排列。
盘式无铁心永磁同步发电机的设计
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轴向永磁电机
效率高、功率密度大的盘式电机
01 简介
03 转子结构 05 应用分析
目录
02 定子结构 04 设计分析方法
基本信息
轴向永磁电机(axial flux permanent magnetmachine AFPMM)也称盘式永磁电机，因其结构紧凑、效率高、 功率密度大等优点获得越来越多的。AFPMM尤其适合应用于电动车辆、可再生能源系统、齿轮储能系统和工业设 备等要求高转矩密度和空间紧凑的场合。
AFIR电机由两个定子盘中间夹一个转子盘组成双气隙结构，磁通从永磁体的N极出发经过气隙进入定子，沿 定子辘部周向经一个极距后穿过气隙，进入相邻永磁体的S极，再通过一个对称路径回到出发的磁极形成闭合磁路。 主磁通直接沿轴向穿过永磁体，在转子上没有周向的路径，转子部分不需要使用铁磁材料，因而转子质量轻，电 机具有较小的转动惯量。
依据磁通闭合路径的不同，定子可采用有铁心或无铁心结构，有铁心定子又可分为有槽和无槽两种形式。为 了减小转矩脉动，也可以采用斜槽结构。轴向永磁电机定子绕组有两种常用形式，即为鼓形绕组和环形绕组。两 者的区别在于绕组端部的连接，鼓形绕组端部沿着内外半径的周向分布，而环形绕组端部沿着内外径的轴向分布。 前者既可以采用叠绕组也可以是非叠绕组，而后者一般采用非叠绕组结构。
等效磁路法
等效磁路法(magnetic equivalent circuit MEC)采用“磁路”和“电路”类比的方法，在考虑磁路饱和、 铁磁材料非线性以及永磁磁场和电枢反应磁场相互影响等因素下，利用随时间和空间变化的磁阻构建磁阻络模型， 通过节点磁位建立络方程，求解得到电机磁场分布，进而求得电机相关静态特性。等效磁路法可以实现计算时间 和计算精度的有效平衡，计算时间比有限元法少，而计算精度一般比解析法高。
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轴向磁场盘式永磁电机结构的优化设计
作者：张飞剑
来源：《中国科技纵横》2013年第08期
【摘要】与传统永磁电机相比，轴向磁场盘式永磁电机具有无法比拟的优势。
要保证电机运行的效果及可靠性，则应先实现电机结构的优化设计。
从电机的组成部分和设计要求出发，全面、系统地对电机的结构进行优化设计，达到了较好的运行效果和经济效益，为类似电机的优化设计提供了一些方法和经验。
仅供同行参考。
【关键词】轴向磁场盘式永磁电机结构优化设计
1 轴向磁场盘式永磁电机的结构特点及优势
传统永磁电机的结构是将电枢绕组按照一定的规律安装在铁芯槽中，由于电机运转时齿槽效应使电磁转矩产生脉动，其转动惯性较大，动态响应速度较慢。
而且传统永磁电机中的铁芯必须使用优质硅钢片，并存在一定的铁损，尤其是电机在变频驱动高速运转时电机铁损会显著增大，在很大程度上限制了电机在高速领域的推广应用。
因此，优化设计后的轴向磁场盘式永磁电机，实现了无铁芯化、轻型化，同时提高了电机的运行效率及可靠性，适应不同转速的变化范围，能广泛应用在各种场合，尤其在对高速、安装空间有特殊要求的动力装置上。
1.1 结构简单、体积小、重量轻、维护方便
众所周知，传统的永磁电机是以铁芯为中心，要实现对传统永磁电机的改进，最大限度上要克服由于铁芯带来的各种限制。
本设计对轴向磁场盘式永磁电机的结构进行优化，采用轴向磁场永磁无铁芯结构：双转子与单定子形成了双气隙，高性能的磁钢安装在磁轭上，定子（电枢）由绕组与高导热封装材料注塑成型，完全不采用铁芯材料。
该电机主要由外壳、转子、定子、风扇及附件四大部分组成，无槽无刷，结构简单，维护起来非常方便，整机的体积、重量不到传统永磁电机的二分之一。
1.2 生产工艺流程简单、生产效率高
该电机由于不采用铁芯材料，省去了复杂的剪板、冲齿、去刺、绝缘处理、叠片封装等繁琐工序；定子绕组成型后采用高导热复合材料在高温高压下一次注塑封装完成，线圈密封性好，省去了传统电机制造过程中的浸漆、烘干等工序。
因此，生产流程简单，自动化程度高，生产效率显著提高。
1.3 适用性广，特别是对安装空间有苛刻要求的工业应用场所
轴向磁场盘式永磁电机具有较小的体积和优良的性能，既能实现灵活的控制，具有较好的动态性能，又能克服同功率条件下传统永磁电机对安装空间有苛刻要求的工业应用场所的困难。
2 结构优化设计及要点
2.1 外壳（如图1）
外壳主要起到转子的支撑、定子的固定散热和导磁作用。
轴向磁场永磁电机的外壳为扁平盘式形状，一般使用钢板进行压制，特殊需要也使用压铸铝铸造，便于为电机的运行提供磁路。
外壳的形状设计和材质选型很关键，既要保证定子接触面的有效散热面积，又要满足力学强度要求，一般选用强度足够和导磁性能优异的材料加工成辐射形片状散热结构。
设计时，外壳的中心高与同功率等级传统电机尽可能保持一致，方便用户直接替代使用。
2.2 转子
转子由磁轭、磁钢、轴组成，双磁轭与单定子形成双气隙结构。
高性能的磁钢安装在磁轭面上，磁轭安装在轴上，从而组合成电机转子。
2.2.1 磁轭
磁轭不但要起到导磁通路的效果，旋转时还要承受磁钢产生的离心作用力，所以它既要有导磁性能要求，又要有强度要求，又同时还要对定子起到扇风散热作用。
通常优先选用高纯度优质钢材，加工成异形来满足使用要求。
采用两个磁轭组成的双转子、双气隙结构，不仅可以有效克服永磁电机由于单转子结构造成轴向不对称的单边磁拉力，而且还可以降低漏磁。
同时，气隙磁密比单边磁体结构约高出10%左右，极面下的磁密分布也更加均匀，可以更充分的利用永磁材料，这更有利于提高电机性能、降低成本和缩小体积。
2.2.2 磁钢
磁钢性能直接影响到电机的功率密度，转子中的磁钢多采用具有较高的磁感应强度和矫顽力的高性能钕铁硼磁材加工成扇形。
磁钢的排列采用Halbach阵列的形式，磁钢固定在磁轭的内表面，主磁路从一个极出发，轴向穿过气隙和与之相对的另一极，沿周向经过转子轭部，再穿过相邻的磁极和轴向气隙，最后沿转子轭部闭合，从而形成轴向磁场。
2.2.3 轴
盘式电机轴向长度较短，转子转动惯量较小，体积重量较传统永磁电机小得多，宜采用GB/T 1569-2005 圆柱形轴伸中的短系列轴伸尺寸、轴径与同功率传统电机保持一致，方便与外部连接件的安装配合。
2.3 定子
常规的环形定子铁芯使用带状的硅钢片缠绕制成，本设计通过去掉电机的定子铁芯，使用高导磁、高导热的注塑材料将电枢绕组封装固定，形成该电机无铁芯结构的定子。
定子的结构与交流三相电机类似，但电枢绕组的有效导体在空间沿径向呈辐射状分布，三个绕组通过电子开关元件进行控制，径向通电导体在轴向磁场的作用下产生切向电磁力，驱动转子旋转。
2.3.1 绕组
轴向磁场盘式永磁电机定子的绕组一般采用常见的叠绕组或波绕组联结方式。
而本设计在常见的波绕组基础上作了优化改进，电枢绕组为菱形短距波绕组，大幅度缩短端部绕组，降低了铜漆包线用量，有效提高了绕组利用率。
2.3.2 封装材料
相对于传统的永磁电机而言，轴向磁场盘式永磁电机使用高导磁、耐高温、低蠕变的高分子绝缘材料来封装电枢绕组，实现了电枢绕组与外部结构的电气隔离，从而能有效防止污染、潮湿等引起的电机绕组安全性能下降，保证了电机运行的安全稳定性，更好地实现了对电机结构的优化，提高了电机的运行效率和运行质量。
2.4 风扇及附件
盘式永磁无铁芯电机的结构决定了其散热面积与传统有铁芯电机相比要小得多，热容也小得多。
因此，良好的散热效果是这种电机安全运行的关键。
除外壳在设计时保证足够的散热面积外，采用高效率的冷却风扇来加强散热效果也是必不可少的。
采用轻质高强度铝合金材质，通过不同风扇叶片优化、试验，最终选定合理的叶片参数，以较低的功耗满足电机冷却散热的需要，最大限度地提高电机整体的效率。
2.5 变频控制器
轴向磁场盘式永磁电机的结构形式决定了它必须配套相应的变频控制器才能发挥其优越的性能，但不属于本文讨论的范畴，在此不再赘述。
3 结语
结构优化设计后的轴向磁场盘式永磁电机，在生产制造上直接降低了工人的劳动强度，提高了产品的生产效率；体积重量减少了，各种场所应用更加普及；同一机座号、同转速情况
下，电机功率提升了一个等级；优化后电机实际运行证明效率提高5～10%，很大程度上减少了工业电力能源的损耗，具有较好的经济效益和社会环境效益。
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