1.2 轴向磁场电机的分类

由于轴向磁场电机独特的定子盘、转子盘结构，因此轴向磁场电机的结构非常灵活，种类很多，分类方法也比较复杂。按照普通旋转电机的分类方法，可以根据电机的工作原理分类，还可以根据电机的基本结构分类。

1.2.1 按电机的工作原理分类

在工作原理上，每种径向磁场电机都有其对应的轴向磁场电机。实际上，轴向磁场（Axial Flux, AF）电机的种类也是有限的。目前用到的AF电机主要有以下几种。

（1）带换向器的轴向磁场永磁（Axial Flux Permanent Magnet, AFPM）有刷直流电机。

（2）轴向磁场永磁同步电机和轴向磁场永磁无刷直流电机。

（3）轴向磁场异步电机。

1.2.1.1 带换向器的轴向磁场永磁有刷直流电机

轴向磁场永磁有刷直流电机在20世纪70年代初就被研制出来了，与径向磁场永磁有刷直流电机类似，带换向器的轴向磁场永磁有刷直流电机可以使用永磁体来代替电机的电励磁磁极。转子（电枢）可以设计成绕线转子或印刷绕组转子。在绕线转子电机中，电枢绕组由铜线绕制并用树脂模压而成。换向器类似于传统直流电机的换向器，它可以为圆柱体的。

图1.4所示为8极印刷绕组轴向磁场永磁有刷直流电机的结构示意图，图1.4（a）所示为永磁体定子，图1.4（b）所示为电机截面图，图1.4（c）所示为转子（电枢）绕组和电刷，图1.4（d）所示为电枢印刷绕组。由图1.4可见，永磁体放置在定子铁心上，该电机转子上无铁磁铁心，转子绕组类似于传统直流换向器电机的波绕组，线圈先由铜片压印再焊接形成波绕组，电枢采用印刷电路板的形式制成，因此被称为印刷绕组电机。需要指出的是，轴向磁场永磁直流电机是有刷电机。这种电机的气隙比较大，需要的永磁体用量比较大，因此可采用价格低廉的铝镍钴永磁材料。铝镍钴永磁材料有高的剩磁密度，但矫顽力不大。

轴向磁场永磁有刷直流电机有许多优点：轴向尺寸短，可适用于对薄型安装有严格要求的场合；采用无铁心的电枢结构，不存在齿槽转矩引起的转矩脉动，转子上不存在铁耗，可提高电机的效率；电枢绕组电感小，具有良好的换向性能。鉴于轴向磁场永磁有刷直流电机的优良性能，已被广泛应用在工业、办公自动化设备和家用电器等领域，如风扇、鼓风机、小型电动车辆、汽车空调器、机器人、计算机外围设备、电动工具等。轴向磁场永磁有刷直流电机可以做成电励磁电机。

1.2.1.2 轴向磁场永磁同步电机和轴向磁场永磁无刷直流电机

轴向磁场永磁同步电机和轴向磁场永磁无刷直流电机对应的径向磁场电机一样，它们的结构也是一样的，但它们的理论和运行原理不同，其主要差别在于工作电流的波形不同，如图1.5所示。无刷直流电机产生一个方波的反电动势，电流波形为方波，因此被称为方波电机。在交流永磁同步电机中产生的是正弦波反电动势，电流波形为正弦波，因此被称为正弦波电机，也被称为永磁同步电机。

轴向磁场永磁同步电机结构种类较多，应用范围广泛，是本书研究的重点，并将在后面的章节中进行详细研究。

1.2.1.3 轴向磁场异步电机

轴向磁场异步电机只能做成电励磁电机，放置鼠笼绕组的叠片转子铁心是轴向磁场异步电机的制造难点。若鼠笼绕组用非磁性高电导率的铜或铝来代替，或者用覆盖铜层的钢盘来代替，则电机的性能会显著恶化。目前来说，对轴向磁场异步电机开发的价值不大。

1.2.2 按电机的基本结构分类

按照轴向磁场电机的基本结构来分，轴向磁场电机大致可以分为单定子单转子、双定子单转子、单定子双转子和多盘式。由于永磁电机取消了励磁绕组，可以实现电机的无刷化，同时提高了电机的效率，因此轴向磁场电机通常做成永磁电机。轴向磁场永磁（AFPM）电机结构很灵活，按照有无定子铁心和绕组的形状，又可以继续按图1.6所示分类。由于单定子双转子AFPM电机的中间定子绕组形式的多样性，相对于双定子单转子盘式电机来说，其结构更为丰富，磁路结构有NN和NS两种。

1.2.2.1 按电机盘数分类

1.单定子单转子AFPM电机

单定子单转子AFPM电机是轴向磁场永磁电机中最简单的，也是最基本的结构形式，如图1.2（a）所示。该结构由一个盘形定子和一个盘形转子组成，中间是轴向平面气隙。永磁体粘贴或嵌在转子盘上，定子铁心由电工钢片卷绕而成。单定子单转子AFPM电机由于结构紧凑、输出转矩大、散热容易，并且能够承受较大的电流密度，已被应用于工业牵引、军事、交通运输业和无齿轮直驱电梯中。图1.7所示为单定子单转子AFPM电机的典型结构图，图1.7（a）所示的电机使用在工业牵引和伺服驱动机电装置中，图1.7（b）所示的电机中集合了滑轮装置和制动装置（图中未画出），可以用来起吊物体，也可以用在无齿轮直驱电梯中。

单定子单转子AFPM电机的主要缺点是在定子和转子之间存在不平衡轴向磁拉力，很容易使电机结构扭曲变形，增加轴承负荷，因此在轴承结构设计中应当注意。此外，转子上由永磁体产生的磁场在定子铁心中交变会产生损耗，导致单定子单转子AFPM电机的效率降低。

2.双定子单转子AFPM电机

双定子单转子AFPM电机包括一个转子盘和两个定子盘，两个定子盘在外侧，转子盘在两个定子盘中间构成双气隙结构，也称为双边结构，如图1.2（c）所示。由于双定子为对称结构，受到两个相互抵消的磁拉力，因此不存在单定子单转子AFPM电机的单边磁拉力问题。永磁体安装在转子盘的两个表面，这种结构的电机被称为轴向磁场内转子（Axial Flux Internal Rotor, AFIR）电机，具有较好的散热性能和较低的转动惯量。

图1.8所示为8极双定子单转子AFPM电机的结构示意图，该电机有两个独立的定子绕组，在并联运行时，即使一个定子绕组出现故障，该电机还可以继续运行，即电机具有一定的故障容错能力。两个绕组串联运行时，可以提供给转子大小相等且方向相反的轴向磁拉力，使转子上受到的磁拉力相互抵消，以减少电机的振动和损耗，因此这是绕组连接方式的首选方案。

3.单定子双转子AFPM电机

单定子双转子AFPM电机结构由一个定子盘和两个转子盘组成，两个转子盘在外侧，定子盘在两个转子盘中间，如图1.2（b）所示。单定子双转子结构又被称为TORUS结构，相对于单定子单转子AFPM电机而言，整体气隙磁通密度可提高10%。由于两边结构对称，该电机的两个转子盘对中间的定子盘产生的磁拉力大小相等，方向相反，因此不存在单定子单转子AFPM电机的单边磁拉力问题。

图1.9所示为两种无槽定子铁心单定子双转子AFPM电机结构图，图1.9（a）所示的电机可作为推进电动机和燃油同步发电机，图1.9（b）所示的电机可作为起重电机。电动汽车中的轮毂电机可采用图1.9（b）所示的电机[在图1.9（b）中除去机座]。

单定子双转子结构可以构成一种特殊的电机—双转速电机。双转速电机有两种转速运行模式，可实现不同转速的变换。径向磁场双转速电机需要运行在两套不同极对数的绕组情况下，通过改变极对数来改变运行速度，实现变速功能。径向磁场双转速电机属于有级变速，无法实现平滑的无级调速，适用范围相对较窄。轴向磁场双转速电机主要在单定子双转子结构下实现。该双转速电机可看成由两台单定子单转子AFPM电机组成，有两套互不影响的磁路，因此，有两套不同的极对数来实现速度变换，该双转速电机不仅能变换转速，还能在两种不同速度下运行，较径向磁通双转速电机应用广泛。

4.多盘式AFPM电机

经研究表明，通过增大电机直径可以增加转矩，然而也要考虑以下限制条件：轴承所能够承受的轴向力；定子盘、转子盘与轴之间的机械连接；圆盘刚度。

为了满足大转矩、高功率电机的需求，可以采用多盘式结构的办法，即由多个定子盘和转子盘并列组合而成，这种结构可以在不增加外径的条件下增加电机转矩和功率，因此在要求电机的功率比较大的情况下可以考虑多盘式结构。

多盘式AFPM电机是由多个定子和多个转子相互交错排列组成的多气隙结构，如图1.10所示，这种结构可以在较小半径下实现大功率、大转矩输出。

1.2.2.2 按有无铁心分类

1.有定子铁心

在双定子单转子AFPM电机中，外面定子一般采用有铁心的结构，以减小整个磁路的磁阻，从而减少永磁体的用量。外边转子中间定子轴向磁场永磁电机依据磁通闭合路径的不同，可采用有定子铁心或无定子铁心结构。有定子铁心的轴向磁场电机的定子铁心是通过先将硅钢片带料卷绕后再进行槽加工或将冲好槽的硅钢片带料卷绕而成的，如图1.11所示。在槽加工过程中，会遇到叠片之间短路的问题，当绕制冲好槽的叠片带时，存在预先打孔的槽难以对齐的难题。因此，轴向磁场电机的电枢铁心是轴向磁场电机制造的难点和关键，也解释了轴向磁场电机出现得早但至今还没有得到广泛应用的原因。随着传统径向磁场电机出现的散热和功率密度的局限性，随着轴向磁场电机制造工艺的进步和新材料的出现，轴向磁场电机又重新被电机工程师们重视。例如，采用图1.11（b）所示的软磁复合材料来形成的定子铁心，使电机的制造变得简单，在不降低电机性能的前提下，可降低电机的成本。

有定子铁心的轴向磁场电机又可分为有槽和无槽两种形式。将电机定子铁心开槽可以有效地减少气隙，降低气隙的磁阻且增大气隙磁密度，减少所需永磁体用量，因而可以降低电机的成本，同时可增加电机的电感，从而提高电机的弱磁调速能力。但有槽的轴向磁场电机存在齿槽转矩，齿槽转矩的存在将使电机产生脉振和附加损耗，因此应采取有效措施来降低齿槽转矩，本书将在第8章对永磁同步电机的齿槽转矩进行分析。

对于有槽的轴向磁场电机，在每个槽开口处轴向磁场电机的平均气隙磁密度将会减小。由于开槽引起的气隙磁密度减小相当于该处的等效气隙增大了，因此用一个等效的气隙来表示。等效气隙g′和实际气隙g之间的关系可以用卡特系数k_C＞1来描述。

式中，t₁是平均槽距；b₁₄是槽口宽度。

电机定子铁心不开槽时，绕组直接绕制在定子铁心上，如图1.12所示。这种电机的定子装配简单，没有齿槽转矩，降低了转子表面的损耗和磁饱和程度，降低了电机的噪声。但电机的有效气隙比较大，有效气隙等于机械间隙加上主磁路上主磁通通过的所有非磁性材料的厚度，包括绕组、绝缘材料、灌封材料和支撑结构。气隙增大，使得电机所需的永磁体用量增加，电机的电感比开槽电机的电感要小，减小了电机的恒功率运行范围，并且绕组处在交变的气隙磁场中，使得电机绕组涡流损耗升高。因为电机的定子铁心没有开槽，所以无槽电机的卡特系数k_C=1。

有定子铁心的轴向磁场电机还可分为有轭和无轭两种形式。当单定子双转子AFPM电机采用NS磁路结构时，可以采用无定子轭结构，因为在这种情况下，磁力线从一个转子的N极出发，沿轴向通过气隙到达中间定子后，又通过另一个气隙到达另一个转子的S极，磁力线不需要通过中间定子的轭部，因此可以取消定子轭部。这种电机被称为YASA（Yokeless And Segmented Armature，无磁轭模块化）电机，结构示意图如图1.13所示。

2.无定子铁心

无定子铁心单定子双转子AFPM电机的定子绕组安装在非磁性或绝缘材料制成的支撑结构上，不存在定子铁耗和磁滞现象，永磁体和转子铁心的损耗可忽略不计，电机效率更高；不存在齿槽转矩，更利于电机平稳运行，降低了电机的噪声。

无定子铁心AFPM电机一般采用单定子双转子结构，其示意图如图1.14所示。从图中可以看到，该电机的定子线圈被封装在由绝缘材料制成的定子电枢盘中，封装好的定子电枢盘要求有足够的强度，因为定子上可能会受到不平衡磁拉力的作用。由于绕组放在气隙中间，电机的有效气隙长度增大，比有铁心无槽电机的气隙更大，磁场由永磁体产生，为了让气隙磁通密度维持在合理的水平，这种结构相比于硅钢片叠压式定子铁心不开槽结构需要的永磁体用量更多。因此，为了尽量缩短气隙长度，减少永磁体用量，无定子铁心必须做得很薄。当电机运行频率较高时，定子绕组内部可能会产生很大的边缘电流。另外，无定子铁心AFPM电机绕组的安装难度大，对工艺要求高，需要通过添加填料的方式来固定线圈。相较于有定子铁心AFPM电机，无定子铁心AFPM电机气隙磁通密度有所下降，功率密度和转矩密度都不高，因此无定子铁心AFPM电机不适宜做成大容量电机。

根据电机的应用场合不同，无槽电机的定子可以有铁心，也可以无铁心，无槽无定子铁心AFPM电机的定子由绕组注塑而成。

无定子铁心AFPM电机的定子绕组可设计为菱形、梯形、六边形等形状，但成型工艺较为复杂。随着印制电路板（Printed Circuit Board, PCB）工艺的不断发展，无定子铁心AFPM电机的定子制作也得到了极大的简化，可以设计制作出多种形状的绕组，其气隙也更平整。在PCB轴向磁场永磁电机中，相对于集中式绕组，分布式绕组更有利于降低铜耗，提升电机性能。图1.15所示为PCB分布式绕组，有等宽和不等宽两种类型。不等宽PCB分布式绕组的输出特性更好，且更有利于降低电机温升和损耗。

3.无转子铁心

当外边双定子中间转子AFPM电机采用NS磁路结构时，可以取消转子轭部。采用嵌入式永磁体结构时，转子甚至完全不需要铁磁材料构成无转子铁心结构，轴向长度更短，更有利于提高电机的功率密度，减小转子的质量，特别适合作为伺服电机，这种结构将在本书的第3章进行介绍。

4.既无定子铁心又无转子铁心

随着高能永磁体的应用，AFPM电机的定子和转子都可以制造成无铁心结构的。完全无铁心的AFPM电机相比传统的RFPM电机，其没有铁耗，电机的质量减小了，功率密度和效率提高了。定子和转子之间不会产生通常的磁拉力，在零电枢电流状态下也不会产生齿槽转矩、转矩脉动及噪声。

既无定子铁心又无转子铁心的AFPM电机在20世纪90年代后期就被制造出来了，并应用在伺服机构、工业电机驱动、太阳能供电的电气车辆等领域，也作为计算机外围的微电动机和手机上的振动电机。既无定子铁心又无转子铁心单定子双转子AFPM电机结构如图1.16所示。转子盘由稀土永磁体和非磁性材料支撑件组成。无铁心的定子位于两个相同的转子盘之间，定子固定在机座上。定子绕组采用叠绕的方式，整个绕组嵌在机械完整性好的塑料或树脂中。

AFPM电机不能依靠过度增加电机直径来获得高的电磁转矩，但可以通过增加盘数来提高电磁转矩，如采用3盘及3盘以上的AFPM电机。无铁心电机可设计成如图1.16（b）所示的模块化结构，可以通过增加更多的模块来提高输出功率。

为了获得更高的功率和转矩密度，气隙磁通密度应尽可能大，这可以通过使用Halbach永磁体阵列来获得。Halbach永磁体阵列如图1.17所示。从图中可以看出，这种转子结构的相邻永磁体之间可以同时沿径向或切向充磁，磁化夹角一般设置为45°、60°或90°，其叠加的结果可以加强或削弱其中一侧的磁场。因此，采用Halbach永磁体阵列的电机有一种集磁效应，能够减少漏磁，使其转子背铁中的磁通密度大幅度减小，同时，提高电机的气隙磁通密度。另外，由于采用Halbach永磁体阵列的电机可以不需要转子背铁也能形成闭合磁路，因此便实现了AFPM电机定子、转子均无铁心的结构，将进一步减小电机的质量，并减小其转动惯量。但采用Halbach永磁体阵列时，永磁体的充磁及加工过程相对复杂，因此对其相关工艺提出了更高的要求。

1.2.2.3 按定子绕组形状分类

与传统径向磁场电机一样，AFPM电机使用的绕组有分布式绕组和集中绕组两种。分布式绕组又有叠绕组和波绕组两种形式。由于AFPM电机结构的多样性，电机绕组形式也多种多样，一般根据电机的拓扑结构而定。目前，轴向磁场电机常用的绕组结构大致可以分为分布式绕组、无定子铁心绕组、环形绕组（鼓形绕组）、扇形绕组（凸极绕组）和扇环形混合绕组。

1.分布式绕组

分布式绕组有单层和双层绕组两种形式，叠绕组是最基本的电机绕组形式，但轴向磁场电机采用叠绕组时槽满率较低，通常只有50%。图1.18所示为三相AFPM电机的分布式单层绕组结构图，三相分别用U、V、W表示。电机槽数z=36，极对数p=3，即电机为6极电机，相数m₁=3。电机的每相每极槽数q为

2.无定子铁心绕组

无定子铁心绕组有两种形式：由多个线圈形成的绕组，线圈用多匝绝缘的圆导体或矩形导体绕制而成；印刷绕组，也称为薄膜线圈绕组。无定子铁心绕组使用在双转子中间定子的双边结构的AFPM电机中，图1.19所示为三相8极无定子铁心双转子AFPM电机的定子绕组结构图。

在制造轴向磁场永磁电机无定子铁心绕组时，将线圈均匀分布在一个被称为轴的圆柱体支撑结构上，这个轴由非磁性和非导电性材料制成。线圈首先连接成线圈组，然后通过一定方式连接成星形或三角形绕组，同相的线圈或线圈组可以并联连接形成多条并联支路。线圈形成弯管以便在装配相同的线圈时获得更高的填充密度，同一个线圈两边的内部分别放置来自相邻线圈的一个边，如图1.19（b）所示。线圈放置在有槽的模具中，并将线圈固定在相应的位置上，通过模具将绕组、环氧树脂和硬化剂混合在一起，并将绕组固定在相应的位置上。

3.环形绕组

对于有铁心的轴向磁场电机，线圈沿电枢铁心轭部环绕，因此被称为环形绕组，也被称为鼓形绕组，还可以被称为背对背绕组，如图1.20（a）所示。图1.20（b）所示为环形绕组端部接线图。环形绕组使用在双转子中间定子的双边结构AFPM电机中，主要适用于NN磁路结构的轴向磁场电机。每相绕组有相等的线圈数，线圈反方向连接以抵消定子铁心中的磁循环。环形绕组有以下几个优点。

（1）线圈尺寸相同，便于制造，绕组槽满率可以高达80%。

（2）环形绕组结构十分简单，它可以均匀地环绕在不开槽的铁心上，也可以嵌在铁心槽中。

（3）可以灵活地选择节距，以改善电动势和磁动势波形。

（4）绕组端部很短，端部形状整齐，有利于散热和增强机械强度。

虽然环形绕组的端部比较短，可以有效降低电机的铜耗，但是铁心开槽的环形绕组电机，其铁心制造难度较大，若采用无槽定子铁心，则定子与外壳固定困难，加工难度也较大。

4.扇形绕组

对于有定子铁心的轴向磁场电机，绕在与气隙平面平行的铁心平面上的集中绕组，被称为扇形绕组或凸极绕组，如图1.21所示。扇形绕组使用在双转子中间定子的双边结构AFPM电机中，适用于NN和NS磁路结构的轴向磁场电机，也可以使用在双定子中间转子的AFPM电机中。NN磁路结构的外转子中间定子AFPM电机需要较厚的定子轭部来提供磁通路径，而对于NS磁路结构的电机，磁通不需要周向穿过中间定子轭部，轴向尺寸短，可以有效提高电机的功率密度。

5.扇环形混合绕组

采用扇环形混合绕组的电机，如图1.22所示。相对于扇形绕组缩短了端部的长度，降低了铜耗。但是绕组的固定和加工较困难，提高了电机制造成本。

定子绕组通常由表面绝缘的铜线绕制而成，导线的横截面可以是圆形的，也可以是矩形的。对于采用水冷的大功率AFPM电机，可以用空心导线。圆导线直径大于1.5mm时很难被绕制成线圈，如果电流密度太大，则推荐采用多根小直径的导线并绕，而不采用大直径的导线，定子绕组也可以采用多条并联支路。电枢绕组可以是单层的，也可以是双层的。线圈绕制好之后，必须固定好线圈的位置，避免导线移动。固定导线位置的方法有两种：一种是浸漆工艺，先将整个绕组浸在漆类材料中，然后烘干表面的溶剂；另一种是滴浸工艺，将经过精密测量、能迅速固化的无溶剂漆连续滴落到经过预热的旋转着的绕组上。