电机设计与铁心材料
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公众号EV技研作者19002019/06/26 电动汽车 IP:北京
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电机铁心不是必需的?!

 铁心是组成电机的重要部分。电机铁心是来自磁 体的磁通量的通道。然而,即使在没有铁心的情况下, 磁通量也可以在空气或真空中通过。也就是说,存在 没有铁心的电机(无铁心电机)。 不过,使用磁性材料铁心来形成磁路(磁通量的 通道),可以利用更多的磁通量。一般对于有多种性 能需求的电机,为了提高磁路的控制力,铁心尤为重要。 其中,铁心材料对于铁心设计非常重要。 作为例子,CQ 无刷电机分解如图 1 所示。

 能选择最好的材料吗?

 设计电机时,经常要在世界上存在的大量铁心材 料中选择某一种材料。 理想状况下,当然是用最好的材料制造性能最佳 的电机,现实往往不是如此。尤其是量产产品的开发, 尽管性能确实是重要的要求,但必须对成本(材料费、 加工难易度、加工设备等),电机体积、形状,以及 其他各方面制约条件进行综合判断。 实际开发的电机通常并非最佳设计。即使确信使 用这种铁心材料会带来高性能,但通常会有价格昂贵 或购入困难之类的原因,不能轻易选择。

 影响电机性能的铁心材料之间的差异

 首先从理论上思考铁心材料的选择会产生怎样的 性能差异。 铁心被认为是磁路中磁通量的流通路径。参考电 路来看,电流对应磁通量,而电压对应磁通势。 电路中,在相同电压下,电流值会因电阻值大小 不同而有所不同。同样地,磁路中,在相同磁通势(磁 体或者线圈安匝数)下,流动的磁通量会因磁阻值的 不同而不同。 用 Rm 表示磁阻,则: 

Rm = l µA = l µ0µrA 

(1) 式中,l(m)为磁路的长度;A(m2 )为磁路(磁通量 的通道)的截面积;μ 为磁导率(μ0 = 4π×10-7 为真空 中的磁导率,μr 为材料相对于 μ0 的磁导率,即相对磁 导率)。 磁路设计时,需要求取构成磁路的各个部分的磁 阻的和。 

为了抑制磁阻—磁路短而截面积大

 根据式(1)可以判断磁通量流动的难易程度。磁 阻与磁路的长度成正比,与截面积成反比。这点与电 路非常相似—电阻与导体的长度成正比,与截面积 成反比。 也有与电路的不同点。如式(1)所示,磁阻的分 母中有磁导率 μ 这一项。举例来说,真空中的 μ0 值为 4π×10-7 ,是相当大的数值(在分母中值得注意)。此 外,空气中的磁导率与真空中的磁导率几乎一样。

无铁心电机的核心 

对于无铁心电机,磁路是空气或者非磁体。也就 是说,磁阻会非常高。因此,要对磁路的形状进行设计, 尽量扩大磁极面积,缩短磁路长度。 

 有铁心的电机 

那一般的有铁心的电机又是怎样的呢? 如式(1)所示,磁路中使用铁心这样的磁性材料, 磁阻表达式的分母中乘上了材料的相对磁导率。可以 在表 1 中看具体的相对磁导率的值。 也就是说,使用无取向硅钢片的磁阻为真空中(空 气中)的 1/18 000,非晶材料则为 1/300 000。 构成磁极的磁体(钕磁体和铁氧体)的相对磁导 率为 1.05 ~ 1.10。虽然通常可能会认为磁力较强的磁 体的相对磁导率会高,事实上它的磁阻几乎与空气相 同(即磁通难以流动)。 若使用磁性材料,磁通量会变为数万、数十万倍, 

但与电路相比,其值从阻抗损耗方面来看,却并不是 很大。 磁通量在真空(空气)中也可以流动,而电流不能。 

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