三相永磁同步电机——永磁直流电动机的结构

永磁直流电动机的特性与他励直流电动机类似，二者之间的区别在于主磁场产生的方式不同。他励直流电动机的气隙磁通由励磁绕组产生，是可控的；永磁直流电动机的气隙磁通由永磁体建立，调节困难。除了具有他励直流电动机的良好特性外，永磁直流电动机还具有结构简单、运行可靠、体积小、重量轻、效率高等优点，广泛应用于家用电器、办公设备、电动工具、医疗器械、精密机床、电动车辆、汽车和IT产品等。图6一1为永磁直流电动机的典型结构，由定子、电枢和电刷装置等部分组成田。

一、磁极结构

永磁直流电动机的磁极结构种类很多，各有其特点。根据所用永磁材料种类的不同，将其分为以下4类。

1．铝镍钻永磁直流电动机的磁极结构

如前所述，铝镍钻永磁的矫顽力低、剩磁密度高，宜做成充磁方向长度大、截面积小的长棒形。主要磁极结构如图6一2所示，其中（a )为两极结构，采用弧形永磁体，沿圆弧方向充磁，两块永磁体并联提供每极磁通，属于并联式磁路结构；( b）与（a）基本相同，不同之处是结构（b）的几何中性线位置开了凹槽，以削弱该位置的磁场，改善换向；( e）为多极结构，为便于永磁体的制造和充磁，采用矩形永磁体，圆周方向充磁；图（d）采用长棒形永磁体，沿径向充磁；图（e）采用圆筒形磁极，沿圆周方向充磁。

2．铁氧体永磁直流电动机的磁极结构

铁氧体永磁的特点是矫顽力高、剩磁密度低。铁氧体永磁直流电动机的主要磁极结构如图6一3所示，其中图6一3 ( a）为瓦片形磁极结构，永磁体直接面对空气隙，电枢反应直接作用在永磁体上，且气隙磁密低，适合于对气隙磁密和电机体积要求不高的场合，设计不当会出现不可逆退磁；图6一3 ( b）在永磁体上安装软铁极靴，交轴电枢反应沿极靴闭合，对永磁体影响小，此外极靴还有聚磁作用，可以产生较高的气隙磁密，有利于减小电机体积和重量；图6一3（。）为整体圆筒形磁极，可以充为一对极或多对极，结构简单，加工和装配方便，便于大批量生产，但极间的部分永磁材料作用很小，材料利用率低，且圆筒形永磁体较难制成各向异性，磁性能较差；图子3( d）为方形结构，采用矩形永磁体和聚磁极靴，与图e3 ( b）基本相同。

3．稀土永磁直流电动机的磁极结构

稀土永磁的特点是矫顽力高、剩磁密度高，通常做成瓦片形，如图6一4 ( a）所示。在对体积重量要求很高的场合，可采用图6一4 ( b )所示聚磁结构。

4．永磁直流电动机的复合磁极结构

在直流电动机中，电枢反应磁动势对前半极增磁，对后半极去磁。对于单向旋转的永磁直流电动机，前半极的全部或部分可采用性能较低而价格便宜的永磁材料，如铁氧体永磁或者使用软铁；后半极采用高性能的永磁材料，如钦铁硼永磁，就是所谓的复合磁极结构，如图6一5所示。其中图6一5 ( a）为铁氧体一钦铁硼组合，图6一5 ( b）为铁氧体永磁一软铁或钦铁硼永磁一软铁组合。复合磁极结构的优点是：可以在保证电机性能的前提下减少永磁材料用量，降低电动机的成本，还可使电机具有复励特性，永磁－软铁组合也称为带辅助极磁极结构。

二、电枢结构

永磁直流电机的电枢包括有槽式、无槽式、空心杯式、印制绕组式和绕线盘式等多种结构。普通有槽式电枢铁心由硅钢片叠成，电枢绕组放在转子槽内，如图6一6所示。电磁力作用在槽内的导体上，可靠性好，应用广泛，但齿槽的存在会引起转矩脉动。无槽式电枢的电枢绕组均匀分布于转子铁心表面，如图6一7所示〔 1 〕 。这种电枢的特点是转矩脉动小、低速性能好，但有效气隙大、气隙磁密较低。为了得到较高的气隙磁密，需采用高性能的永磁材料。空心杯式电枢的电枢绕组绕成杯形，有盘式绕组、直绕组、斜绕组、叠绕组等多种形式，电枢由专用的绕线机绕制并固化成型。根据永磁体与电枢杯径向相对位置的不同，又分为内定子永磁体和外定子永磁体两种结构，分别如图6一8 ( a）和（b）所示。由于磁路系统与永磁体无相对运动，导磁体内无周期性变化的磁场，无铁耗，因此电机总损耗小，效率高。由于气隙大，且无电枢铁心，电枢线圈电感小，换向电动势小，换向良好，基本消除了换向火花，电刷与换向器的维护工作量也大为减小，提高了使用寿命。由于无齿槽，电机转矩脉动小，运行平稳。这类电机的缺点是输出功率小，漏磁较大，制造工艺复杂。印制绕组式电枢的电枢绕组采用印刷线路板或冲制而成，呈圆盘状。定子由扇形永磁体及磁扼组成，可根据需要将永磁体设计为单面分布或双面分布。双面分布永磁体印制绕组电机的结构如图6一9所示，磁场方向为轴向，绕组有效部分兼做换向器，电枢盘可做成多层绕组。由于没有铁心，无铁耗，效率较高；电枢没有齿槽，转矩脉动小，运转平稳，具有惯量小、时间常数小、响应速度快且调节特性良好等特点。但由于电枢绕组与电刷间有相对摩擦运动，影响了使用寿命。绕线盘式电枢是在印制绕组式电枢的基础之上发展起来的一种结构。其电枢的制造过程是：先绕制线圈，然后按照设计要求排列成波绕组或叠绕组，再用环氧树脂浇注成型或塑压成型，从而确保电枢绕组具有良好的机械强度。为了提高功率密度，电枢绕组可以制成多层。定子的制造过程为：首先将稀土永磁体制成所需形状，然后用高强度戮结剂将永磁体粘在定子扼上，其磁场为轴向。磁路结构可根据情况设计为单面永磁体或双面永磁体，小功率时通常采用前者，大功率时则采用后者。图6一10给出了单面永磁体电机的结构示意图，其转动惯量和机电时间常数小，无齿槽影响，电机运转平稳。