三相永磁同步電機(jī)——永磁直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

永磁直流電動(dòng)機(jī)的特性與他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)類似，二者之間的區(qū)別在于主磁場產(chǎn)生的方式不同。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的氣隙磁通由勵(lì)磁繞組產(chǎn)生，是可控的；永磁直流電動(dòng)機(jī)的氣隙磁通由永磁體建立，調(diào)節(jié)困難。除了具有他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的良好特性外，永磁直流電動(dòng)機(jī)還具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于家用電器、辦公設(shè)備、電動(dòng)工具、醫(yī)療器械、精密機(jī)床、電動(dòng)車輛、汽車和IT產(chǎn)品等。圖6一1為永磁直流電動(dòng)機(jī)的典型結(jié)構(gòu)，由定子、電樞和電刷裝置等部分組成田。

一、磁極結(jié)構(gòu)

永磁直流電動(dòng)機(jī)的磁極結(jié)構(gòu)種類很多，各有其特點(diǎn)。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(dòng)機(jī)的磁極結(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)如圖6一2所示，其中（a )為兩極結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)；( b）與（a）基本相同，不同之處是結(jié)構(gòu)（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(jié)構(gòu)，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(dòng)機(jī)的磁極結(jié)構(gòu)

鐵氧體永磁的特點(diǎn)是矯頑力高、剩磁密度低。鐵氧體永磁直流電動(dòng)機(jī)的主要磁極結(jié)構(gòu)如圖6一3所示，其中圖6一3 ( a）為瓦片形磁極結(jié)構(gòu)，永磁體直接面對空氣隙，電樞反應(yīng)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(jī)體積要求不高的場合，設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)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(yīng)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(chǎn)生較高的氣隙磁密，有利于減小電機(jī)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(jié)構(gòu)簡單，加工和裝配方便，便于大批量生產(chǎn)，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(jié)構(gòu)，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(dòng)機(jī)的磁極結(jié)構(gòu)

稀土永磁的特點(diǎn)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(jié)構(gòu)。

4．永磁直流電動(dòng)機(jī)的復(fù)合磁極結(jié)構(gòu)

在直流電動(dòng)機(jī)中，電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢對前半極增磁，對后半極去磁。對于單向旋轉(zhuǎn)的永磁直流電動(dòng)機(jī)，前半極的全部或部分可采用性能較低而價(jià)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(fù)合磁極結(jié)構(gòu)，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(fù)合磁極結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：可以在保證電機(jī)性能的前提下減少永磁材料用量，降低電動(dòng)機(jī)的成本，還可使電機(jī)具有復(fù)勵(lì)特性，永磁－軟鐵組合也稱為帶輔助極磁極結(jié)構(gòu)。

二、電樞結(jié)構(gòu)

永磁直流電機(jī)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(jié)構(gòu)。普通有槽式電樞鐵心由硅鋼片疊成，電樞繞組放在轉(zhuǎn)子槽內(nèi)，如圖6一6所示。電磁力作用在槽內(nèi)的導(dǎo)體上，可靠性好，應(yīng)用廣泛，但齒槽的存在會(huì)引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。無槽式電樞的電樞繞組均勻分布于轉(zhuǎn)子鐵心表面，如圖6一7所示〔 1 〕 。這種電樞的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)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?？招谋诫姌械碾姌欣@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(jī)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(nèi)定子永磁體和外定子永磁體兩種結(jié)構(gòu)，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(yùn)動(dòng)，導(dǎo)磁體內(nèi)無周期性變化的磁場，無鐵耗，因此電機(jī)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(dòng)勢小，換向良好，基本消除了換向火花，電刷與換向器的維護(hù)工作量也大為減小，提高了使用壽命。由于無齒槽，電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，運(yùn)行平穩(wěn)。這類電機(jī)的缺點(diǎn)是輸出功率小，漏磁較大，制造工藝復(fù)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(shè)計(jì)為單面分布或雙面分布。雙面分布永磁體印制繞組電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖6一9所示，磁場方向?yàn)檩S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(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，具有慣量小、時(shí)間常數(shù)小、響應(yīng)速度快且調(diào)節(jié)特性良好等特點(diǎn)。但由于電樞繞組與電刷間有相對摩擦運(yùn)動(dòng)，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(chǔ)之上發(fā)展起來的一種結(jié)構(gòu)。其電樞的制造過程是：先繞制線圈，然后按照設(shè)計(jì)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(jī)械強(qiáng)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(qiáng)度戮結(jié)劑將永磁體粘在定子扼上，其磁場為軸向。磁路結(jié)構(gòu)可根據(jù)情況設(shè)計(jì)為單面永磁體或雙面永磁體，小功率時(shí)通常采用前者，大功率時(shí)則采用后者。圖6一10給出了單面永磁體電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和機(jī)電時(shí)間常數(shù)小，無齒槽影響，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。