摘 要：介绍了轮用轴向磁场无铁心无刷永磁盘式电机的结构形式，探讨了这种新电机的设计特点，重点解决了电机主要尺寸确定和磁路分析计算问题，最后给出了一种磁极形状和线圈形状的优选方案。
关键词：轴向磁场；无铁心；无刷；盘式电机
1 引 言
传统永磁电机将绕组按一定规律嵌放在铁心槽中。这样，电机运行时，由于齿槽效应，电磁转矩会产生脉动。因此，人们研制了无槽式永磁电机，使转矩脉动大为改善。但是，由于铁心的存在，转动惯量大、响应速度慢、换向性能不理想（绕组电感较大）等问题依然存在，且轴向尺寸长，还严重限制了电机在多数具有薄型安装场合的应用。为此，以压缩轴向尺寸为目标，改传统电机中的径向磁场结构为轴向磁场结构，无铁心永磁盘式直流电动机得以研制。这种电机结构简单，控制灵活，换向性能好，特别适合于薄型安装场合，虽然在汽车、仪表、电动工具、电动车辆驱动中有广泛应用，但仍然存在电刷维护与经济调速等问题。在此基础上，为实现零维护和调速控制，本文研究无铁心无刷永磁盘式电机。这类电机在电力助动车驱动领域有广泛需求及应用前景。
然而，作为一种新型微特电机，轴向磁场无铁心无刷永磁盘式电机首先要解决设计理论与方法问题，要尽量缩小与有铁心电机绕组定位准确和节省永磁材料等方面的差距，充分展示独有的技术特点和性能优势。这也是本文讨论的重点。
2 基本结构和原理
为克服单边磁拉力，减少漏磁，设计目标拟定为双转子结构的轴向磁场无铁心无刷永磁盘式电机，其结构示意如图1所示。双转子和单定子构成双气隙；电枢无槽无铁心，由绕组注塑而成；转子由高性能永磁材料与钢板粘接。主磁路从一个极出发，轴向穿过气隙和与之相对的另一极，沿周向经过转子轭，再穿过相邻的磁极和轴向气隙，最后沿转子轭部闭合，如图2所示。控制器根据位置传感器检测的转子位置信号，触发相应的电子开关元件，给电枢供电。径向通电导体在轴向磁场的作用下产生切向电磁力，驱动转子旋转。分析表明，采用双边磁体结构，气隙磁密比单边磁体结构高出10％左右，并且可改善极面下磁密分布的均匀性
[1]。即双转子结构可以更充分地利用永磁材料，这有利于提高电机性能、降低成本和缩小体积。此外，转子旋转时磁极具有风扇作用，还有利于电机的散热。
3 基本设计法则
3．1 空载工作点的确定
轴向磁场无铁心无刷永磁盘式电机的气隙较长，磁路一般不饱和，磁轭中的磁位差可以忽略，同时亦可忽略电枢反应，并视气隙磁场计算面积与磁极截面积相等。对于退磁曲线可近似线性化处理的永磁材料，气隙磁通密度Bδ可给出为：
式中Br——永磁体剩磁密度
μr——相对回复磁导率
lδ——气隙总长度
hm——磁体厚度
σ——漏磁系数，定义为总磁通与气隙主磁通之比
3．2 基本电磁关系
轴向磁场无铁心无刷永磁盘式电机的电枢绕组是在极平面内呈均匀分布的。考察导体微元dr，其位置可用半径r和极角θ描述，如图3所示。记气隙磁密基波为Bmlsin（pθ），机械角速度为Ω，在微元中产生的电动势为：
式中，Bδav是一个极距下的气隙磁密平均值，它与Bml的关系为Bδav＝2Bml／π；Dmi和Dmo分别为磁极平均内外径；Φ为每极气隙磁通；f为频率。
设相绕组串联总匝数为N，则相反电动势为：
与交流电机在正弦磁场分布情况下的绕组相电动势结论一致。设相电流为IΦ，相数为m，则电磁功率为：
式中，n为电机转速（r／min）；Amax为线负荷最大值（A／m），取值在Dmi处Amax＝2mNIΦ／（πDmi）。
3．3 磁极尺寸的确定
当外径Dmo和最大电负荷Amax一定时，可以通过确定最佳直径比（γ＝Dmo／Dmi）获得盘式电机最大输出功率。
(6)
上式对γ微分，可知当γ=时，Pem最大。[2]在实际设计时，直径比的选择还应综合考虑用铜量、效率、漏磁等因素。对于小型电机一般选取1．6左右。
在磁极内外径确定以后，关键的问题是如何选用永磁体厚度。分析表明，HmBm最大时，永磁体的利用最经济。进一步可知Bm＝Br／2。对于钕铁硼永磁材料可近似有μrμ0≈μ0，而忽略漏磁时有Bδ≈Bm，则根据式（1），可得理想情况下，当lδ＝hm时，永磁体可得以最经济利用。但设计中，综合考虑，通常经验选取lδ＜hm。
4 磁极和线圈设计
4．1 极数和磁体间距
当磁体间距与极距呈比例时，较少的极数使极间距离增加，漏磁减少。但是对于一定的电枢导体数，极数少的电机端接部分较长，致使用铜量增加，电枢绕组铜损耗加大，效率降低。因此，为提高效率，对转速较低的轴向磁场无铁心无刷永磁盘式电机采用较多的极数，随着转速的增加可以适当减少极数。需要说明的是，极数增多时，电子器件换向损耗会有所增加，但影响不显著。综合考虑以上因素，设计时一般选为8～14极。
电机极数和磁体尺寸确定后，增大磁体间距有利于减少漏磁，但引起每极磁通量降低，而磁通的降低又会导致匝数和气隙长度的增加。从优化设计角度考虑，选取磁极厚度的1．2～1．8倍较为合适。
4．2 磁极形状和线圈形状设计
轴向磁场永磁盘式电机转子磁极大多采用扇形或圆柱形结构。扇形磁极可以充分利用空间[3]，但不便加工；圆柱形磁极虽加工方便，但空间利用率低。为此，我们希望找到一种磁极形状，既便于加工，又能较充分利用空间。结果表明，图4实线所示的磁极形状基本可以满足这些要求。
相应的线圈形状如图5所示，以满足最薄型盘式电枢设计要求[4]。采用以上结构还具有以下优点：
（1）相对扇形磁极，该磁极形状可以更充分地利用永磁体。为保证电枢绕组在磁极部分双层无重叠，磁极内外径以外部分必须做成弧形，以完全包围磁极并尽量减少用铜量，而这正好与磁极在内外径处的圆弧形状相匹配。
（2）相对于扇形线圈，该线圈结构在外径处无冗余，在内径处重叠相对较少，并可实现双层无交叉均匀叠放。电枢盘加工方便，铜导线利用率高。
采用以上结构的电枢示意图如图6所示。
5 结 语
根据分析结果，作者设计了一个轴向磁场无铁心无刷永磁盘式电动机方案（电磁设计方案见表1，磁极尺寸示意图如图7所示），并成功研制了多台样机，获得了令人满意的试验结果。在样机制作中，为了进一步减少漏磁，转子采用铝材制作边墙。线圈由酚醛塑料浇注成型。位置检测采用直接漏磁通方法，即在临近主磁极下的电枢盘上安装位置传感器。实验结果表明，漏磁场的灵敏度是足够的。感谢湖北三环集团亿州微特电机有限公司对样机研制的大力支持和通力合作。
摘 要：介绍了轮用轴向磁场无铁心无刷永磁盘式电机的结构形式，探讨了这种新电机的设计特点，重点解决了电机主要尺寸确定和磁路分析计算问题，最后给出了一种磁极形状和线圈形状的优选方案。
关键词：轴向磁场；无铁心；无刷；盘式电机
1 引 言
传统永磁电机将绕组按一定规律嵌放在铁心槽中。这样，电机运行时，由于齿槽效应，电磁转矩会产生脉动。因此，人们研制了无槽式永磁电机，使转矩脉动大为改善。但是，由于铁心的存在，转动惯量大、响应速度慢、换向性能不理想（绕组电感较大）等问题依然存在，且轴向尺寸长，还严重限制了电机在多数具有薄型安装场合的应用。为此，以压缩轴向尺寸为目标，改传统电机中的径向磁场结构为轴向磁场结构，无铁心永磁盘式直流电动机得以研制。这种电机结构简单，控制灵活，换向性能好，特别适合于薄型安装场合，虽然在汽车、仪表、电动工具、电动车辆驱动中有广泛应用，但仍然存在电刷维护与经济调速等问题。在此基础上，为实现零维护和调速控制，本文研究无铁心无刷永磁盘式电机。这类电机在电力助动车驱动领域有广泛需求及应用前景。
然而，作为一种新型微特电机，轴向磁场无铁心无刷永磁盘式电机首先要解决设计理论与方法问题，要尽量缩小与有铁心电机绕组定位准确和节省永磁材料等方面的差距，充分展示独有的技术特点和性能优势。这也是本文讨论的重点。
2 基本结构和原理
为克服单边磁拉力，减少漏磁，设计目标拟定为双转子结构的轴向磁场无铁心无刷永磁盘式电机，其结构示意如图1所示。双转子和单定子构成双气隙；电枢无槽无铁心，由绕组注塑而成；转子由高性能永磁材料与钢板粘接。主磁路从一个极出发，轴向穿过气隙和与之相对的另一极，沿周向经过转子轭，再穿过相邻的磁极和轴向气隙，最后沿转子轭部闭合，如图2所示。控制器根据位置传感器检测的转子位置信号，触发相应的电子开关元件，给电枢供电。径向通电导体在轴向磁场的作用下产生切向电磁力，驱动转子旋转。分析表明，采用双边磁体结构，气隙磁密比单边磁体结构高出10％左右，并且可改善极面下磁密分布的均匀性
[1]。即双转子结构可以更充分地利用永磁材料，这有利于提高电机性能、降低成本和缩小体积。此外，转子旋转时磁极具有风扇作用，还有利于电机的散热。
3 基本设计法则
3．1 空载工作点的确定
轴向磁场无铁心无刷永磁盘式电机的气隙较长，磁路一般不饱和，磁轭中的磁位差可以忽略，同时亦可忽略电枢反应，并视气隙磁场计算面积与磁极截面积相等。对于退磁曲线可近似线性化处理的永磁材料，气隙磁通密度Bδ可给出为：
式中Br——永磁体剩磁密度
μr——相对回复磁导率
lδ——气隙总长度
hm——磁体厚度
σ——漏磁系数，定义为总磁通与气隙主磁通之比
3．2 基本电磁关系
轴向磁场无铁心无刷永磁盘式电机的电枢绕组是在极平面内呈均匀分布的。考察导体微元dr，其位置可用半径r和极角θ描述，如图3所示。记气隙磁密基波为Bmlsin（pθ），机械角速度为Ω，在微元中产生的电动势为：
式中，Bδav是一个极距下的气隙磁密平均值，它与Bml的关系为Bδav＝2Bml／π；Dmi和Dmo分别为磁极平均内外径；Φ为每极气隙磁通；f为频率。
设相绕组串联总匝数为N，则相反电动势为：
与交流电机在正弦磁场分布情况下的绕组相电动势结论一致。设相电流为IΦ，相数为m，则电磁功率为：
式中，n为电机转速（r／min）；Amax为线负荷最大值（A／m），取值在Dmi处Amax＝2mNIΦ／（πDmi）。
3．3 磁极尺寸的确定
当外径Dmo和最大电负荷Amax一定时，可以通过确定最佳直径比（γ＝Dmo／Dmi）获得盘式电机最大输出功率。
(6)
上式对γ微分，可知当γ=时，Pem最大。[2]在实际设计时，直径比的选择还应综合考虑用铜量、效率、漏磁等因素。对于小型电机一般选取1．6左右。
在磁极内外径确定以后，关键的问题是如何选用永磁体厚度。分析表明，HmBm最大时，永磁体的利用最经济。进一步可知Bm＝Br／2。对于钕铁硼永磁材料可近似有μrμ0≈μ0，而忽略漏磁时有Bδ≈Bm，则根据式（1），可得理想情况下，当lδ＝hm时，永磁体可得以最经济利用。但设计中，综合考虑，通常经验选取lδ＜hm。
4 磁极和线圈设计
4．1 极数和磁体间距
当磁体间距与极距呈比例时，较少的极数使极间距离增加，漏磁减少。但是对于一定的电枢导体数，极数少的电机端接部分较长，致使用铜量增加，电枢绕组铜损耗加大，效率降低。因此，为提高效率，对转速较低的轴向磁场无铁心无刷永磁盘式电机采用较多的极数，随着转速的增加可以适当减少极数。需要说明的是，极数增多时，电子器件换向损耗会有所增加，但影响不显著。综合考虑以上因素，设计时一般选为8～14极。
电机极数和磁体尺寸确定后，增大磁体间距有利于减少漏磁，但引起每极磁通量降低，而磁通的降低又会导致匝数和气隙长度的增加。从优化设计角度考虑，选取磁极厚度的1．2～1．8倍较为合适。
4．2 磁极形状和线圈形状设计
轴向磁场永磁盘式电机转子磁极大多采用扇形或圆柱形结构。扇形磁极可以充分利用空间[3]，但不便加工；圆柱形磁极虽加工方便，但空间利用率低。为此，我们希望找到一种磁极形状，既便于加工，又能较充分利用空间。结果表明，图4实线所示的磁极形状基本可以满足这些要求。
相应的线圈形状如图5所示，以满足最薄型盘式电枢设计要求[4]。采用以上结构还具有以下优点：
（1）相对扇形磁极，该磁极形状可以更充分地利用永磁体。为保证电枢绕组在磁极部分双层无重叠，磁极内外径以外部分必须做成弧形，以完全包围磁极并尽量减少用铜量，而这正好与磁极在内外径处的圆弧形状相匹配。
（2）相对于扇形线圈，该线圈结构在外径处无冗余，在内径处重叠相对较少，并可实现双层无交叉均匀叠放。电枢盘加工方便，铜导线利用率高。
采用以上结构的电枢示意图如图6所示。
5 结 语
根据分析结果，作者设计了一个轴向磁场无铁心无刷永磁盘式电动机方案（电磁设计方案见表1，磁极尺寸示意图如图7所示），并成功研制了多台样机，获得了令人满意的试验结果。在样机制作中，为了进一步减少漏磁，转子采用铝材制作边墙。线圈由酚醛塑料浇注成型。位置检测采用直接漏磁通方法，即在临近主磁极下的电枢盘上安装位置传感器。实验结果表明，漏磁场的灵敏度是足够的。感谢湖北三环集团亿州微特电机有限公司对样机研制的大力支持和通力合作。