盤式永磁電動機換向結(jié)構(gòu)的設(shè)計

褚先章

(寧波海天驅(qū)動有限公司，浙江寧波315801)

0 引 言

盤式永磁電動機又稱軸向磁場電動機。1821年，法拉第發(fā)明的世界上第一臺電機就是軸向磁場盤式永磁電機。限于當(dāng)時的材料和工藝水平，盤式永磁電機未能得到進一步發(fā)展。然而，由于盤式永磁電動機具有良好的散熱條件、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功率密度高等特點，已重新獲得市場的青睞，并在電動汽車和軍工等領(lǐng)域占有重要地位。

1 盤式永磁電動機的換向結(jié)構(gòu)

在盤式永磁電動機各種分類中，帶換向結(jié)構(gòu)的盤式永磁直流電動機，具有使用方便、性價比高、容易實現(xiàn)低壓大電流特點，成為盤式永磁電動機領(lǐng)域的一個重要分支。

換向性能是盤式永磁直流電動機的主要性能指標(biāo)。良好的換向結(jié)構(gòu)，可以降低換向元件間的接觸電阻和接觸電壓，減少甚至避免換向火花的產(chǎn)生，降低換向損耗，提高電機的效率和壽命。

目前，國內(nèi)絕大多數(shù)的盤式永磁直流電動機均采用“電刷+換向器+繞組”的換向結(jié)構(gòu)。為簡化電機結(jié)構(gòu)，提高效率，我們對一款盤式永磁直流電動機設(shè)計了新的換向結(jié)構(gòu)，其關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。圖1中省略了轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)子鐵心等零件，以便視圖簡潔明了。

圖1 關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)簡圖

從圖1中不難發(fā)現(xiàn)，電機的電刷與成型電樞繞組直接接觸，電機的換向過程僅僅在電刷和成型電樞繞組之間產(chǎn)生，整個換向結(jié)構(gòu)無換向器部件，巧妙地利用電樞繞組的成型線圈直接與電刷接觸進行電流換向。

2 換向結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)缺點

2.1 優(yōu)點

換向結(jié)構(gòu)的改進，可以簡化電機的結(jié)構(gòu)，提高電機的工作特性。主要有以下幾點:

(1)簡化加工工藝。去掉換向器零件后，電機的裝配工藝得到簡化。

(2)降低整機成本。

(a)由于無換向器部件，所以材料成本減少。

(b)裝配工藝得到簡化，降低了人工成本。

(3)電機性能得到改善。

(a)效率提高。去掉換向器零件后，電機的電路相應(yīng)縮短，而且減少了換向器與繞組間的接觸電阻，所以電機的銅損耗和接觸損耗降低，提高了電機的效率。

(b)溫升降低。由于電機銅損耗和接觸損耗降低，效率得到提高，所以在同樣的輸出條件下，電機的溫升必然降低。

(c)體積縮小，重量減輕。簡化換向結(jié)構(gòu)后，電機的內(nèi)部可以設(shè)計得更加緊湊，安裝空間縮小，特別適用于對安裝空間要求較高的領(lǐng)域，如電動汽車、魚雷等等前沿行業(yè)。

(d)超高的功率密度比。以我公司的一款產(chǎn)品為例，殼體的直徑和厚度分別為210 mm和70 mm，整機的重量不到13 kg，而電機功率卻達(dá)到13 kW。

2.2 缺點

由于換向結(jié)構(gòu)的改動，電機轉(zhuǎn)子的整體結(jié)構(gòu)和加工工藝需要全新設(shè)計和調(diào)整，對電機設(shè)計人員的專業(yè)知識和經(jīng)驗都是一個考驗;并且由于該方案對電機結(jié)構(gòu)有較大變動，所以需要對樣機進行多次測試和反復(fù)驗證，以保證電機的性能和可靠性符合規(guī)定要求。

綜合而論，新設(shè)計的盤式永磁電動機的換向方案，即優(yōu)化了電機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使電機的整體結(jié)構(gòu)更加緊湊，又可減少整機的外形尺寸和重量，所以具有尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)省成本等優(yōu)點。