轴向磁场无铁心无刷永磁盘式电机的设计 

    摘要：介绍了轮用轴向磁场无铁心无刷永磁盘式电机的结构形式，探讨了这种新电机
的设计特点，重点解决了电机主要尺寸确定和磁路分析计算问题，最后给出了一种磁极

  

形状和线圈形状的优选方案。

    1 

   

引 言

    传统永磁电机将绕组按一定规律嵌放在铁心槽中。这样，电机运行时，由于齿槽效应，
电磁转矩会产生脉动。因此，人们研制了无槽式永磁电机，使转矩脉动大为改善。但是，
由于铁心的存在，转动惯量大、响应速度慢、换向性能不理想（绕组电感较大）等问题依
然存在，且轴向尺寸长，还严重限制了电机在多数具有薄型安装场合的应用。为此，以压
缩轴向尺寸为目标，改传统电机中的径向磁场结构为轴向磁场结构，无铁心永磁盘式直
流电动机得以研制。这种电机结构简单，控制灵活，换向性能好，特别适合于薄型安装场
合，虽然在汽车、仪表、电动工具、电动车辆驱动中有广泛应用，但仍然存在电刷维护与经
济调速等问题。在此基础上，为实现零维护和调速控制，本文研究无铁心无刷永磁盘式电

 

机。这类电机在电力助动车驱动领域有广泛需求及应用前景。

    然而，作为一种新型微特电机，轴向磁场无铁心无刷永磁盘式电机首先要解决设计理
论与方法问题，要尽量缩小与有铁心电机绕组定位准确和节省永磁材料等方面的差距，

 

充分展示独有的技术特点和性能优势。这也是本文讨论的重点。

    2 

 

基本结构和原理

    为克服单边磁拉力，减少漏磁，设计目标拟定为双转子结构的轴向磁场无铁心无刷永
磁盘式电机，其结构示意如图 1 所示。双转子和单定子构成双气隙；电枢无槽无铁心，由
绕组注塑而成；转子由高性能永磁材料与钢板粘接。主磁路从一个极出发，轴向穿过气隙
和与之相对的另一极，沿周向经过转子轭，再穿过相邻的磁极和轴向气隙，最后沿转子
轭部闭合，如图 2 所示。控制器根据位置传感器检测的转子位置信号，触发相应的电子开
关元件，给电枢供电。径向通电导体在轴向磁场的作用下产生切向电磁力，驱动转子旋转。
分析表明，采用双边磁体结构，气隙磁密比单边磁体结构高出 10％左右，并且可改善极
面下磁密分布的均匀性[1]。即双转子结构可以更充分地利用永磁材料，这有利于提高电
机性能、降低成本和缩小体积。此外，转子旋转时磁极具有风扇作用，还有利于电机的散
热。

    3 

 

基本设计法则

    3．1 

 

空载工作点的确定

    轴向磁场无铁心无刷永磁盘式电机的气隙较长，磁路一般不饱和，磁轭中的磁位差可
以忽略，同时亦可忽略电枢反应，并视气隙磁场计算面积与磁极截面积相等。对于退磁曲
线可近似线性化处理的永磁材料，气隙磁通密度 Bδ 可给出为：
    Br——

 

永磁体剩磁密度

    μr——

 

相对回复磁导率