摘要: 近年來，無刷直流電動機已經(jīng)在諸多領(lǐng)域得到廣泛應用，無槽無刷直流電動機也越來越多地進入人們的視野。甚至有一說法在悄然流行，碳刷直流電動機是第一代、無刷直流電動機是第二代、無槽無刷直流電動機是第三代。那么，什么是無槽無刷直流電動機呢？相對于“碳刷”、“無刷”，“無槽無刷”直流電動機有那些區(qū)別或優(yōu)點呢？本文擬結(jié)合自己近十年來，致力于無槽無刷稀土永磁直流電動機研發(fā)工作的心得，揣“拋磚引玉”之想，淺談無槽無刷電機，且僅相對無刷直流電動機而言。 關(guān)鍵詞: 無槽無刷電機、過載、電磁振動 1 無槽以后電機在制造工藝上所發(fā)生的變化 1） 由于沒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)手段才能實現(xiàn)。 3） 由于位置檢測霍爾元件不能借助槽形來確保其正確的安裝位置，因此在制造過程中，位置檢測霍爾元件相對于繞組的邏輯位置必需用專門的儀器檢測確定。 4） 就電機的整體結(jié)構(gòu)而言，其復雜程度降低了，有利于專業(yè)化生產(chǎn)。 2 電機無槽以后在產(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鐵心沖片的內(nèi)圓（外轉(zhuǎn)子電機則為外圓）結(jié)構(gòu)是齒和槽相間布置的，用槽嵌放線圈，用齒構(gòu)成磁路傳導磁通，由于齒很窄，齒磁密高，齒部發(fā)熱嚴重，因此齒部損耗大，而無槽電機沒有這部分損耗；原因之二是銅線和空氣一樣是不導磁的，磁力線穿過時磁阻很大，電機無槽以后勢必增加整個磁路的磁阻，因此，相對有槽電機而言，無槽電機的磁路較弱，自然整臺電機的渦流損耗就相對較小；原因之三是鐵心沖片取消齒槽后，擴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的電流等級，或者增加繞組的匝數(shù)以提高電機的電壓等級，或者對上述二者兼而顧之，最終實現(xiàn)比有槽電機大的功率/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，電機無槽以后效率提高是不言而喻的。 2） 重量輕，體積小：見1） 中原因之三的有關(guān)說明。 3） 過載能力強：無刷直流電動機的過載能力很強，轉(zhuǎn)矩與電流成正比，其過載能力是通過允許的過載電流來考核的。然而有槽結(jié)構(gòu)與無槽結(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，磁極無護套時就等于機械氣隙，磁極有護套時就等于機械氣隙加上護套厚度，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，這樣小的磁氣隙對繞組通電后的電樞反應的抵抗能力是有限的，所以要限制繞組過載電流的大小，以免永磁體磁極因過載電流的反充磁而去磁，導致電機功能喪失。無槽結(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，磁阻相當大，有效地扼制了過載電流的去磁作用，繞組因發(fā)熱而損壞才是限制過載電流的主要原因，所以，無槽結(jié)構(gòu)的電機瞬間過載10倍以上是常見的事，其過載能力是任何電機、其中也包括有槽無刷直流電機所無法比擬的。 4） 低振低噪、運行平穩(wěn)：原因之一是沒有槽也即是沒有齒，也就沒有常規(guī)有槽電機的“齒槽效應”——永磁體磁極在旋轉(zhuǎn)過程中因時而對齒，時而對槽所發(fā)生的高頻振動現(xiàn)象；原因之二是磁氣隙大，制造過程中形成的定、轉(zhuǎn)子的不同軸度相對于磁氣隙比率大大降低，因此有效地抑制了有槽電機中不容忽視的那種單邊磁拉力的影響，使電機得以平穩(wěn)運行；原因之三是繞組電感量小，比有槽電機低一個數(shù)量級，因此電氣時間常數(shù)小，受控時反應速度快，降低了電磁振動的程度。這些因素便是無槽電機低振低噪、運行平穩(wěn)的內(nèi)在原因。 3 可靠性分析 1） 由前述可知，無槽電機具有突出的過載能力，這可抵御使用過程中的意外事故，一般情況下電機仍能保持完好，俗言之，無槽電機抗操。 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械性能，然而，從電氣絕緣的角度來看，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，對地絕緣性能得到提高，其中，對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內(nèi)部的空隙中的，也就是說，繞組的發(fā)熱可以向電機內(nèi)部釋放（當然最終是通過機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)局部過熱的現(xiàn)象，而在有槽電機中，位于鐵心中心部槽中的繞組的過熱問題是必須考慮的，因此，被稱為電機心臟的電樞繞組，就其工作條件而言，無槽電機比有槽電機安全可靠。 4） 關(guān)于轉(zhuǎn)矩傳遞問題，是業(yè)內(nèi)人士首要關(guān)注的問題，也就是說，鐵心無槽以后，僅靠線圈與鐵心之間的結(jié)合力來傳遞電磁轉(zhuǎn)矩可靠嗎？這是不用擔心的。首先一點，無槽電機從產(chǎn)生到應用的歷史少說也超過二十年，工藝趨于成熟可靠，還未發(fā)生過此類故障；再就是通過破壞性試驗也得到證實，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行扭轉(zhuǎn)破壞，當扭矩增加到額定轉(zhuǎn)矩的60多倍時，試驗工裝開始變形失效而線圈與鐵心之間的結(jié)合仍然完好無異常。 綜上所述，無槽電機的可靠性從總體上講優(yōu)于有槽電機。 4 設計開發(fā)對策及產(chǎn)品展望 1） 問題的提出與分析：有人說無槽電機的優(yōu)良品質(zhì)是電機無槽化中磁氣隙增加以后，以增加磁鋼用量為代價所換取的。這一結(jié)論只有當電機直徑大于80mm，且轉(zhuǎn)速又小于3000r/min時，才顯得確切。在小直徑或高轉(zhuǎn)速的電機中磁鋼用量并不多，電機小到無法開槽或磁鋼用量無法減少（比如計算厚度薄而強度差時必須人為加厚）時，無槽電機反而?有優(yōu)勢。當電機直徑從80mm逐漸增加，轉(zhuǎn)速從3000r/min逐漸減少時磁鋼用量會明顯增加，下面所言設計開發(fā)對策主要是指該范圍內(nèi)的電機。 2） 設計開發(fā)對策：這里不涉及聚磁技術(shù)共性問題，僅為原理性改進，目的在于通過減少磁氣隙來減少磁鋼用量。為此，在條件允許時可以：A 采用長的鐵心和少的線圈匝數(shù)，將電機做成細長形；B 采用多極小節(jié)距線圈，壓縮電機端部長度，從而可壓縮電機長度；C 采用多線并繞，提高繞組的槽（指虛槽）滿率；D 合理選擇極弧系數(shù)，因為磁極的電角度達到120?后再往上增加時，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；E 選擇性/價比高的磁鋼，比如采用N38SH比采用N33SH時成本降低，盡管前者的價格明顯高于后者。 3） 產(chǎn)品展望：無槽無刷永磁直流電動機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，從江西喜泰電機有限開發(fā)應用的100多種產(chǎn)品的情況來看，產(chǎn)品性能比較優(yōu)勢明顯，用戶反應好，需求呼聲高，多領(lǐng)域應用勢頭很旺；從技術(shù)層面來講，這些產(chǎn)品的功率范圍5W∽22kW，電流范圍1A∽120A，電壓范圍12V∽480V，機座號范圍φ34∽φ360，足以和傳統(tǒng)無刷直流電機現(xiàn)有產(chǎn)品范圍相提并論，其應用領(lǐng)域遍及各行各業(yè)。故而，在與傳統(tǒng)無刷直流電機選型對比中屢屢被優(yōu)先采用，市場占有率越來越高。尤其在全球資源倍感緊缺的今天，無槽無刷永磁直流電動機效率高、體積小所帶動的節(jié)能、降耗效益會越來越被人們重視。我相信，無刷電機無槽化是大勢所趨，是發(fā)展方向。