轴向永磁电机（axial flux permanent 磁铁 machine ，AFPMM）又称盘式永磁电机，轴向永磁电机的尺寸很小，外形像扁平的圆盘一样。外壳是用钢板压制而成，里面的永磁体则是用铁氧体或者钕铁硼材料制成。不同于传统的电极，轴向永磁电机的定子和转子没有铁芯，换向火花小，电感小。

轴向永磁电机具有结构紧凑、工作效率高、密度大等特点。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、空间紧凑的场合。轴向永磁电机的气隙磁场是沿轴向方向分布，呈扁平型。

简介

近年来，轴向永磁电机因其结构紧凑、效率高、功率密度大等优点获得研究人员越来越多的关注，已有大量 对多种结构的轴向永磁电机在小同领域的应用进行了深入研究。该文介绍了轴向永磁电机的一般定转子结构以及若十特殊结构，对比了轴向永磁电机和传统径向永磁电机的性能和特征，分析了轴向永磁电机的设计分析方法，讨论了轴向永磁电机在小同领域的研究和应用，最后总结展望了轴向永磁电机及其相关技术研究的主要发展方向  。

轴向永磁电机气隙呈平面型，气隙磁场沿轴向分布。法拉第未来发明的世界上第一台电机就是轴向电机，受材料和工艺水平的限制，轴向永磁电机在此后相当长的一段时间未能得到进一步的发展随着科学技术的进步，新型材料的涌现和工艺水平的改善，为了克服传统圆柱式电机存在的铁心利用率低和冷却困难等问题，轴向永磁电机重新获得重视。目前，轴向永磁电机凭借其在功率密度和效率等方面的优势，已成为电机领域的研究热点。回)项并总结了近年来国内外学者在轴向永磁电机方面所进行的研究工作，首先从定转了角度出发，介绍了轴向永磁电机的不同拓扑结构，然后分别从性能与特征、特殊结构、设计分析方法、应用领域等角度归纳与总结了国内外轴向永磁电机的研究现状和关键问题，最后探讨了轴向永磁电机未来发展的主要方向。

定子结构

有铁心结构

轴向永磁电机结构多样，按照定转了数目以及定转了相对位置可分为四类:单定转了结构(single-sided structure SS)、双定了中问转了结构(double-sided internal rotor structure AFIR)、双转了中问定了结构(double-sided internal 定子和转子 structureTORUS)和多盘式结构(multi-disk structure MS)。定了涉及铜耗、铁耗、散热以及绕组绕线方式等多种问题，因此，它是轴向永磁电机研究的重点。

依据磁通量闭合路径的不同，定了可采用有铁心或无铁心结构，有铁心定了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。轴向永磁电机定了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。

轴向永磁电机定转了沿轴向排列分布，定了便于采用薄硅钢片、软磁复合材料、非晶合金等新型材料，并衍生出多种结构形式。无磁辘定子和转子结构用于双转了中问定了轴向永磁电机，绕组中问的铁心可以采用普通硅钢片、有取向硅钢片或者非晶合金材料制作。由于没有辘部，定了铁心重量轻、铁耗小，有助于提高电机的功率密度和效率。此外，还可设计成模块化结构，简化电机的制造与装配过程;维修时，只替换故障模块即可，降低了电机检修与维护的难度。这种结构可看作具有大槽口的有槽铁心，因此，会在永磁体和转了磁辘中引起较大的涡流。

无铁心结构

定了无铁心轴向永磁电机通常采用中间定子结构。无铁心结构的优点是电机效率高;而缺点是电机等效气隙长度增大，相比同等情况下的有铁心电机，永磁材料的使用量会有所增加。

无铁心轴向永磁电机的定了电感线圈可以采用叠绕组和非叠绕组，相比较而言，采用非叠绕组形式优点较多。例如，线圈制造和装配简便;绕组结构简单，端部连接短;每匝线圈平均长度短，定了线圈损耗小。但是，非叠绕组的绕组因数相对较小，影响输出转矩。研究表明，极数较高时采用非叠绕组可以得到较高的绕组因数和较好的输出转矩。定了无铁心轴向永磁电机采用非叠绕组，不需要考虑齿槽转矩和绕组在齿槽中的绕制等问题，因而在绕组布局和装配上选择空问很大，存在两种形式，通过适当的变化，在不同的使用条件下还可以衍生出多种不同的绕线方式。

转子结构

为了克服单边磁拉力等问题，中问定了或转了的双边结构是应用最为广泛的轴向永磁电机结构。永磁体的排列方式与径向永磁电机类似，可以是表贴式、内嵌式或Halbach形式。为了有效抑制有槽电机中的齿槽转矩，轴向永磁电机通常采用永磁体倾斜、偏移等方法减小齿槽转矩，相比定了斜槽，这些方法简单而有效。

AFIR电机由两个定了盘中问夹一个转了盘组成双气隙结构，磁通量从永磁体的N极出发经过气隙进入定了，沿定了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，在转了上没有周向的路径，转了部分不需要使用铁磁材料，因而转了质量轻，电机具有较小的转动惯量。

设计分析方法

解析法

解析法能够在特定的假设简化条件下，求解麦克斯韦方程组，实现满足一定精度的磁场分析计算，节约大量的计算时问。然而，诸如磁路饱和、定了齿槽、漏磁等因素仍然难以在解析式中较为精确的体现，过度简化可能导致计算精度偏低。

考虑电枢反应对磁场的影响，运用解析算法分析无槽轴向永磁发电机的内部磁场，计算精度在s%以内;利用解析法计算定了无铁心轴向永磁电机在开路状态下的磁场，永磁体假定轴向充磁且具有恒定的相对磁导率，利用拉普拉斯方程通解的形式来代表永磁体的儿何形状，所得分析结果与三维有限元计算相吻合。但定了开槽结构的轴向永磁电机解析法分析依旧是一个难点。此外，一些研究人员还采用解析法和有限元分析相结合的辅助方法来分析计算电机电磁场

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，利用随时问和空问变化的磁阻构建磁阻网络模型，通过节点磁位建立网络方程，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问和计算精度的有效平衡，计算时问比有限元法少，而计算精度一般比解析法高。

鉴于等效磁路法的计算时问和精度适中，此类方法适合应用于电机初始设计和参数优化。近年来，国内外研究人员对等效磁路法在不同类型电机中的应用做出了深入的研究，应用范围包括异步电机、开关磁阻电机、线性电机和轴向永磁电机等。相比较而言，等效磁路法在轴向永磁电机中的应用还比较少，相关技术还不够成熟，是轴向永磁电机设计分析的一个难点。采用等效磁路模型，考虑磁路饱和以及磁通量的三维分布，分析了一台中问转了轴向永磁电机的磁场分布，最终实现最优输出转矩的优化设计。采用等效磁路法计算了轴向永磁电机各个部分的磁通分布，由此得到反电动势波形，并通过傅里叶分析实现电机退磁的故障诊断。

有限元法

轴向永磁电机特殊的结构形式，使得磁通密度沿径向和轴向的分布体现两个独立的3D效应:“弯曲效应”和“边缘效应” 。三维有限元分析可以同时考虑两种效应的影响，实现高精确度的磁场分析，但难以避免计算时问长，而且不便应用于存在多种参变量在较大范围内变动的初始和优化设计。提出了一种新的基于改进麦克斯韦方程组的三维有限元分析方法计算轴向永磁电机的空载磁通量，求得标量磁势的拉普拉斯方程解析解，三维模型将边缘效应和弯曲效应考虑在内，但计算耗时较少。另外，一些 提出采用准三维模型以及分段式二维有限元的方法实现电机磁场较为精确的分析计算。

应用分析

电动车辆

由于日益严峻的能源短缺和环境污染问题，传统交通车辆采用电力驱动是社会和技术发展的必然趋势。低排放的新能源车辆，包括混合动力车辆、纯电动车辆和燃料电池车辆已引起广泛的关注与研究。电机作为电动车辆上的核心部件，其性能特征要求严苛，需具备功率密度高，扭矩大、调速范围宽、效率高、重量轻、体积小等特点。

飞轮储能

吃轮储能利用电动机带动吃轮高速旋转，将电能转化成动能储存起来，释放能量时利用吃轮带动发电机发电。在吃轮储能系统中，作为电能与机械能之间的能量转换核心部件，电机的选择直接决定了整个吃轮储能系统性能的优劣。吃轮储能电机需要满足的性能要求包括:高速运行以储备能量;调速范围广，调速性能好;空载损耗低，运行效率高;输出转矩大，输出功率高;运行可靠，结构简单等。

风力发电

轴向永磁电机特殊的定转了平行安装结构，使得定转了可以具有较大的外径，易于多极设计以及在低速大转矩场合的使用。另外，轴向永磁电机功率密度大、结构简单、效率高，可以采用直接驱动方式。因此，轴向永磁电机适合作为风力发电机。

其他应用场合

除了在电动车辆、吃轮储能、风力发电领域的应用外，轴向永磁电机在航空航天、家用电器、船舶推进等要求高转矩密度和空问紧凑的场合也得到广泛使用。

参考资料