軸向永磁電機(jī)及其研究發(fā)展

李家騏

摘 要：永磁電機(jī)的工作效率受到了廣泛的肯定，在實(shí)際的工作過(guò)程中也能夠承載比較大功率密度和效果。永磁電機(jī)的工作運(yùn)行還兼具緊密性的結(jié)構(gòu)，實(shí)際的運(yùn)作也非常的可靠。當(dāng)前，科研人員對(duì)永磁電機(jī)越來(lái)越重視，開始進(jìn)行深刻的研究，以便將永磁電機(jī)利用到各個(gè)高科技領(lǐng)域。本次研究針對(duì)永磁電機(jī)的使用情況進(jìn)行分析和研究，希望能夠通過(guò)軸向研究的工作提升傳統(tǒng)功能性質(zhì)，得到更加優(yōu)越的機(jī)械延伸性。

關(guān)鍵詞：軸向；永磁電機(jī)；研究發(fā)展

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.254

0 前言

永磁電機(jī)在發(fā)展的過(guò)程中普遍存在的機(jī)理規(guī)律及時(shí)將鐵質(zhì)的芯片紡織與機(jī)械的槽體重，然后遵循一定的規(guī)律進(jìn)行順序的排列，通過(guò)纏繞的方式進(jìn)行機(jī)械的組織構(gòu)建。具體的電機(jī)工作會(huì)存在一定程序上的阻礙，常見的情況是電磁旋轉(zhuǎn)的功能配件出現(xiàn)齒糟的效應(yīng)，影響了實(shí)際的運(yùn)作脈絡(luò)。然而無(wú)槽式用電機(jī)也有缺點(diǎn)，響應(yīng)速度太慢、換向性能太差、轉(zhuǎn)動(dòng)慣性大等等。這種電機(jī)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，可以靈活控制，還具有很好的換向性能?，F(xiàn)在軸向永磁電機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車、儀表、電動(dòng)工作等多個(gè)領(lǐng)域。

1 永磁電機(jī)的軸向概念及優(yōu)越性

永磁電機(jī)的軸向，就是通過(guò)對(duì)電子的磁場(chǎng)進(jìn)行轉(zhuǎn)變，促進(jìn)一種平行方式的電流流轉(zhuǎn)，進(jìn)而運(yùn)營(yíng)發(fā)電機(jī)制運(yùn)作。這種電機(jī)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，但是性能一點(diǎn)也不比傳統(tǒng)電機(jī)差。伴隨永磁電機(jī)向軸向改革的轉(zhuǎn)變，主要依靠的是更高性質(zhì)的永磁材質(zhì)的開發(fā)和利用。

軸向永磁電機(jī)的尺寸很小，外形像扁平的圓盤一樣。外殼是用鋼板壓制而成，里面的永磁體則是用鐵氧體或者釹鐵硼材料制成。不同于傳統(tǒng)的電機(jī)，軸向永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子沒有鐵芯、換向火花小、電感小[1]。如果是需要使用薄型電機(jī)的場(chǎng)合，軸向永磁電機(jī)是非常好的選擇。

由于永磁電機(jī)的磁場(chǎng)靠永磁體來(lái)生成，不需要?jiǎng)?lì)磁線圈和勵(lì)磁電流，所以從結(jié)構(gòu)上來(lái)講要比傳統(tǒng)電機(jī)簡(jiǎn)單很多。在過(guò)去，永磁材料的發(fā)展還沒有這么先進(jìn)，永磁體產(chǎn)生的磁力很弱，也很容易消失，所以永磁電機(jī)只能應(yīng)用于一些小型的發(fā)電場(chǎng)合。當(dāng)人類開發(fā)出釹鐵硼材料做為磁極之后，軸向永磁電機(jī)開始得到快速發(fā)展?，F(xiàn)在的軸向永磁電機(jī)，已經(jīng)不僅僅能應(yīng)用于玩具、儀器儀表等小型發(fā)電，也逐步邁向了家電、交通工具等大型發(fā)電場(chǎng)合。

2 永磁電機(jī)的軸向結(jié)構(gòu)

2.1 定子結(jié)構(gòu)

軸向永磁電機(jī)可以按照定轉(zhuǎn)子的數(shù)目和定轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置進(jìn)行分類。主要有四種結(jié)構(gòu)形式：?jiǎn)味ㄞD(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、雙定子中間轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、雙轉(zhuǎn)子中間定子結(jié)構(gòu)和多盤式結(jié)構(gòu)[2]。定子是研究軸向永磁電機(jī)的重點(diǎn)，因?yàn)槎ㄗ拥慕Y(jié)構(gòu)決定著永磁電機(jī)的鐵損耗多少、散熱性能好壞、繞組繞線采取怎樣的方式。定性的配件子體通過(guò)纏繞的方式進(jìn)行組織構(gòu)建，在實(shí)際的使用過(guò)程中存在環(huán)繞性質(zhì)的組件，還涉及到凸出的鼓型組件。環(huán)形繞組的端部是沿著內(nèi)外徑的軸向分布，采用的是非疊繞組結(jié)構(gòu)。而鼓形繞組的端部是沿著內(nèi)外徑的周向進(jìn)行分布，既可以采用疊繞組結(jié)構(gòu)，也可以采用非疊繞組結(jié)構(gòu)。定子的制作材料一般采用薄硅鋼片、軟磁復(fù)合材料、非晶合金等。選用的制作材料決定了定子和鐵芯重量輕的特點(diǎn)，這有利于電機(jī)提高工作效率。

2.2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

為了防止單邊磁拉力的問(wèn)題，永磁電機(jī)一般都會(huì)選用雙邊結(jié)構(gòu)。電機(jī)的轉(zhuǎn)子由鐵芯材料、永磁體和外圍支撐圓盤三部分組成。轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)一般有表貼式、內(nèi)嵌式和Halbach式]。前兩種結(jié)構(gòu)區(qū)別很小，如果永磁體直接貼在轉(zhuǎn)子鐵芯上就是表貼式；如果永磁體嵌入在轉(zhuǎn)子鐵芯中間則是內(nèi)嵌式。Halbach結(jié)構(gòu)與這兩者都不一樣。這種結(jié)構(gòu)是將不同充磁方向的永磁體排列在一起，通過(guò)相鄰永磁體的不同方向夾角，來(lái)調(diào)整某個(gè)方向上磁場(chǎng)的增強(qiáng)或削弱。這種結(jié)構(gòu)形成的是損耗小、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小的理想磁場(chǎng)，優(yōu)勢(shì)在于不需要背鐵也能完成磁路閉合，適合應(yīng)用在高性能的發(fā)電系統(tǒng)中。

3 永磁電機(jī)的軸向功能應(yīng)用

3.1 電能驅(qū)動(dòng)車

為未來(lái)環(huán)境因素著想，考慮保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略實(shí)施，全球各國(guó)都開始了對(duì)新能源汽車的研究。而電能驅(qū)動(dòng)車就是采用新能源的車輛當(dāng)中的一種。電動(dòng)能源驅(qū)動(dòng)形式的機(jī)車類型，主要使用的重要功能部件就是電機(jī)。為了開發(fā)電能驅(qū)動(dòng)車，車上的電機(jī)必須滿足重量輕、體積小、扭矩大、功率密度高等要求。目前的考慮方向是將軸向永磁電機(jī)安裝在點(diǎn)能驅(qū)動(dòng)車的車輪上，讓軸向永磁電機(jī)融入電能驅(qū)動(dòng)車的動(dòng)能傳動(dòng)系統(tǒng)。這樣能夠減少車輛的消耗成本，還能夠保持電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩密度。

3.2 風(fēng)力發(fā)電

永磁電機(jī)的軸向定位轉(zhuǎn)換子部件的安裝采取的是平行的方式，定轉(zhuǎn)子的外徑較大。這就決定了軸向永磁電機(jī)適合在低速大轉(zhuǎn)矩的發(fā)電場(chǎng)合使用。風(fēng)力發(fā)電正是軸向永磁電機(jī)適用的發(fā)展方向。為了能讓發(fā)電機(jī)與渦輪葉片能夠直接耦合，軸向永磁電機(jī)要采用外轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)形式[3]。風(fēng)力發(fā)電可以通過(guò)直接驅(qū)動(dòng)，發(fā)揮軸向永磁電機(jī)功率密度大、效率高的特點(diǎn)。

3.3 其他領(lǐng)域

除了上述兩方面，軸向永磁電機(jī)還有著其他方面的應(yīng)用。比如在航空航天方面，由于軸向永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，故障較少，被應(yīng)用于我國(guó)各種航空工具的發(fā)電。我國(guó)現(xiàn)在的大部分航天飛機(jī)采用的就是美國(guó)通用電氣公司所生產(chǎn)的100 kVA 60000r/min的稀土永磁同步發(fā)電機(jī)。

對(duì)于大型的電站、礦山、油田來(lái)說(shuō)，電機(jī)達(dá)到兆瓦級(jí)的功率很平常。而且由于電機(jī)的效率和電能轉(zhuǎn)化程度都不高，造成了很多不必要的浪費(fèi)。軸向永磁電機(jī)在這些行業(yè)推廣應(yīng)用以后，電機(jī)效率和電能轉(zhuǎn)化率大大提高，避免電能的浪費(fèi)。

4 結(jié)論

軸向永磁電機(jī)的運(yùn)用范圍已經(jīng)擴(kuò)展到了多個(gè)科學(xué)領(lǐng)域，比如電能驅(qū)動(dòng)車、風(fēng)力發(fā)電、飛輪儲(chǔ)能、航空航天等。這些高科技領(lǐng)域都要求電機(jī)不僅要具有以往高效率、高功率密度等優(yōu)點(diǎn)，還要有強(qiáng)大的容錯(cuò)能力和安全可靠的特性。所以在軸向永磁電機(jī)的研究中，一定要加強(qiáng)對(duì)電機(jī)容錯(cuò)性能的研究，使電機(jī)的故障運(yùn)行能力大大提高。這是發(fā)展永磁電機(jī)向軸向發(fā)展的關(guān)鍵，也是科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的重要體現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃允凱，周濤，董劍寧，郭保成，張莉.軸向永磁電機(jī)及其研究發(fā)展綜述[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015（01）：192-205.

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[3]王鳳翔.永磁電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用及其發(fā)展趨向[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012（03）：12-24.