摘要: 近年來(lái)，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)已經(jīng)在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，無(wú)槽無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)也越來(lái)越多地進(jìn)入人們的視野。甚至有一說(shuō)法在悄然流行，碳刷直流電動(dòng)機(jī)是第一代、無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是第二代、無(wú)槽無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是第三代。那么，什么是無(wú)槽無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)呢？相對(duì)于“碳刷”、“無(wú)刷”，“無(wú)槽無(wú)刷”直流電動(dòng)機(jī)有那些區(qū)別或優(yōu)點(diǎn)呢？本文擬結(jié)合自己近十年來(lái)，致力于無(wú)槽無(wú)刷稀土永磁直流電動(dòng)機(jī)研發(fā)工作的心得，揣“拋磚引玉”之想，淺談無(wú)槽無(wú)刷電機(jī)，且僅相對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)而言。 關(guān)鍵詞: 無(wú)槽無(wú)刷電機(jī)、過(guò)載、電磁振動(dòng) 1 無(wú)槽以后電機(jī)在制造工藝上所發(fā)生的變化 1） 由于沒(méi)有了嵌放電樞線圈的槽形，所以必須將電樞繞組制作成整體式圓筒形結(jié)構(gòu)——筒形線圈，然后將其安放到光滑的電樞鐵心圓環(huán)面上。 2） 由于沒(méi)有承受電磁轉(zhuǎn)矩的槽形，因此要求筒形線圈的整體性好，強(qiáng)度高，與電樞鐵心的結(jié)合牢固，這必然要使用特殊技術(shù)手段才能實(shí)現(xiàn)。 3） 由于位置檢測(cè)霍爾元件不能借助槽形來(lái)確保其正確的安裝位置，因此在制造過(guò)程中，位置檢測(cè)霍爾元件相對(duì)于繞組的邏輯位置必需用專(zhuān)門(mén)的儀器檢測(cè)確定。 4） 就電機(jī)的整體結(jié)構(gòu)而言，其復(fù)雜程度降低了，有利于專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)。 2 電機(jī)無(wú)槽以后在產(chǎn)品性能上所發(fā)生的變化 1） 效率高：原因之一是有槽電機(jī)鐵心沖片的內(nèi)圓（外轉(zhuǎn)子電機(jī)則為外圓）結(jié)構(gòu)是齒和槽相間布置的，用槽嵌放線圈，用齒構(gòu)成磁路傳導(dǎo)磁通，由于齒很窄，齒磁密高，齒部發(fā)熱嚴(yán)重，因此齒部損耗大，而無(wú)槽電機(jī)沒(méi)有這部分損耗；原因之二是銅線和空氣一樣是不導(dǎo)磁的，磁力線穿過(guò)時(shí)磁阻很大，電機(jī)無(wú)槽以后勢(shì)必增加整個(gè)磁路的磁阻，因此，相對(duì)有槽電機(jī)而言，無(wú)槽電機(jī)的磁路較弱，自然整臺(tái)電機(jī)的渦流損耗就相對(duì)較??；原因之三是鐵心沖片取消齒槽后，擴(kuò)大了繞組的布置空間，這就可以或者加粗銅線的截面以提高電機(jī)的電流等級(jí)，或者增加繞組的匝數(shù)以提高電機(jī)的電壓等級(jí)，或者對(duì)上述二者兼而顧之，最終實(shí)現(xiàn)比有槽電機(jī)大的功率/體積比而損耗卻變化不大，同樣大小的損耗，功率大者效率自然高；所以，電機(jī)無(wú)槽以后效率提高是不言而喻的。 2） 重量輕，體積小：見(jiàn)1） 中原因之三的有關(guān)說(shuō)明。 3） 過(guò)載能力強(qiáng)：無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力很強(qiáng)，轉(zhuǎn)矩與電流成正比，其過(guò)載能力是通過(guò)允許的過(guò)載電流來(lái)考核的。然而有槽結(jié)構(gòu)與無(wú)槽結(jié)構(gòu)相比，區(qū)別還是較大的，由于有槽結(jié)構(gòu)磁氣隙小，磁極無(wú)護(hù)套時(shí)就等于機(jī)械氣隙，磁極有護(hù)套時(shí)就等于機(jī)械氣隙加上護(hù)套厚度，單邊磁氣隙隨產(chǎn)品大小不同其可尋數(shù)據(jù)在0.04∽0.80毫米范圍內(nèi)變化，這樣小的磁氣隙對(duì)繞組通電后的電樞反應(yīng)的抵抗能力是有限的，所以要限制繞組過(guò)載電流的大小，以免永磁體磁極因過(guò)載電流的反充磁而去磁，導(dǎo)致電機(jī)功能喪失。無(wú)槽結(jié)構(gòu)則不同，單邊磁氣隙隨產(chǎn)品大小不同其可尋數(shù)據(jù)在3∽12毫米范圍內(nèi)變化，磁阻相當(dāng)大，有效地扼制了過(guò)載電流的去磁作用，繞組因發(fā)熱而損壞才是限制過(guò)載電流的主要原因，所以，無(wú)槽結(jié)構(gòu)的電機(jī)瞬間過(guò)載10倍以上是常見(jiàn)的事，其過(guò)載能力是任何電機(jī)、其中也包括有槽無(wú)刷直流電機(jī)所無(wú)法比擬的。 4） 低振低噪、運(yùn)行平穩(wěn)：原因之一是沒(méi)有槽也即是沒(méi)有齒，也就沒(méi)有常規(guī)有槽電機(jī)的“齒槽效應(yīng)”——永磁體磁極在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中因時(shí)而對(duì)齒，時(shí)而對(duì)槽所發(fā)生的高頻振動(dòng)現(xiàn)象；原因之二是磁氣隙大，制造過(guò)程中形成的定、轉(zhuǎn)子的不同軸度相對(duì)于磁氣隙比率大大降低，因此有效地抑制了有槽電機(jī)中不容忽視的那種單邊磁拉力的影響，使電機(jī)得以平穩(wěn)運(yùn)行；原因之三是繞組電感量小，比有槽電機(jī)低一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此電氣時(shí)間常數(shù)小，受控時(shí)反應(yīng)速度快，降低了電磁振動(dòng)的程度。這些因素便是無(wú)槽電機(jī)低振低噪、運(yùn)行平穩(wěn)的內(nèi)在原因。 3 可靠性分析 1） 由前述可知，無(wú)槽電機(jī)具有突出的過(guò)載能力，這可抵御使用過(guò)程中的意外事故，一般情況下電機(jī)仍能保持完好，俗言之，無(wú)槽電機(jī)抗操。 2） 由前述可知，繞組制作成整體式圓筒形結(jié)構(gòu)，為的是提高其整體機(jī)械性能，然而，從電氣絕緣的角度來(lái)看，屬填充式及整體包封的絕緣結(jié)構(gòu)，匝間絕緣性能更加可靠，對(duì)地絕緣性能得到提高，其中，對(duì)地絕緣電阻值要求可承受加倍考核。 3） 由前述可知，筒形線圈是安放在光滑的電樞鐵心圓環(huán)（柱）面上的，除部分接觸面外，繞組大部分外表面是裸露在電機(jī)內(nèi)部的空隙中的，也就是說(shuō)，繞組的發(fā)熱可以向電機(jī)內(nèi)部釋放（當(dāng)然最終是通過(guò)機(jī)殼與空氣的接觸取得熱平衡），從而降低自身的溫度梯度，避免了繞組出現(xiàn)局部過(guò)熱的現(xiàn)象，而在有槽電機(jī)中，位于鐵心中心部槽中的繞組的過(guò)熱問(wèn)題是必須考慮的，因此，被稱(chēng)為電機(jī)心臟的電樞繞組，就其工作條件而言，無(wú)槽電機(jī)比有槽電機(jī)安全可靠。 4） 關(guān)于轉(zhuǎn)矩傳遞問(wèn)題，是業(yè)內(nèi)人士首要關(guān)注的問(wèn)題，也就是說(shuō)，鐵心無(wú)槽以后，僅靠線圈與鐵心之間的結(jié)合力來(lái)傳遞電磁轉(zhuǎn)矩可靠嗎？這是不用擔(dān)心的。首先一點(diǎn)，無(wú)槽電機(jī)從產(chǎn)生到應(yīng)用的歷史少說(shuō)也超過(guò)二十年，工藝趨于成熟可靠，還未發(fā)生過(guò)此類(lèi)故障；再就是通過(guò)破壞性試驗(yàn)也得到證實(shí)，其可靠程度是非常高的，我們把電樞加熱后將鐵心和筒形線圈分別夾持住進(jìn)行扭轉(zhuǎn)破壞，當(dāng)扭矩增加到額定轉(zhuǎn)矩的60多倍時(shí)，試驗(yàn)工裝開(kāi)始變形失效而線圈與鐵心之間的結(jié)合仍然完好無(wú)異常。 綜上所述，無(wú)槽電機(jī)的可靠性從總體上講優(yōu)于有槽電機(jī)。 4 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)對(duì)策及產(chǎn)品展望 1） 問(wèn)題的提出與分析：有人說(shuō)無(wú)槽電機(jī)的優(yōu)良品質(zhì)是電機(jī)無(wú)槽化中磁氣隙增加以后，以增加磁鋼用量為代價(jià)所換取的。這一結(jié)論只有當(dāng)電機(jī)直徑大于80mm，且轉(zhuǎn)速又小于3000r/min時(shí)，才顯得確切。在小直徑或高轉(zhuǎn)速的電機(jī)中磁鋼用量并不多，電機(jī)小到無(wú)法開(kāi)槽或磁鋼用量無(wú)法減少（比如計(jì)算厚度薄而強(qiáng)度差時(shí)必須人為加厚）時(shí)，無(wú)槽電機(jī)反而?有優(yōu)勢(shì)。當(dāng)電機(jī)直徑從80mm逐漸增加，轉(zhuǎn)速?gòu)?000r/min逐漸減少時(shí)磁鋼用量會(huì)明顯增加，下面所言設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)對(duì)策主要是指該范圍內(nèi)的電機(jī)。 2） 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)對(duì)策：這里不涉及聚磁技術(shù)共性問(wèn)題，僅為原理性改進(jìn)，目的在于通過(guò)減少磁氣隙來(lái)減少磁鋼用量。為此，在條件允許時(shí)可以：A 采用長(zhǎng)的鐵心和少的線圈匝數(shù)，將電機(jī)做成細(xì)長(zhǎng)形；B 采用多極小節(jié)距線圈，壓縮電機(jī)端部長(zhǎng)度，從而可壓縮電機(jī)長(zhǎng)度；C 采用多線并繞，提高繞組的槽（指虛槽）滿(mǎn)率；D 合理選擇極弧系數(shù)，因?yàn)榇艠O的電角度達(dá)到120?后再往上增加時(shí)，其增加部分所起的作用與所增加的體積相比，顯得很不經(jīng)濟(jì)；E 選擇性/價(jià)比高的磁鋼，比如采用N38SH比采用N33SH時(shí)成本降低，盡管前者的價(jià)格明顯高于后者。 3） 產(chǎn)品展望：無(wú)槽無(wú)刷永磁直流電動(dòng)機(jī)是為軍事需要而誕生的，隨著電子技術(shù)和永磁材料的不斷發(fā)展，如今已在民用事業(yè)中嶄露頭角，從江西喜泰電機(jī)有限開(kāi)發(fā)應(yīng)用的100多種產(chǎn)品的情況來(lái)看，產(chǎn)品性能比較優(yōu)勢(shì)明顯，用戶(hù)反應(yīng)好，需求呼聲高，多領(lǐng)域應(yīng)用勢(shì)頭很旺；從技術(shù)層面來(lái)講，這些產(chǎn)品的功率范圍5W∽22kW，電流范圍1A∽120A，電壓范圍12V∽480V，機(jī)座號(hào)范圍φ34∽φ360，足以和傳統(tǒng)無(wú)刷直流電機(jī)現(xiàn)有產(chǎn)品范圍相提并論，其應(yīng)用領(lǐng)域遍及各行各業(yè)。故而，在與傳統(tǒng)無(wú)刷直流電機(jī)選型對(duì)比中屢屢被優(yōu)先采用，市場(chǎng)占有率越來(lái)越高。尤其在全球資源倍感緊缺的今天，無(wú)槽無(wú)刷永磁直流電動(dòng)機(jī)效率高、體積小所帶動(dòng)的節(jié)能、降耗效益會(huì)越來(lái)越被人們重視。我相信，無(wú)刷電機(jī)無(wú)槽化是大勢(shì)所趨，是發(fā)展方向。