面向超薄应用的C型SMC定子横向与轴向磁通永磁电机新架构

《IEEE Transactions on Industrial Electronics》：Transverse- and Axial-Flux Permanent Magnet Machine With C-Type SMC Stator: A Solution for Ultra-Flat Applications

为解决工业应用（如水泵）中系统尺寸缩减的难题，研究人员开展了一项关于超薄型横向与轴向磁通永磁电机（T-AFPM）的研究。该研究提出采用C型软磁复合材料（SMC）定子核心和無铁心转子结构，通过三维有限元分析（3-D-FEA）和原型实验验证，实现了轴向长度仅19.7 mm的极扁平设计，输出功率超过700 W，效率达到IE5等级，并具备高机械强度和低轴向力等优势，为紧凑型工业驱动系统提供了创新解决方案。

　　

在工业自动化和牵引应用等领域，对电气设备的扁平化需求日益增长，以期减小系统整体尺寸。特别是像水泵这类大批量生产的应用场景，不仅要求电机具备超薄外形（轴向长度小于20 mm），还需要在高转速下实现高效率和足够的输出功率（如700 W）。然而，传统的径向磁通永磁电机（RFPM）因存在不产生扭矩的轴向线圈端部，难以满足极扁平化的要求。轴向磁通永磁电机（AFPM）虽然因其扁平外形和高扭矩密度而受到关注，但传统的单定子单转子（SSSR）、双定子单转子（DSSR）和单定子双转子（SSDR）等AFPM结构在追求超薄设计（轴向长度<20 mm）时，面临着一系列挑战：SSSR结构会产生巨大的轴向电磁力，导致噪音和机械损耗，尤其在高速区域；DSSR结构的定子背铁过于薄弱，制造难度大；SSDR结构则存在多个气隙增加轴向长度、永磁体（PM）过薄易退磁以及转子涡流损耗大等问题。此外，超薄设计往往意味着更大的转子直径，这会给机械强度带来严峻考验，转子偏心也更容易导致定转子接触故障。因此，开发一种兼具超薄外形、高效率和良好可制造性的新型电机结构成为亟待突破的技术瓶颈。

为了应对上述挑战，发表在《IEEE Transactions on Industrial Electronics》上的这项研究，提出了一种创新的横向与轴向磁通永磁电机（T-AFPM），其核心是采用了C型的软磁复合材料（SMC）定子。这种设计巧妙地融合了横向磁通电机（TFPM）和轴向磁通电机的特点，旨在实现轴向长度仅19.7毫米的极扁平结构，同时保证高性能和高可靠性。

研究人员为验证所提T-AFPM的优越性，主要运用了以下几项关键技术方法：首先，通过三维有限元分析（3-D-FEA）对提出的T-AFPM与两种不同绕组结构（圆线和矩形线）的DSSR-AFPM以及SSSR-AFPM进行了详细的电磁特性、机械强度和损耗对比。其次，基于优化设计参数（如永磁体厚度、定子轭厚度等）制作了T-AFPM的原理样机。最后，利用扭矩测量仪和功率分析仪等设备，对样机的反电势、扭矩特性、效率图谱以及温升进行了实验测量，并与仿真结果进行对比验证，所有模型均约束在相同的机器体积、永磁体重量和轴向长度下。

结构差异与尺寸优势分析

研究首先从结构上剖析了传统AFPMs在超薄形态下的固有缺陷。T-AFPM的C型定子结构使得定子芯和永磁体都可以做得更厚（定子轭厚度t_{yoke_s}为4.0 mm，永磁体厚度t_pm为3.7 mm），相比DSSR-AFPMs（t_{yoke_s}和t_pm均为1.5 mm）显著提高了可制造性和抗退磁能力。同时，T-AFPM在轴向是对称结构，有效避免了SSSR-AFPM存在的巨大单向轴向力问题。通过对纵横比k（k = L/D，L为轴向长度，D为外径）的调研发现，大多数现有AFPMs的k值在0.2-0.4之间，而本研究中的T-AFPM的k值低至0.12（L=19.7 mm, D=160 mm），在 surveyed 的文献中具有最短的轴向长度和最低的纵横比，证明了其极扁平特性。

扭矩性能与功率因数

通过3-D-FEA对比了四种模型在6000 rpm和4.0 A_rms/mm2电流密度下的扭矩波形。DSSR-AFPM-1（圆线绕组）平均扭矩最小且转矩脉动最大。DSSR-AFPM-2（矩形线绕组）因磁动势最高而扭矩最大。提出的T-AFPM平均扭矩为1.11 N·m，能满足700 W的输出功率要求，与SSSR-AFPM扭矩水平接近。分析表明，扭矩因子T_fct（T_fct= B_g× S_pm× F，其中B_g为气隙磁密，S_pm为永磁体表面积，F为磁动势）与平均扭矩趋势一致。虽然T-AFPM的S_pm较小，但其较厚的永磁体带来了更高的B_g（计算值约0.53 T，FEA验证为0.56 T），补偿了表面积的不足。T-AFPM的功率因数（0.71）相对较低（SSSR-AFPM为0.9，DSSR-AFPM-1为0.93，DSSR-AFPM-2为0.85），源于C型芯旁的漏磁，但这在通用变频器应用中可以接受。T-AFPM同时实现了最低的扭矩脉动。

机械强度与轴向力

结构分析显示，在6000 rpm转速下，DSSR-AFPM转子上的最大冯·米塞斯应力接近其SUS304材料屈服点（205 MPa），而T-AFPM因转子直径较小（105.8 mm vs. 传统AFPMs的152 mm），具有足够的安全系数。T-AFPM转子可接受的偏心角偏差极限（1.08°）也比传统AFPMs（0.75°）高出44%，稳定性和可制造性更优。轴向力方面，SSSR-AFPM由于轴向不对称产生了高达250 N的轴向力，而T-AFPM和DSSR-AFPM因对称结构有效抑制了轴向力。

损耗与效率

损耗分析是本研究的关键。T-AFPM的矩形绕组几乎无磁通穿过，因此绕组涡流损耗极低（4.2 W）。相比之下，DSSR-AFPM-2的矩形绕组因靠近永磁体，有大量漏磁穿过，导致巨大的涡流损耗。在6000 rpm和4.0 A_rms/mm2条件下，T-AFPM的总损耗比DSSR-AFPM-1高30.1%，但两者总损耗与输入功率的比值相同。SSSR-AFPM效率最高，但其损耗主要集中在转子，高速连续运行时温升风险大。T-AFPM在整个速度范围内均表现出高效率和低转子损耗，适合高速连续运行。实验测得的T-AFPM最高效率为89.5%（仿真为91.3%），达到了IE5超高效等级，并在700 W输出点满足要求。

抗退磁能力

由于采用了剩磁较低（约0.8 T）的钕粘结永磁体（Nd-bonded PM），抗退磁能力至关重要。仿真表明，DSSR-AFPMs因永磁体薄（1.5 mm），最大不可逆退磁比率较高（DSSR-AFPM-1为2.48%，DSSR-AFPM-2为5.15%）。T-AFPM凭借较厚的永磁体（3.7 mm）和更宽的齿面，退磁比率最低，且在施加超过额定值的d轴电流时，磁链减少最小，表现出最优的抗退磁性能。

实验验证

制作的T-AFPM原型机验证了设计的可行性。空载反电势波形与3-D-FEA结果高度吻合。扭矩-电流密度特性与仿真趋势一致，证明了其满足扭矩要求。虽然实测扭矩波形脉动比仿真略大，归因于SMC芯切割高度差异和粘接剂变化，但这在量产时可通过模具压制改善。实测效率图谱趋势与仿真一致，虽因PWM谐波（开关频率10 kHz）导致铁损增加，效率略有下降，但在高速高扭矩区仍达到了IE5级效率。热测试表明，在额定点（6000 rpm, 4.0 A_rms/mm2）连续运行1小时后，电机各部分温度达到稳定，线圈间最高温度约48.7°C，转子温度低于40°C，证明了无冷却系统下连续运行的能力。

综上所述，本研究通过创新的C型SMC定子T-AFPM结构，成功解决了超薄AFPMs在可制造性、机械强度、效率、损耗和抗退磁等方面面临的难题。全面的仿真对比和实验验证表明，该电机在轴向长度仅19.7 mm的极扁平条件下，实现了超过700 W的输出功率、IE5级的高效率、良好的机械稳定性和热性能。其对称结构抑制了轴向力，较小的转子直径提升了机械鲁棒性，独特的磁路设计有效降低了绕组涡流损耗。尽管功率因数相对较低，但在目标应用场景下不影响使用。这项研究为工业领域迫切需要紧凑化驱动解决方案的场合（如水泵）提供了一种高性能、高可靠性的新型电机技术路径，具有重要的工程应用价值和推广前景。