三相永磁同步電機——永磁直流電動機的結構

永磁直流電動機的特性與他勵直流電動機類似，二者之間的區(qū)別在于主磁場產生的方式不同。他勵直流電動機的氣隙磁通由勵磁繞組產生，是可控的；永磁直流電動機的氣隙磁通由永磁體建立，調節(jié)困難。除了具有他勵直流電動機的良好特性外，永磁直流電動機還具有結構簡單、運行可靠、體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點，廣泛應用于家用電器、辦公設備、電動工具、醫(yī)療器械、精密機床、電動車輛、汽車和IT產品等。圖6一1為永磁直流電動機的典型結構，由定子、電樞和電刷裝置等部分組成田。

一、磁極結構

永磁直流電動機的磁極結構種類很多，各有其特點。根據(jù)所用永磁材料種類的不同，將其分為以下4類。

1．鋁鎳鉆永磁直流電動機的磁極結構

如前所述，鋁鎳鉆永磁的矯頑力低、剩磁密度高，宜做成充磁方向長度大、截面積小的長棒形。主要磁極結構如圖6一2所示，其中（a )為兩極結構，采用弧形永磁體，沿圓弧方向充磁，兩塊永磁體并聯(lián)提供每極磁通，屬于并聯(lián)式磁路結構；( b）與（a）基本相同，不同之處是結構（b）的幾何中性線位置開了凹槽，以削弱該位置的磁場，改善換向；( e）為多極結構，為便于永磁體的制造和充磁，采用矩形永磁體，圓周方向充磁；圖（d）采用長棒形永磁體，沿徑向充磁；圖（e）采用圓筒形磁極，沿圓周方向充磁。

2．鐵氧體永磁直流電動機的磁極結構

鐵氧體永磁的特點是矯頑力高、剩磁密度低。鐵氧體永磁直流電動機的主要磁極結構如圖6一3所示，其中圖6一3 ( a）為瓦片形磁極結構，永磁體直接面對空氣隙，電樞反應直接作用在永磁體上，且氣隙磁密低，適合于對氣隙磁密和電機體積要求不高的場合，設計不當會出現(xiàn)不可逆退磁；圖6一3 ( b）在永磁體上安裝軟鐵極靴，交軸電樞反應沿極靴閉合，對永磁體影響小，此外極靴還有聚磁作用，可以產生較高的氣隙磁密，有利于減小電機體積和重量；圖6一3（。）為整體圓筒形磁極，可以充為一對極或多對極，結構簡單，加工和裝配方便，便于大批量生產，但極間的部分永磁材料作用很小，材料利用率低，且圓筒形永磁體較難制成各向異性，磁性能較差；圖子3( d）為方形結構，采用矩形永磁體和聚磁極靴，與圖e3 ( b）基本相同。

3．稀土永磁直流電動機的磁極結構

稀土永磁的特點是矯頑力高、剩磁密度高，通常做成瓦片形，如圖6一4 ( a）所示。在對體積重量要求很高的場合，可采用圖6一4 ( b )所示聚磁結構。

4．永磁直流電動機的復合磁極結構

在直流電動機中，電樞反應磁動勢對前半極增磁，對后半極去磁。對于單向旋轉的永磁直流電動機，前半極的全部或部分可采用性能較低而價格便宜的永磁材料，如鐵氧體永磁或者使用軟鐵；后半極采用高性能的永磁材料，如欽鐵硼永磁，就是所謂的復合磁極結構，如圖6一5所示。其中圖6一5 ( a）為鐵氧體一欽鐵硼組合，圖6一5 ( b）為鐵氧體永磁一軟鐵或欽鐵硼永磁一軟鐵組合。復合磁極結構的優(yōu)點是：可以在保證電機性能的前提下減少永磁材料用量，降低電動機的成本，還可使電機具有復勵特性，永磁－軟鐵組合也稱為帶輔助極磁極結構。

二、電樞結構

永磁直流電機的電樞包括有槽式、無槽式、空心杯式、印制繞組式和繞線盤式等多種結構。普通有槽式電樞鐵心由硅鋼片疊成，電樞繞組放在轉子槽內，如圖6一6所示。電磁力作用在槽內的導體上，可靠性好，應用廣泛，但齒槽的存在會引起轉矩脈動。無槽式電樞的電樞繞組均勻分布于轉子鐵心表面，如圖6一7所示〔 1 〕 。這種電樞的特點是轉矩脈動小、低速性能好，但有效氣隙大、氣隙磁密較低。為了得到較高的氣隙磁密，需采用高性能的永磁材料。空心杯式電樞的電樞繞組繞成杯形，有盤式繞組、直繞組、斜繞組、疊繞組等多種形式，電樞由專用的繞線機繞制并固化成型。根據(jù)永磁體與電樞杯徑向相對位置的不同，又分為內定子永磁體和外定子永磁體兩種結構，分別如圖6一8 ( a）和（b）所示。由于磁路系統(tǒng)與永磁體無相對運動，導磁體內無周期性變化的磁場，無鐵耗，因此電機總損耗小，效率高。由于氣隙大，且無電樞鐵心，電樞線圈電感小，換向電動勢小，換向良好，基本消除了換向火花，電刷與換向器的維護工作量也大為減小，提高了使用壽命。由于無齒槽，電機轉矩脈動小，運行平穩(wěn)。這類電機的缺點是輸出功率小，漏磁較大，制造工藝復雜。印制繞組式電樞的電樞繞組采用印刷線路板或沖制而成，呈圓盤狀。定子由扇形永磁體及磁扼組成，可根據(jù)需要將永磁體設計為單面分布或雙面分布。雙面分布永磁體印制繞組電機的結構如圖6一9所示，磁場方向為軸向，繞組有效部分兼做換向器，電樞盤可做成多層繞組。由于沒有鐵心，無鐵耗，效率較高；電樞沒有齒槽，轉矩脈動小，運轉平穩(wěn)，具有慣量小、時間常數(shù)小、響應速度快且調節(jié)特性良好等特點。但由于電樞繞組與電刷間有相對摩擦運動，影響了使用壽命。繞線盤式電樞是在印制繞組式電樞的基礎之上發(fā)展起來的一種結構。其電樞的制造過程是：先繞制線圈，然后按照設計要求排列成波繞組或疊繞組，再用環(huán)氧樹脂澆注成型或塑壓成型，從而確保電樞繞組具有良好的機械強度。為了提高功率密度，電樞繞組可以制成多層。定子的制造過程為：首先將稀土永磁體制成所需形狀，然后用高強度戮結劑將永磁體粘在定子扼上，其磁場為軸向。磁路結構可根據(jù)情況設計為單面永磁體或雙面永磁體，小功率時通常采用前者，大功率時則采用后者。圖6一10給出了單面永磁體電機的結構示意圖，其轉動慣量和機電時間常數(shù)小，無齒槽影響，電機運轉平穩(wěn)。