轴向磁场盘式永磁电机结构的优化设计

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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