无铁心电机的工作原理及制造
EV技研
公众号EV技研作者1900 2019-11-4 电动汽车
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电动汽车


在弗莱明定则下产生转矩 

无铁心电机是在弗莱明定则下产生转矩的,是原 理简单的电机。磁场中的导体在电流通过时产生力。转动的电机会产生下列现象。

(1)转动的电机总是在线圈上产生感应电压 电机转动的时候,转子的永磁体产生的磁通量切 割线圈(导体),产生感应电力而形成电压(感应电压), 这就是弗莱明右手定则。这里的感应电压,在电机转 动的过程中,无论对线圈是否施加电压都会产生。

 (2)通过从线圈的感应电压中获得的电流实现再生 电机转动,线圈产生感应电压,从中获取电流时, 根据弗莱明右手定则,起到发电机的作用,电机的旋 转方向上产生阻力[图 1(a)]。 

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图1

(3)施加的电压大于感应电压时产生驱动力 施加大于感应电压的电压时,根据弗莱明左手定 则,起到电机的作用,产生驱动力[图 1(b)]。

无铁心电机几乎无法制作的理由

 从玩具中使用的小型电机,到大型工业电机,通 常电机都是在铁心上缠绕线圈的,这一点应该不难想象。参加 WEM 这样的 EV 比赛的人中,如今自己制作 电机的人虽然越来越多,但是几乎没有听到谁说制成 了无铁心电机的(在笔者所知的范围内)。为何无铁心电机不像一般电机那样容易制作呢? 

(1)仅仅因为不熟悉吗?很多人小时候可能接触过万宝至电机,对电机是 电磁体(线圈)与永磁体相互吸引 / 排斥的工作原理很 熟悉。但是很少有机会接触无铁心电机,无铁心电机 的知名度很低。 

(2)线圈本身的强度和精度要求高,制作困难 有铁心电机的金属加工、线圈制作可以分开进行。无铁心电机的线圈本身需要一定的强度和精度,加工 难度大,并且需要熟知机械和电气两方面的知识,所 以很难普及。1 号无铁心电机的设计理念 笔者以下列事项为重点进行首次无铁心电机的 设计。

 (1)如何通过强大的磁通量 通过弗莱明定则可知,磁通量增加一倍,相同的 转速下可以获得两倍的感应电压。也就是说,想要让强大的磁通量通过线圈,由于 与铁相比磁通量通过空气的难度要大 1000 倍,因此要 尽可能地减小电机的气隙。此外,还要尽可能地使用 磁力强大的磁体。另一方面,参加 EV 比赛的车辆,质量小也是非 常重要的,需要通过与性能对照来确定磁体的厚度和 气隙。 

(2)为了使间隙达到最小,填充更多的导体 为了确保通过大的磁通量,笔者希望减小电机的 气隙。为了减小线圈的电阻,应该尽可能地加粗铜线。为此,线圈与磁体的间隙要达到最小。此外,无铁心 的状态下,要对线圈本身进行施加驱动力的补强,从 这方面来看,也要尽量减小线圈的厚度。


轴向无铁心电机的设计 

接下来进行无铁心电机的设计,与非晶合金电机 不同,这里的磁体与线圈的关系发生了很大的变化。本次开发的无铁心电机的磁体与线圈的关系如图 2 所 示。

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图2

平面上经过凹凸成型的线圈的两侧是可以安装磁 体的结构。电机的截面图如图 3所示,

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图3

电机(包括轮毂)的 侧面图如图4 所示,

1572833315308.jpg

图4

定子(从线圈侧来看)如图 5 所示。

1572833315306.jpg

图5

该电机的诸元素见表 1。

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表1

 仅有线圈,无法形成结构体

定子虽然不能有铁心,但是也不能是只有铜线的 软绵绵的结构体。将线圈用补强材料夹在中间,并用 环氧树脂裹住铜线后固化,形成结构体。补强材料需要具备以下物理性质:

 • 是绝缘体 

• 没有磁性 

• 高耐热性

• 高强度

 • 高刚性(不容易拉伸)

 • 易黏合

 • 易成型

 满足这些物理性质要求的材料有玻璃纤维、陶瓷 纤维、玄武岩纤维等无机纤维和芳香族聚合物纤维。本次使用的是玻璃纤维。玻璃纤维不仅在电路板和 FRP 成型品中有应用,而且还是透明的,可以看清楚 铜线的位置和状态。另外,定子线圈表面附着有补强材料,为了保证 其厚度不会在转子转动过程中与磁体发生干涉(接触), 需要留有一定的间隙。因此,笔者改变参数进行了计算, 并做了如下设定。

 a 线圈接线方式:3 串 2 并;

 b 线 圈 厚 度:3mm(铜线 2mm + 补强材料 0.5mm×2);

 c 间隙:两侧各 1mm;d 气隙:5mm。



磁体与线圈的配置


磁体,单侧为 40 个(N:20 个,S:20 个),由 于线圈夹在两侧的磁体之间,使用的磁体总数为 80 个 (参照图 6)。

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图6

 平均每个磁体的夹角为 360°/40 = 9°。与此对应, 分别配置了 U、V、W 三相的 3 个线圈。同时,每个线圈的截面都为六等份分割。为了使 感应电压与电源电压达到平衡,采用 3 串 2 并的接线 方式(图7)。

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图7


用磁体从两侧夹住线圈的轴向结构 CSIRO

电机使用的是海尔贝克阵列磁体(在后文 中说明),制作工艺非常复杂。因此,笔者使用的是 N/S 磁体与背轭构成的一般磁路。磁体用的是残留磁通 密度等级高的钕铁硼磁体(N45)4mm 厚度。采用线圈两侧被磁体夹住的结构,这样气隙的方 向与电机的旋转的中心轴在同一方向上,因此,也称 为轴向结构。

间隙为 1mm 的理由 

如前所述,笔者想要尽量减小间隙,但是确定为 1mm 并没有明确的根据。感觉有这么大间隙,就算部 件发生松动和震动等也不会发生接触(图 6)。

 线圈匝数不能改变,让人不安 

有铁心电机可以通过改变线圈匝数来改变电机的 转速。但是,无铁心电机为无法进行线圈匝数调整的结构。不过,它是由磁体从两侧夹住线圈的结构,如 果空间允许,可以增加垫片来调节磁通量的大小。可 是无法达到目标磁通量大小时也无法重新调整(磁通 量过大→转速慢,磁通量过小→转速快),这种不安 一直要到电机实际运转起来之后才能消除。

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